双尺度低NOx燃烧技术在燃煤机组上的应用

周大明

（国电达州发电有限公司，四川 达州 635026)

双尺度低NOx燃烧技术在燃煤机组上的应用

周大明

（国电达州发电有限公司，四川 达州 635026)

根据国家环保部《火电厂氮氧化物防治技术政策》的要求，某电厂采用双尺度低NOx燃烧技术，对锅炉实施了低氮燃烧器改造。介绍了双尺度低NOx燃烧技术的原理以及实施改造的具体措施，通过采集改造后锅炉不同工况下的试验运行数据，比较分析主要指标的变化，改造结果表明：NOx和CO排放量大幅降低，改造效果良好。

NOx排放；双尺度低NOx燃烧技术；燃烧器；技术改造

0 前言

燃煤过程中产生的氮氧化物(NOx)是一种危害较大且较难处理的大气污染物。研究表明：当城市地区的NO2体积分数达到(10-100)×10-6时，就会危害人体健康。NO2不仅参与光化学烟雾的形成，同时也是引起温室效应、酸雨和光化学反应的主要物质之一。我国是燃煤大国，开展NOx排放治理工作十分迫切。

低NOx燃烧技术是指改变燃烧条件以降低NOx排放的技术，具有初投资低的优点，其费用仅为SCR技术的1/7，且无运行成本。为达到国家“十二五”环保目标的总体要求，控制NOx排放浓度，某发电公司在2014年9月对31号锅炉进行了低氮燃烧器改造。改造选用烟台龙源电力股份有限公司研发的双尺度强防渣高效低NOx燃烧技术，取得了较好的NOx减排效果，各工况下NOx排放质量浓度均低于400mg/m3(标准状态，折算到6%氧量下，下同)，在同类型燃贫煤机组中处于领先水平。

1 机组简介

某发电公司31号锅炉(配套机组300MW)为东方锅炉股份有限公司生产的亚临界参数、自然循环、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、半露天布置、全钢构架悬吊结构、四角切圆燃烧方式的∏型汽包锅炉，型号为DG1025/17.4-Ⅱ4。该锅炉采用中间仓储式负压制粉系统，配置4台DTM350/700型低速筒形钢球磨煤机。

2 燃烧系统改造方案及技术特点

2.1 双尺度低NOx燃烧技术

双尺度低NOx燃烧技术，是在炉膛空间尺度上燃烧优化组合技术和煤粉燃烧过程尺度上强化燃烧技术的总称，是集防结渣、高效燃烧、超低NOx排放多功能于一体的燃烧技术。

2.2 燃烧器改造总体方案

燃烧器改造总体方案采用烟台龙源电力技术股份有限公司研发的双尺度燃烧技术及双尺度分区优化调试方法组合技术，在原燃烧器基础上进行低NOx燃烧器改造。改造内容有：更换现有燃烧器组件，包括四角风箱、风门挡板、燃烧器喷嘴体、角区水冷壁弯管、风门执行器等；对燃烧器进行重新布置，改变假想切圆直径，调整各层煤粉喷嘴的标高和间距，增加新的燃烬风组件以增加高位燃烬风量；更换微油燃烧器及其他5层一次风喷口、喷嘴体及弯头，一次风喷嘴全部采用上下浓淡中间带稳燃钝体的燃烧器。采用新的二次风室，适当减小端部风室、油风室及中间空气风室的面积；在OFA和EF层两侧加装贴壁风，上下端部风及一次风仍旧为逆时针方向旋转；AB，BC，CD，DE，EF，FF二次风与一次风小角度偏置，顺时针反向切入，形成横向空气分级；重新合理分配风量，并调整主燃烧器区一、二次风喷口面积，使一次风速满足入炉煤种的燃烧特性要求，适当减小主燃烧器区的二次风量，形成纵向空气分级；燃烧器采用新的摆动机构，实现整体上下摆动；在原主燃烧器上方约6.5 m处增加4层分离燃烬风SOFA喷口，分配足量的SOFA燃烬风量，SOFA喷口可同时作上下左右摆动。低氮改造方案平面示意如图1所示。

图1 低氮改造方案平面示意

2.3 燃烧器降低NOx排放量的改造措施

NOx按生成机理一般可分为燃料型、热力型及快速型3种。燃料型NOx约占总NOx的80%-90%，是各种低NOx技术控制的主要对象，可通过控制燃料着火初期过量空气系数使燃料不完全燃烧加以控制；热力型NOx约占总NOx的15%，它由炉内局部高温造成，可通过控制炉温水平加以控制；快速型NOx生成量很少，占总NOx不到5%。

2.3.1 纵向3区布置

改造后的燃烧器从下至上大致分为3个区，依次为集中氧化主燃烧区、集中还原脱氮区及燃烬区，如图2所示。在主燃烧器上方合适位置引入适量的燃烬风(占总风量的20%-30%)，并采用多喷口多角度射入燃烬风，这有助于煤粉初期燃烧，使炉温升高，促进煤粉尽快着火燃烧。但由于燃烬风量较大，主燃烧器区内也会存在氧化还原交替区，通过控制高度方向的配风，可形成局部还原区，初步还原NOx，使NOx在初始燃烧就得到抑制。在还原脱氮区，已生成的NOx还可得到充分还原。在燃烬区，及时补充进来的二次风作为燃烬风，促进煤粉最后燃烬。通过纵向3区布置，形成纵向空气分级，使NOx得到极大抑制，飞灰可燃物也会得到控制。

图2 燃烧器布置示意

由于实现纵向空气分级，燃烧器区域相对有所扩大，燃烧器区域热负荷降低，炉内温度峰值降低，可减少或消除热力型NOx的生成。

2.3.2 横向双区布置

改造后燃烧器保留一次风射流方向不变，二次风逆时针与一次风偏置布置，一、二次射流偏角调小，只有3°。2层一次风之间布置贴壁风喷口，形成横向空气分级。这种横向空气分区布置，可使沿炉膛截面形成中心区和近壁区双区分布，中心区具有较高的煤粉浓度、较高的温度水平，近壁区具有较低的颗粒浓度和较低的温度水平。由于贴壁风的存在，近壁区可保留足够的氧，防止还原性气体靠近水冷壁发生低氧腐蚀。一、二次风偏置后可在初始燃烧时，防止二次风过早混入，使稳燃效果得到强化，煤种适应性更好；同时形成局部缺氧燃烧，在火焰内就进行NOx还原，抑制NOx产生。在火焰末端，二次风及时掺混进来，使缺氧燃烧时未燃烬的煤粉颗粒再次燃烧。在横向空气分区与纵向空气分区形成空间空气分区。

2.3.3 低NOx燃烧器

A，C，D，E，F一次风喷口设计上采用上下浓淡分离式，中间加装较大的稳燃钝体。浓淡燃烧除可降低NOx外，还可对煤粉稳燃、提前着火有积极作用；同时钝体能增加卷吸的高温烟气量，进一步强化稳燃。

2.4 燃烬风布置方案

在主燃烧器上方，布置类椭圆形穿透性强的燃烬风喷口，SOFA(分离式燃烬风)可水平、垂直摆动，随着角度的变化可实现燃烬风对后期的炉膛全覆盖。同时，SOFA可作为调整炉膛火焰中心的有效手段。布置4层SOFA喷口的不同摆动角度的组合射流，可努力实现向炉膛中心补氧，同时可兼顾到距离水冷壁较近区域的补氧条件。

这种布置方式的主要特点是在空间内形成不同的组合射流，加大后期混合力度，对煤粉的后期燃烬有积极作用。

3 改造后的性能试验分析

3.1 NOx及CO的减排效果

本次燃烧器改造，目的是降低NOx排放量，同时保证锅炉各项热损失在合理范围内。因此，在各负荷段采用网格法，利用TESTO350-XL烟气分析仪对空气预热器出口的烟气成分进行测量，其结果如表1所示。

表1 各负荷段NOx及CO的测量数据

在180-300MW负荷运行期间，NOx排放量可以稳定控制在440mg/Nm3以内，NOx排放量一般为300-400mg/Nm3，再通过选择性催化还原法(SCR)脱硝装置的处理，使NOx最终排放量不高于90mg/Nm3，完全达到GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》小于100mg/Nm3的排放要求；在任何负荷下，使CO排放量都能够稳定控制在30ppm内。

3.2 过量空气系数对NOx排放及锅炉效率的影响

煤粉燃烧过程即为各种剧烈的化学反应过程，氧浓度越高，挥发分燃烧和煤粉燃烧过程越快，生成的NOx越多。燃烧器改造通过控制不同燃烧区域的氧浓度来抑制NOx的生成。挥发分在燃烧初期欠氧状态下，NOx生成速率慢，相对增加了还原气氛，有利于消减NOx。在煤粉燃烧过程中合理送风可避免其剧烈燃烧，亦能抑制N转化为NO(NOx在炉内主要以NO形式存在)的速率。在燃烧后期，增大氧浓度可以降低飞灰可燃物和CO含量。增大过量空气系数，即增加各区域的氧浓度，生成的NOx也越多；在不同负荷下，随着氧量增加，NOx排放量也增加。

试验期间机组负荷以190MW稳定运行，锅炉燃用煤质情况较稳定，锅炉燃烧器摆角为70%，SOFA摆角为50%，磨煤机B，C，D 3台运行，分别在控制炉内氧量3.0%，3.5%及4.0%的工况下对锅炉进行试验。通过烟气分析仪对空气预热器前、后烟气成分测试，同时对飞灰、炉渣取样分析，计算各工况下的飞灰含碳量、NOx含量和锅炉效率，具体数据如图3，4所示。

图3 不同氧量对NOx排放量及飞灰含碳量的影响

图4 不同氧量对锅炉效率的影响

从图3可知，锅炉尾部烟气中NOx含量随着氧量的增大而略有上升，整体变化幅度较小。由于此煤种灰分大，内在水分小，煤颗粒的活性较小，对氧量变化敏感度较小。当氧量为4.0%时，烟气中NOx含量最高，为412 mg/Nm3，基本满足合同规定的排放标准；但随着氧量的升高，飞灰含碳量明显下降。

图4显示了不同氧量对锅炉效率的影响规律。当氧量大于3.5%时，氧量的增加导致的排烟损失增大幅度与其导致的机械热损失减小幅度相差不大，在此区间锅炉效率变化不明显；当氧量小于3.5%时，由于飞灰及炉渣含碳量随氧量的下降变化剧烈，机械热损失增加，锅炉效率降低。

通过改变二次风量而改变炉内过量空气系数的专项试验，结合锅炉在各工况设计氧量的运行参数、调整控制余地及锅炉经济安全运行等因素考虑，当机组负荷在190MW时，推荐炉内氧量保持在3.5%左右。为保证氧量控制的精确性，应定期对氧量表进行标定校核。

3.3 二次风配风方式对NOx排放量的影响

保持炉膛内各层二次风风量的合理配比，即保持适当的速度和比率，是在炉内建立正常的空气动力场，使风粉混和均匀，保证燃料良好着火和稳定燃烧所必需的条件。二次风风量过高或过低都可能破坏气流的正常混和扰动，从而降低燃烧的稳定性，影响NOx的排放。

二次风配风优化调整试验的目的是按照锅炉实际使用煤种确定合理的二次风分配原则，并通过试验找出各种不同负荷下二次风箱压差及各二次风门开度的合理值。试验结果表明：采用SOFA燃烬风与主燃区辅助风“缩腰型”的配风组合，对控制飞灰含碳量及降低氮氧化物有明显的作用，即对锅炉经济性及NOx排放量的影响程度大。

3.4 主燃烧器摆角试验

主燃烧器摆角试验在机组负荷260MW下进行。实测空气预热器入口氧量3.01%，投入主、再热汽温自动调节，将摆角由水平位置50%逐渐向上摆至60%，70%，同时记录主再热汽温、减温水量、氮氧化物等参数的变化情况，如表2所示。

表2 主燃烧器摆角摆动试验

由表2可知，随着主燃烧器摆角逐渐上摆，主再热汽温上升明显，过热器减温水量大大增加；由于还原距离相对缩短，NOx排放量略有上升，这说明主燃烧器摆角对主再热汽温及NOx的影响均较大。在运行过程中，可根据主再热汽温状况来摆动调节主燃烧器摆角。

4 试验结论

(1) 锅炉燃烧采用现有煤种，当机组负荷为180-300MW时，在保证锅炉效率的前提下，NOx排放量可稳定控制在440mg/Nm3内(一般在300-400mg/Nm3)；在任何负荷下，CO排放量能够稳定控制在30ppm内。与改造前相比，NOx和CO排放量大幅降低。

(2) 当机组负荷为180-300MW时，通过不同负荷阶段的不同配风方式，总结出较佳的配风方案，能够保证飞灰含碳量在3%以内。

(3) 通过改变二次风风量从而改变炉内过量空气系数的专项试验，结合考虑锅炉在各工况设计氧量下的运行参数、调整控制余地及锅炉经济安全运行等因素，机组负荷在190MW时，推荐炉内氧量保持在3.5%左右。

(4) 随着主燃烧器摆角逐渐上摆，主再热汽温上升明显，过热器减温水量大幅增加，NOx由于还原距离相对缩短而略有上升，这说明主燃烧器摆角对主再热汽温及NOx的影响均较大。在运行过程中，可根据主再热汽温状况来摆动调节主燃烧器的摆角。

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2015-08-11。

周大明(1969-)，男，工程师，主要从事发电厂设备的维护检修和技改工作，email：gmqq2003a@163.com。