分级燃烧技术在电站锅炉低NOx排放中的应用

李岸然

(广东国华粤电台山发电有限公司，广东台山 529228)

0 引言

NOx是形成酸雨的主要成分，对大气臭氧层、水质及土壤都有严重的破坏作用，2011年我国NOx排放总量达到2404.3万t［1］，其中火电厂煤燃烧产生的氮氧化物约占40%，因此加强电站锅炉NOx排放治理对环境保护和可持续发展有重要意义。

分级燃烧技术是目前最为成熟的低氮燃烧技术，通过对电站锅炉燃烧系统进行改造，形成下部欠氧上部富氧的燃烧气氛，能够有效的抑制NOx的生成。台山电厂一期为5×600MW亚临界机组，锅炉炉膛出口NOx排放水平平均在400mg/m3以上，不能满足国家环保的要求［2］。2012年1月份以2号炉为试点，开始陆续以应用分级燃烧技术的低氮燃烧系统为基础进行锅炉排烟降氮改造，改造后炉膛出口的NOx基本可以控制在150mg/m3左右;最后采用SCR装置对炉膛出口残留的NOx进行喷氨降氮处理，最终烟囱出口NOx浓度降至30mg/m3以下，远低于国家新的环保标准。

1 煤粉燃烧过程中NOx的形成

锅炉燃烧中生成的氮氧化物主要是NO和NO2，其中 NO约占总量的90%，NO2只占5% ～10%。NOx按氮元素的来源及生成途径可分为燃料型、热力型和快速型三种［3］。煤粉炉排烟中的NOx主要是燃料型NOx，约占其总量的75% ～80%，其余为热力型NOx和快速型NOx。由于煤的热解温度低于其燃烧温度，因此在600～800℃时就会生成燃料型NOx，而且其生成量受温度不大。在燃烧过程中，一部分含氮的挥发分受热裂解生成N、CN、HCN和NHi等中间产物，随后再氧化生成NOx;另一部分焦炭中的剩余氮在燃烧过程中经多相反应被氧化成NOx，燃料型NOx中煤挥发分NOx约占的60% ～80%。锅炉燃烧中影响NOx生成的因素主要是燃烧区的氧浓度，火焰温度等。

2 分级燃烧技术

分级燃烧技术是目前最为成熟的电站锅炉低NOx燃烧技术，它是通过调整燃烧器及其附近的区域内空气和燃料的混合比例，在保证总体过量空气系数不变的基础上，使燃料经历“富燃料燃烧”和“富氧燃尽”两个阶段。在浓相富燃料燃烧阶段，氧气浓度低降低了燃料的燃烧速度和炉膛温度，从而抑制了热力型NOx的生成，同时由于不能完全燃烧，挥发份迅速析出并发生气相反应更造成此区缺氧，使已形成的NOx与NHi反应生成N2，并使NHi相互反应，从而降低了NOx的生成。然后在富氧燃烧阶段，燃料燃尽，但由于此区域的温度已经降低，新生成的NOx量十分有限，因此，总体上NOx的排放量明显减少。

在分级燃烧技术中，合理的分配两级燃烧的过量空气系数是控制NOx排放的关键因素。经验表明，富燃料区的过量空气系数如果太低，煤粉不易点燃而且燃烧不稳定;如果太高，则NOx的生成量也会上升，一般取0.8 左右［4］。

受燃烧器各二次风喷口间距的影响，仅通过炉膛布风在燃烧器周围进行分级燃烧，燃料在富燃料区停留时间往往不够，NOx的还原还未达到平衡，而且富氧区的温度较高，燃料燃烧会有新的NOx生成［5］，因此NOx的最终排放量下降幅度不是很大。如果通过燃烧系统二次风门改造，将炉膛内垂直方向上二次风量重新进行分配，使燃烧器附近的空气过量系数控制在0.8左右，发生富燃料燃烧。然后在燃烧器上方增装燃尽二次风SOFA，与第一段燃烧区所生成的烟气混合，在富氧的条件下完成全部燃烧过程。通过炉膛布风将分级燃烧范围扩大到接近整个炉膛，可以合理地控制燃料在富燃料区的停留时间，并使富氧区的温度降得更低，这样就可以达到抑制NOx生成的目的。

3 分级燃烧技术在电站锅炉上的应用

为设置分级燃烧区域，达到先欠氧、后富氧燃烧效果，台山电厂2号炉利用大修机会将现有燃烧系统整体更换为LNTFS燃烧器。

燃烧器采用带有燃料风(周界风)的宽调比燃烧器，在喷口处将煤粉分成浓相和淡相两部分，浓相靠近火焰中心，淡相靠近水冷壁，这样在火焰中心形成欠氧燃烧，更进一步抑制NOx的生成。由于燃烧器附近为还原性气氛，灰熔点比氧化气氛中降低100～120℃，容易引起结渣，另外还原气氛下煤粉燃烧生成的H2S量增加，水冷壁易受高温腐蚀。因此为了尽可能防止高温还原性气流和炉墙接触，将原相邻两层煤粉喷嘴之间的辅助风喷嘴改为一只直吹辅助二次风喷嘴和上下两只偏置的贴壁风CFS喷嘴，使空气沿水冷壁上升，保持水冷壁表面的氧化性气氛防止结渣和水冷壁的高温腐蚀。CFS具有一定的偏转角度，适当的开度可以保持炉内火焰良好的旋转，防止出现局部高温和火焰分散问题。

在主风箱上部设有两层紧凑燃尽风CCOFA喷嘴，主要是弥补下部欠氧环境下煤粉不完全燃烧造成的飞灰含碳量和CO浓度增加，降低不完全燃烧损失。在主风箱下部设有一层火下风UFA喷嘴，减少灰渣含碳损失。

重新调整一次风间距及主燃烧器的二次风量分配，在主燃烧器顶部上3m处设置两段燃尽风SOFA，在炉膛上部形成富氧环境，强化了燃尽区焦炭对NOx的还原作用，同时增加了燃尽区近壁区域的氧浓度，有利于避免高温腐蚀。每个SOFA喷嘴都有各自的摆动连杆，可手动作水平摆动，其目的除降低NOx排放还具有抵消炉膛上部烟气流的残余旋转的作用。新增加48个二次风门调节执行器，加上原来56个，共104个二次风门调节执行器。分级燃烧系统具体布置如图1所示。

图1 分级燃烧系统的布置及NOx浓度分布

正常运行阶段，通过控制SOFA风门的开度(SOFA风量最大占总风量的20%)，使主燃区产生欠氧燃烧，主燃区的温度降低并形成还原气氛，抑制NOx的形成。在炉膛上部未完全燃尽的燃料在SOFA风的作用下达到完全燃烧，这样整个炉膛就形成了下部欠氧上部富氧，有效降低了NOx的形成。

通过炉膛布风可以合理地控制燃料在富燃料区的停留时间，从而抑制NOx的生成。在同等条件下，仅采用这种方式进行分级燃烧，可以减少30%～50%的NOx排放量［6］，再结合尾部烟道的脱硝反应装置同时应用，可以将烟囱出口 NOx降低到30mg/m3以下，满足国家标准要求。

4 改造效果

增加分离燃烬风，使炉膛内形成燃烧区低氧富燃料、燃尽区富氧低燃料，可以有效地降低炉膛氧量和温度，从而抑制NOx的生成。ECR工况下SOFA风挡板开度分别在10%、30%、60%和80%下，炉膛出口 NOx排放浓度分别为 535.33、368.42、275.4、144.6mg/m3。可见增大SOFA风量实现燃料在炉膛内部的分级燃烧对降低NOx排放效果是比较显著的。正常运行SOFA风门开度一般在50%～60%，炉膛出口NOx排放浓度一般为250mg/m3，折算成标准工况(6%O2)后NOx含量在150mg/m3。再经过SCR脱硝装置，最终烟气NOx的含量可以降低到30mg/m3以下，达到国家环保标准要求。

采取了新型宽调比浓淡燃烧煤粉喷嘴，达到燃烧器喷口煤粉浓淡分离效果及出口火焰卷吸燃烧效果。燃烧器改造后，2号机组锅炉断油低负荷稳燃(D、E磨煤机运行)煤量87t/h，锅炉平均蒸发量551t/h，平均负荷195MW，燃烧稳定，炉膛负压平稳，符合锅炉燃烧器改造后的设计要求。

燃烧调整过程中，各个工况下炉膛出口烟气温度测量平均值中最大值为1201℃，根据煤质化验报告，试验期间入炉煤灰熔点软化温度为1220℃，通过看火孔观察受热面，炉膛出口分隔屏和其他受热面基本没有焦块，受热面较洁净。在炉膛的40m高度的水冷壁鳍片中，左右侧开孔进行炉膛壁面氧量分布的测量。各墙的贴壁氧量较均匀一致，左墙为0.1% ～1.6%，右墙为 0.1% ～1.2%。这说明水冷壁表面呈还原性气氛，火焰没有贴壁，无高温腐蚀。

5 结语

通过对锅炉原燃烧系统进行改造，在燃烧器上部增设SOFA燃尽风，实现了下部欠氧上部富氧的燃烧，改造后炉膛低负荷燃烧稳定性未受明显影响，额定工况下炉膛出口NOx由原先的400mg/m3降低到150mg/m3以下，有效降低了NOx的排放，再辅以脱硝装置，能够达到国家环保标准要求。目前国内火电装机容量占总容量的70%以上，分级燃烧技术的推广，对国家的节能减排工作有重要意义。

［1］周生贤.2011中国环境状况公报［R］.北京:中华人民共和国环境保护部，2012-05-25.

［2］GB 13223－2011，火电厂大气污染物排放标准［S］.

［3］宋亚强.煤粉炉低NOx燃烧技术的数值试验研究［D］.南京:东南大学，2005.

［4］唐志国，朱全利，唐必光，等.空气分级燃烧降低NOx排放的实验研究［J］.电站系统工程，2003，19(3):7 －9.

［5］周俊虎，卢志民，王智化，等.氨还原剂NOx还原反应及热解反应的试验研究［J］.电站系统工程，2006，22(1):4 －7.

［6］程 静.空气分级燃烧技术在电站锅炉节能减排上的应用［J］.节能技术，2010，28(161):236－240.