1 036 MW机组燃煤锅炉NOx低排放研究

蔡 纯， 李培鹏, 赵宇珉， 冯庭有

(1. 华能海门电厂， 广东汕头 515132; 2. 华东电力设计院， 上海 200063)

1 036 MW机组燃煤锅炉NOx低排放研究

蔡 纯1， 李培鹏1, 赵宇珉2， 冯庭有1

(1. 华能海门电厂， 广东汕头 515132; 2. 华东电力设计院， 上海 200063)

以某电厂4台1 036 MW机组为例，对燃煤锅炉NOx的排放特性及其影响因素，从炉内燃烧控制技术、烟气处理技术等进行分层次研究，确定影响NOx排放的因素、幅度，并提出各阶段控制关键要点及注意事项。实践表明：锅炉长期运行中NOx排放质量浓度在40 mg/m3以内，对电厂的节能环保具有一定的价值。

锅炉； 燃烧； 氮氧化物； 脱硝

笔者通过对燃煤锅炉燃烧过程中产生的氮氧化物的具体数值全程分析，结合锅炉燃烧前期、中期、后期的运行控制特性以及烟气处理技术，从低氧燃烧、分层配风、集中配粉、烟气脱硝喷氨等技术分层次研究，寻求最优的炉内低NOx燃烧控制技术和炉外烟气脱硝控制技术。围绕百万千瓦等级的燃煤锅炉，对现有设备和系统优化调整控制，精确组织和控制燃烧，最终实现在能够保证锅炉效率、不会造成脱硝SCR反应器下游空气预热器堵塞等安全的前提下，显著地降低了NOx排放质量浓度，实现锅炉NOx排放质量浓度均值低于50 mg/m3的最新近零排放标准，超过燃气轮机的NOx排放水平，对电厂的节能、环保、减排具有一定的运行借鉴意义。

1 设备概况

某电厂4台1 036 MW机组脱硝系统采用SCR脱硝装置，催化剂层数按2+1模式布置，初装2层预留1层。2层催化剂条件下脱硝效率不小于60%，反应器按初装2层催化剂脱硝效率不小于80%的空间及载荷来设计。脱硝催化剂采用蜂窝式催化剂，还原剂采用液氨。脱硝系统连续运行烟温为300～420 ℃。根据最新火电厂大气污染物排放标准，对于第3时段燃煤w(Vdaf)>20%的锅炉，已执行NOx最高允许排放质量浓度100 mg/m3的标准[1]。

2 降低NOx排放质量浓度的方法

目前，降低燃煤产生的NOx有两种有效方式:一是低NOx燃烧技术，二是尾部烟气脱硝技术。尾部烟气处理采用选择性催化技术及非催化技术除去尾气中的NOx[2]；而炉内采用低氧燃烧、烟气再循环、低NOx燃烧器、空气分级和燃料分级等低NOx燃烧技术来抵制NOx的生成。

2.1 低NOx燃烧器

该电厂燃烧设备系统为前、后墙布置。前、后墙各布置2层和3层HT-NR3旋流燃烧器，各墙每层8只，共40只；在前墙A层布置8只NR3等离子燃烧器；同时在前、后墙上部各布置1层燃尽风喷口，其中每层2只侧燃尽风(SAP)喷口，8只燃尽风(AAP)喷口[3]。燃烧器采用分级燃烧和火焰内NOx还原技术(见图1)。

图1 火焰内NOx还原技术

对于旋流燃烧器而言，由于其特有的结构，能够单独地控制火焰结构，在火焰内实现NOx还原(见图1)。A、B、C、D区分别为：挥发分析出区、富燃料状态下产生还原性媒介质产生区、NOx还原区、氧化区。在C区，A、D区生成的NO和B区生成的还原剂HC化合，进行NOx的火焰内还原；同时D区随着外二次风的卷吸和混入，焦炭燃烧，生成的NOx火焰内还原一部分进入C区还原。另外，燃烧器设置稳燃环、导流环，可使二次风向外扩展，火焰还原区域扩大，提高火焰内还原NOx的能力[4]。在日立公司三代燃烧器中(见图2)，随着离燃烧器火焰距离的进一步增大，其中的NOx达到峰值，随后再与HC化合物反应，转化成氮氢化合物NX(主要包括NH3、NH2、NH、N等中间产物)，最终把NOx还原为N2，使NOx大幅下降。

图2 NOx 还原参量控制曲线

2.2 分层、分级燃烧

全炉膛分级燃烧，在两级分级燃烧方式中，提供给燃烧器的风量少于其正常燃烧所需要的风量，燃烧所需要的其余风量通过燃烧器上方的燃尽风风口来提供(见图3)。这种布置方式对于减少NOx生成是非常有效的。通过锅炉炉膛内一次、二次风量的分配，确保燃烧区总体处于缺氧状态。

图3 燃烧器布置

而炉膛内NOx的水平通过改变燃烧区域的化学当量来实现，即调节燃烧器和燃尽风之间的风量比例(见图4)，燃烧器区域风量为0.75～0.90的化学当量比，燃尽风区域为0.25～0.39的化学当量比。上排燃烧器距离燃尽风距离为7 m，通过采用燃尽风，抑制还原性介质可尽量避免与空气中的氧量发生氧化反应。这个距离足够大，以延长烟气在还原区的停留时间，尽可能使NOx还原成N2。燃尽风进入炉膛以前的区域都是燃料富集区，燃料在此区域的驻留时间较长，有助于燃料中的氮和已经生成的NO分解，通过给燃烧器的分级配风来极大地抑制在燃烧器区域NOx的生成[5]。

图4 分级燃烧简化系统

2.3 脱硝技术

SCR技术原理为：在催化剂作用下，向温度约300～420 ℃的烟气中喷入NH3，将NOx还原成N2和H2O。锅炉的烟气以一定速度进入SCR反应器的前部烟道，在催化剂作用下与NH3发生反应，进行脱硝后流入空气预热器。3层SCR脱硝装置的脱硝效率可达80%～90%。通常采用TiO2为机体的碱金属催化剂，其最佳烟温为300～400 ℃。若锅炉省煤器出口处烟温低于300 ℃，NH3与烟气中的SO3反应生成粘结的液体，沉积于催化剂上，使其活性降低。对于NH3的用量，如果NH3太少，不能达到预期的脱硝效果；NH3太多，会造成NH3泄漏。

3 NOx低排放实践

3.1 低氧燃烧

NOx排放值与燃料特性、燃烧方式、燃烧器特性、炉膛热力参数选取等因素有关[6]。由于燃烧过程本身复杂，故对锅炉NOx的排放值只能在一定假设条件下，按照经验进行预测。其排放数值可简化表述为：

ρ(NOx)= ρ(NOx)bFfFO2FCOF+

f(Vdaf,Ndaf)ηb

(1)

式中：ρ(NOx)b为NOx排放经验值，主要受燃烧器和燃尽风区域的化学当量及煤粉细度的影响；Ff为煤质影响因素，主要受挥发分、w(N2)的影响；FO2为炉膛出口锅炉空气系数；FCOF为炉内还原时间；f(Vdaf,Ndaf)为按照经验拟合出的表达式；ηb为与燃烧器形式有关的影响因素。

一般情况，在锅炉确定燃烧煤种情况下，其排放控制主要受燃烧控制和烟气脱硝技术，故从此角度出发，确定最佳控制烟气排放指标。

燃烧过程中产生的NOx主要是NO和NO2，还有一定量的N2O。在绝大多数燃烧方式中，产生的NO体积分数占90%以上。图5表示了火焰中NOx形成和破坏机理。从图5可看出：在氧化性气氛中，供燃烧用的空气中的氮以及化学地结合在燃料中的杂环氮化物热分解后生成NOx，而在还原气氛(缺氧、贫氧状态)中则还原成N2。

通常燃料型NOx、热力型NOx、快速型NOx分别占70%～80%、15%～20%、5%，燃料型NOx是锅炉燃烧中主要可控部分。

已经发现燃料氮转换成NOx的量主要取决于空气燃料混合比(简称空燃比)，较少依赖于反应温度[6]。缺氧状态使氮缺乏竞争能力，对于减少NOx的形成至关重要。图6表示ρ(NOx)与炉内φ(O2)的实验结果。由图6表明：运行时φ(O2)的变化对NOx排放影响最大，随着φ(O2)的增加，锅炉ρ(NOx)呈线性增加。如果φ(O2)<2%时，会使气体不完全燃烧的ρ(CO)剧增，使热效率降低；低氧浓度会使炉膛内的某些地区成为还原性气氛，从而降低灰熔点引起炉壁结渣与腐蚀。

图6 锅炉满负荷时NOx排放量与炉内氧量动态特性

锅炉负荷变化时，送入炉内的风量必须与送入炉内的燃料量相适应，这就要求对锅炉风量控制的及时、匹配，准确跟踪燃料量、负荷指令、环保指标、经济指标CO等，确保锅炉的经济、安全、高效燃烧(见图7)。由图7可以看出：负荷在300～1 036 MW炉膛出口φ(O2)由初始的6%～3.5%优化下降到5%～2.6%，既满足了排放环保指标的低区间，又满足了锅炉的高效运行。

图7 变负荷炉膛出口氧量自适应优化基本曲线

3.2 分段燃烧+燃料分级

空气分级燃烧的基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段来完成。第一阶段，在3/4的空气量下，即缺氧状态下进行富燃料燃烧，确保在还原性气氛中降低NOx的生成及反应率，抑制生成量；第二阶段是一个充分燃烧过程，将1/4燃尽风与第一阶段贫氧燃烧产物及烟气混合，从而完成全部燃烧过程。实践中发现：

(1) 试验证明燃烧器区域空气当量在0.85以下[5]，NOx显著降低。

(2) 燃尽风挡板开度大时，能有效减少NOx(见图8)。对控制全炉膛的风量和氧量的分配，避免还原性介质在氧化性气氛下被氧化，使燃烧初期剩余的还原性介质可有一定的时间和空间与燃烧初期产生的NOx和煤粉燃烧过程中生成的NOx发生反应，以达到降低NOx的目的，特别是在某个临界点，燃尽风的变化影响NOx明显。同时，为了确保炉膛完全燃烧，降低可燃物质量分数比，必须选择一个最优点，这通常由锅炉燃烧试验验证得出，如某1 000 MW锅炉试验验证得到额定负荷下燃尽风控制在300～400 t/h，占总风量的8%～12%左右最为合适。

图8 锅炉满负荷时燃尽风变化燃烧动态特性

根据NOx的生成特性，运行中需要注意：(1)在升降负荷时由于风量的变化会造成NOx增大以及脱硝喷氨有3～5 min的滞后性，脱硝进、出口NOx变化提前，氧量和喷氨自动进行干预；(2)及时停用制粉系统，通过制粉系统高煤量运行、集中燃烧遏制NOx产生；(3)燃烧调整，调平左、右侧风量，确保氧量均衡，脱硝系统入口A、B侧NOx均衡。

3.3 烟气脱硝技术

3.3.1 喷氨量的自动控制及脱硝效果

自动控制喷氨量时，通常并非负荷越高，喷氨量越大，而与锅炉氧量相关。一般情况下800～850 MW时喷氨量最大，满负荷时反而不高，主要因为满负荷锅炉风机出力已经达上限，实际氧量偏低，造成NOx较小，CO较高(见图9)。

图9 锅炉变负荷过程脱硝进、出口NOx质量浓度动态特性

由图9可以看出：脱硝SCR进口NOx变负荷均值在250 mg/m3左右，而出口基本在40 mg/m3左右。

3.3.2 稀释空气的供应控制

稀释风机产生的稀释风不但起稀释氨气的作用，同时还具有防止喷氨喷嘴堵塞的作用。因此，无论是否喷氨，在锅炉引风机投入运行之前，就应该将稀释风机投入运行，当锅炉引风机停运后，方可停运稀释风机。

3.3.3 常见问题控制

在运行中有以下问题：

(1) 积灰堵塞。在燃煤电站的SCR系统的长期运行中，经常会遇到反应器孔道堵塞、催化剂积灰腐蚀。正常运行中必须加强压差监视和提高吹灰频率及效果，尽量减少颗粒物对于反应器孔道的堵塞和腐蚀。

(2) NH4HS04腐蚀。NH4HS04为黏性半流体物质，一旦附着在催化剂上，将造成催化剂与烟气隔绝，脱硝效果降低，同时堵塞催化剂孔隙，产生“搭桥”。硫酸盐(尤其是硫酸氢氨)对下游的空气预热器产生堵塞。严重时造成堵塞跳闸，甚至被迫停机。

(3) 催化剂失效。利用检修周期定期对脱硝催化剂再生显得极为必要和有效。

4 结语

该机组采用低氧燃烧和分级燃烧技术后，炉内生成的NOx排放质量浓度可控制在250 mg/m3左右；而经过SCR脱硝后，烟气排放的NOx质量浓度在40 mg/m3左右，达到了NOx低排放的目标。

[1] 中华人民共和国质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB 13223—2011 火电厂大气污染物排放标准[S]. 北京：中国环境科学出版社，2012.

[2] 黄伟.燃煤电厂NOx污染及其控制技术[J].电力环境保护, 2004，20(3):22-23.

[3] 韩才元,徐明厚,周怀春，等. 煤粉燃烧[M]. 北京:科学出版社,2001.

[4] 刘文莹. 低NOx控制新技术[J]. 国际电力,2001(1):59-62.

[5] 曾汉才. 大型锅炉高效低NOx燃烧技术的研究[J]. 锅炉制造,2001(1):1-11.

[6] 毛健雄,毛健全,赵树明. 煤的清洁燃烧[M]. 北京:科学出版社,2000.

Study on Low NOxEmission of 1 036 MW Coal-fired Boilers

Cai Chun1, Li Peipeng1, Zhao Yumin2, Feng Tingyou1

(1. Huaneng Haimen Power Plant, Shantou 515071, Guangdong Province, China;2. East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200063, China)

Taking 4 1 036 MW units in a power plant as examples, detailed analysis was conducted to the NOxemission characteristics of the coal-fired boilers from the aspects of in-furnace combustion and gas treatment technology, etc., so as to determine the influencing factors and degrees, and to put forward key control points at each stage and the matters needing attention. It has been found that the NOxemission can be kept to be below 40 mg/m3in the long-term operation of boilers. This may serve as a reference for energy saving and environmental protection of relevant power plants.

boiler; combustion; NOx; denitrification

2014-11-26

蔡 纯(1969—)，女，工程师，主要从事电厂热工控制优化工作。

E-mail: caichun1969@sohu.com

X511

A

1671-086X(2015)04-0300-04