三次风布置方式对锅炉出口氮氧化物排放影响

周杨军

（中国华电集团公司浙江分公司，杭州 310015）

三次风布置方式对锅炉出口氮氧化物排放影响

周杨军

（中国华电集团公司浙江分公司，杭州 310015）

中储式乏气送粉系统的三次风总体风量、湿度较大，煤粉浓度、温度较低，布置方式不仅对锅炉燃烧、飞灰影响较大，也对锅炉NOx排放起着举足轻重的作用。针对不同低氮燃烧技术改造案例，分析了三次风布置方式对锅炉燃烧和NOx排放的影响，提出了中储式乏气送粉、四角切圆燃烧锅炉低氮燃烧技术改造的优选方案，为同类型机组低氮改造提供有益借鉴。

三次风；低氮燃烧；氮氧化物

0 引言

对煤电机组而言，从燃烧源头控制氮氧化物的生成是脱硝改造的首选方向。我国上世纪末投运的670 t/h以下电站锅炉普遍采用中间储仓式乏气送粉系统。乏气亦称为三次风，因其总体风量、湿度较大，且煤粉浓度、温度较低，对锅炉燃烧影响较大。三次风的喷口一般在燃烧器的最上部，以降低对主煤粉气流着火与燃烧的影响。三次风携带大量风粉高速喷入锅炉主燃区末端，形成局部高温，富氧燃烧造成NOx生成量较大，因此三次风的布置对降低因锅炉燃烧排放的NOx起着举足轻重的作用。

本文以420 t/h锅炉在低氮燃烧改造中的三次风布置方案为例，分析、比较不同的三次风布置方式对因锅炉燃烧排放的NOx的影响，为中间储仓式乏气送粉锅炉的低氮燃烧改造方案提供有益借鉴。

1 锅炉简况

上海锅炉厂420 t/h锅炉采用固定式直流燃烧器，四角布置，双假想切圆，切向燃烧，每角燃烧器沿高度自上而下排列为二、三、二、一、二、一、一、二，共布置有8层喷口，其中一次风喷口3层，三次风喷口1层，其余4层为二次风喷口。制粉系统为钢球磨中间仓储式温风送粉，三次风率18%，三次风含粉量10%～15%。案例电厂燃用煤种为烟煤，干燥无灰基挥发分在30%～38%，低氮燃烧改造前NOx排放质量浓度在600～700mg/m3。

2 氮氧化物生成机理与影响因素

煤炭燃烧过程中产生的NOx，按照燃烧温度和排放量的大小，主要分为燃料型、热力型、快速型3种，如图1所示。

图1 NOx的煤炭燃烧分类图

燃料型NOx是指燃料中含氮化合物在燃烧过程中热分解产生N，CN，HCN等中间产物基团，然后氧化成NOx。燃料型NOx的生成机理非常复杂，根据研究［1］，其生成转化率与煤的含氮量、挥发分、过剩空气系数、燃烧时的最高温度以及氧的浓度有关，是燃煤锅炉NOx的主要来源，占NOx总体含量的60%～80%。

热力型NOx是煤炭燃烧时，空气中的N在高温下氧化产生。其生成与温度、压力、N浓度、O浓度以及停留时间有关，其中反应温度、过剩空气系数和停留时间对热力型NOx的生成有决定性的影响。如图1所示，当T＜1 500 K时，NOx的生成量很少，而当T＞1 500 K时，NOx的生成量随着反应温度的升高而快速增加。一般占燃煤锅炉NOx总体含量的25%～30%。

快速型NOx是指在碳氢化合物燃料在富燃燃烧时，在反应区附近快速生成的NOx，其生成量受温度影响不大，而与炉膛压力的0.5次方成正比。在燃煤锅炉中，其生成量占NOx总体含量的5%以下，一般在燃用不含氮的碳氢类燃料时才予以考虑。

3 低氮燃烧技术改造主要措施

由NOx的生成机理可以看出，NOx的生成主要与燃料燃烧温度、煤种特性（煤的含氮量、挥发分含量等）、炉膛内反应区烟气的气氛（烟气内氧气、氮气、NOx和CHi含量）以及炉内停留时间等有关。燃料中的含氮化合物和N在氧化条件下生成NOx，遇到还原性气氛，如缺氧燃烧时，则还原成分子氮。因此低氮燃烧技术改造主要从抑制NOx的生成和还原已生成的NOx着手，一般采用低氮燃烧器（浓淡分离）、低氧燃烧（控制燃烧温度）、空气分级燃烧、燃料分级燃烧（燃料再燃）、烟气再循环等措施，控制燃烧与空气的前期混合，提高入炉的局部燃烧浓度，减少过量空气系数，并利用还原反应降低NOx排放，最终排放浓度取决于NOx的生成反应和还原反应的综合结果。

在低氮燃烧改造工程应用中，各厂对一次风、二次风及燃尽风的总体布置差别不大，主要用来满足低氧燃烧、防止结焦、稳燃、燃尽等方面的需要。根据需要的不同，三次风的布置方式可以对锅炉燃烧的稳定性、控制NOx的生成以及锅炉经济性产生相应的影响。

4 三次风布置方式对锅炉出口NOx排放影响

根据运行经验，停役制粉系统可以显著降低锅炉出口NOx。通过消除或减少三次风的影响，可以达到降低NOx目的。下面简要介绍各厂在低氮燃烧改造中三次风布置方式及改造效果，具体布置如图2所示。

4.1 方案1三次风位置不变

早期的低氮燃烧技术改造，主要从低氮燃烧器+空气分级燃烧的角度进行NOx控制。如浙江A厂在低氮燃烧改造中，在保持一、二、三次风原有标高的基础上，一次风采用了浓淡分离燃烧器，加上部分二次风与一次风气流偏置形成贴壁风，实现炉膛水平方向的空气分级燃烧；二次风喷口面积适当缩小，降低主燃区二次风量配比，并在燃尽区增加两层分离式燃尽风（SOFA）喷口，实现炉膛高度方向的空气分级燃烧，即在主燃烧区中心形成有较高煤粉浓度、较高温度、合适氧浓度、较高燃烧强度的富燃料燃烧区，同时在燃尽区送入燃尽风，形成富氧燃烧区，使未燃尽成分充分燃烧。主燃区从高氧燃烧转为低氧燃烧，燃烧强度受限、温度降低，局部出现的还原性气氛抑制了燃烧初期的燃料氮向NOx转化过程，同时燃烧中心温度降低也减小了热力型NOx的生成速率，两者共同实现了炉膛出口低NOx排放，低氮改造效果良好，锅炉出口NOx在350mg/m3左右。

该改造整体变动较小，虽然主燃区燃烧温度降低，但燃烧稳定性较好；因燃尽区补入SOFA风燃烧，火焰中心有所抬高，减温水量有所增大，飞灰增大不明显，排烟温度有所增加，锅炉效率小幅降低。

图2 各方案三次风喷嘴布置示意图

4.2 方案2三次风浓稀相设置，浓相紧贴主燃区，稀相作SOFA风

随着低氮改造要求的提高，减少三次风对低氮燃烧的影响成为大家关注的焦点。浙江B厂在低氮燃烧器+空气分级燃烧改造的基础上提出了对三次风进行浓淡分离，浓相降低高度布置到上一次风与上二次风之间，紧贴主燃区有利于燃尽，并起到上二次风的作用；稀相作为SOFA风的一部分，紧邻下SOFA风布置，形成SOFA风2+1配置，同时浓、稀相三次风喷口均向下倾斜10°，以降低三次风运行对氮氧化物的影响。

该改造工程量较A厂稍大，三次风的分离布置，降低了三次风一次大量进入对锅炉燃烧的影响，而布置高度的降低有利于燃尽，也减少了主燃区的二次风量，增强了控制主燃区氧量的能力，低氮改造效果较优，锅炉出口NOx能达到300mg/m3左右。

改造后火焰中心有所抬高、减温水量有所增大、飞灰增大不明显、排烟温度略有升高、锅炉效率小幅降低。

4.3 方案3三次风部分引入一次粉管，其余紧贴主燃区布置

浙江C厂为耦合选择性非催化还原（SNCR）烟气脱硝对温度窗口的要求，在改造中将部分三次风引入一次粉管，即在两台排风机出口分别引一路三次风管路到给粉层下方，按上下分层，中层对角分流各自接入六支一次粉管；其余三次风保留一层喷口，紧贴主燃区布置在上一次风与上二次风之间。部分三次风并入一次粉管，一定程度上提高了一次风粉浓度，有利于燃烧初期的富燃料燃烧，降低燃料氮的转化率；同时实质减少了三次风总量，降低了火焰中心，便于二次风、SOFA风的调节和氧量控制，因此低氮改造效果非常好，锅炉出口氮氧化物能达到220mg/m3左右。考虑温度较低的三次风混入一次粉管降低了进入炉膛的一次风温度，对锅炉燃烧稳定性有一定影响，因此本方案只是分流部分三次风进入一次粉管，一次风粉温度降低50℃左右。

改造后系统运行相对复杂，制粉系统启停需要开关三次风与各一次粉管的联通阀；同时三次风联通管如有积粉，在联通阀开启后会造成锅炉主汽压力波动，因此联通管的设置应避免煤粉沉积。该改造降低了炉膛火焰中心，减温水量明显减少，飞灰降低不明显，排烟温度降低，锅炉效率有所升高。

4.4 方案4三次风浓稀相设置，浓相布置到主燃区中下部，稀相紧贴主燃区布置

对燃用烟煤的锅炉来说，燃烧稳定性较好。为此可以把三次风浓相布置到主燃区中部，作中二次风利用（对于只有二层一次风喷嘴的锅炉可布置到主燃区下部作下二次风，具体布置位置应根据燃煤情况及锅炉燃烧稳定性来确定：浓相三次风布置到主燃区中部，因三次风温度较二次风为低，将对锅炉燃烧稳定性造成较大影响；布置到主燃区下部，因缺少二次风托底且接近冷灰斗，部分煤粉颗粒可能直接跌落，炉渣大灰含碳量会有一定的增加），稀相紧贴主燃区作上二次风布置。三次风进入主燃区，有利于煤粉燃尽；同时其在主燃区生成的NOx，由于还原气氛的作用，被还原为N，有助于减少NOx的最终生成量；另外还可以减少主燃区的二次风量，增强空气分级燃烧效果。

王伟平等［2］在130 t/h锅炉上将三次风分成浓稀相两股气流，浓相煤粉气流从下二次风喷口喷入，稀相煤粉气流从上三次风喷口喷入，改造后大灰含碳量轻微上升，锅炉出口NOx降至300mg/m3左右。根据王伟平等的试验，考虑小锅炉受空间限制，空气分级燃烧效果相对较差，预计方案4低氮改造效果应该在方案2与方案3之间，接近于方案2的效果，锅炉出口NOx能达到250mg/m3以下，具体有待实际验证。

4.5 方案5三次风作超细粉再燃布置

由于三次风煤粉粒度远小于一次风煤粉，易着火燃尽，是非常理想的再燃燃料，将其送入主燃区与燃尽区之间的再燃区燃烧可以减低排放。为此须对三次风进行浓缩，将浓缩后的三次风喷入再燃区，形成富燃料燃烧；通过大量生成CH基团的还原性氛围，使在主燃区生成的NOx发生还原反应生成N，从而减低锅炉出口NOx。斯东波等在某200MW四角切圆燃烧煤粉炉上实施了三次风再燃技术［3-6］，采用烟气再循环将三次风的超细粉送入炉内进行再燃，在20%带粉量情况下，该三次风再燃方案可以获得50%以上的脱硝率并基本不影响锅炉正常运行。该方案系统采用空预器入口烟气替代热风作为制粉系统干燥剂，改造工程量较大，同时实际运行中受制于三次风带风量不足，降氮效果不及预期，故实际应用案例较少。

表1为5种不同类型的三次风布置方案的结果比较。

表1 各种三次风布置方案结果比较

5 结论

低氮燃烧器+空气分级燃烧技术改造是当前低氮燃烧改造的主流方案之一：一次风燃烧器采用浓稀相分离燃烧器，在燃烧初期抑制NO生成。二次风采用与一次风偏置、反切等技术防止炉膛结渣和高温腐蚀，满足分级配风要求。三次风分离成两部分，作为一次风、二次风或SOFA风补入，解决了锅炉燃烧对三次风稳燃、低氮与燃尽的要求，有效控制炉内过量空气系数。

综上，对于420 t/h中储式乏气送粉四角切圆燃烧锅炉的低氮改造优选方案首推方案3，次选方案4。要追求更好的低氮效果，应结合煤种及锅炉燃烧稳定性情况，对方案3和方案4进行组合应用，即三次风部分引入一次风，其余三次风进入主燃区中部作二次风布置。各厂在实际运行过程中存在操作习惯、运行经验以及煤种差异，对低氮燃烧运行的效果均会有一定影响。

［1］吴碧君.燃烧过程中氮氧化物的生成机理［J］.电力环境保护，2003，19（4）：9-12.

［2］陈光元，邹显宏，张锡强，等.420 t/h锅炉低氮氧化物燃烧技术研究［J］.热力发电，2011，（40）2：58-51.

［3］王卫平，张玉斌，孙树翁，等.三次风浓淡分离布置对小容量锅炉低氮改造效果的影响［J］.电站系统工程，2015，（31）6：13-16.

［4］斯东波，池作和，黄郁明，等.200MW煤粉锅炉实施超细煤粉再燃的试验研究［J］.中国电机工程学报，2007，27（26）：1-6.

［5］周杨军.420 t/h锅炉低氮燃烧改造与运行优化调整［J］.浙江电力，2015，34（3）：40-43.

［6］刘文.低氮燃烧技术在旺隆电厂420 t/h燃煤锅炉上的应用［J］.锅炉制造，2011（4）：26-29.

（本文责编：刘炳锋）

TK 26

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1674-1951（2016）11-0069-03

周杨军（1975一），男，浙江东阳人，工程师，从事电厂生产管理方面的工作（E-mail：zyjvip＠163.com）。

2016-07-26；

2016-09-14