浅谈低NOx燃烧技术及其应用

张廷杰 车照海

摘 要：主要介绍了燃煤电厂NOx产生的机理，低NOx燃烧器在电厂的应用及其控制方案。本文针对吉电股份白城发电公司的特点，通过结合实际和改善为出发点，不断改善设施，取得很好的社会效益。

关键词：氮氧化物；环保；环境；燃烧器；运行

中图分类号：X757 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）11-0003-02

0 引言

燃烧过程中排放的NOx气体是危害大，且较难处理的大气污染物，它不仅刺激人的呼吸系统，损害动植物，破坏臭氧层，而且也是引起温室效应、酸雨和光化学反应的主要物质之一。我国是燃煤大国，开展对降低NOx排放的治理具有十分重要的意义。根据国家新的排放政策对NOx排放的要求，2014年7月1日开始执行环保对氮氧化物排放的新标准，也就是烟囱出口的烟气中的氮氧化物要低于100mg/Nm3。对锅炉进行燃烧器改造，可以在炉内降低NOx生成，然后进行烟气脱硝装置，进行化学处理。

炉内的低氮燃烧器改造成功后，可大幅减少SCR运行的成本。我国300MW～600MW机组大多采用直流燃烧器四角切圆和旋流燃烧器墙式布置燃烧方式，不同的燃烧器的布置方式、不同煤种的NOx排放水平具有显著差异。白城发电公司锅炉燃烧方式采用前后墙对冲燃烧方式，由于燃烧前期的混合，易形成富氧强烈的燃烧区，火焰短，放热集中，易产生局部高温区域，故NOx排放量较大。

1 NOx生成和控制机理

燃煤锅炉生成NOx的主要途径有三个：热力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx，（即燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而生成的NOx，占比60%～80%）。对电厂锅炉，只要控制了燃料型NOx的生成，就可控制总NOx的排放量。煤中的N在燃烧过程中转化为NOx的量与煤的挥发份及燃烧过量空气系数有关，在过量空气系数大于1的氧化性气氛中，煤的挥发份越高，NOx的生成量越多，若过量空气系数小于1，高挥发份燃煤的NOx生成量较低，其主要原因是高挥发份燃料迅速燃烧，使燃烧区域氧量降低，不利于NOx的生成。

2 降低NOx的通用措施

（1）在燃用挥发分较高的烟煤时，燃料型NOx含量较多，快速型NOx极少。燃料型NOx是空气中的氧与煤中氮元素热解产物发生反应生成NOx，燃料中氮并非全部转变为NOx，它存在一个转换率，降低此转换率控制NOx排放总量，可采取：①减少燃烧的过量空气系数；②控制燃料与空气的前期混合；③提高入炉的局部燃料浓度。

（2）热力型NOx：是燃烧时空气中的N2和O2在高温下生成的NOx，产生的主要条件是高的燃烧温度使氮分子游离增本化学活性；然后是高的氧浓度，要减少热力型NOx的生成，可采取：①减少燃烧最高温度区域范围；②降低锅炉燃烧的峰值温度；③降低燃烧的过量空气系数和局部氧浓度。

具体来说，就是在保证锅炉燃烧安全的前提下，采取以下措施来减少氮氧化物的生成：①低过量空气燃烧：低氧燃烧，运行中控制氧量3%左右运行。②空气分级燃烧：空气分级燃烧是将燃烧过程分阶段完成。第一阶段：将从主燃烧器供入炉膛的空气量减少到总空气量的70%～80%，相当于理论空气量的80%，此时过量空气系数α<1，使燃料先在缺氧条件下燃烧，在还原性气氛中降低的NOx的反应速率，抑制了在这一燃烧区中的生成量。第二阶段：为了完成全部燃烧过程，完全燃烧所需的其余空气则通过布置在主燃烧器上方的专门空气喷口SOFA（over fire air）——称为＼燃尽风＼（俗称火上风）喷口送入炉膛，与第一级燃烧区在＼贫氧燃烧＼条件下所产生的烟气混合，在α>1的条件下完成全部燃烧过程。燃烧器改造后，燃尽高度为14m，较改造前增加1.6m，火焰中心位置有所提高，烟温，汽温升高。

（3）燃料分级燃烧：所有一次风设计喷口为上下浓淡分离形式，中间加装较大的稳燃钝体形式，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。同时钝体能优先增加卷吸的高温烟气量，进一步强化稳燃。在燃烧中已生成的NO遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时，会发生NO的还原反应，重新还原为N2。利用这一原理，将主要燃料送入第一级燃烧区，在α>1条件下，燃烧并生成NOx，送入一级燃烧区的燃料称为一次燃料，其余15～20%的燃料则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区，在α<1的条件下形成很强的还原性气氛，使得在一级燃烧区中生成的NO（再X在二级燃烧区燃区）内被还原成氮分子，送入二级燃烧区的燃料又称为二次燃料，或称再燃燃料。在再燃区中不仅使得已生成的NOx得到还原，还抑制了新的NOx的生成，可使NOx的排放浓度进一步降低。在采用燃料分级燃烧时，为了有效地降低NOx排放，再燃区是关键。因此，需要研究在再燃区中影响NOx浓度值的因素。

（4）烟气再循环：目前使用较多的还有烟气再循环法，它是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉内，或与一次风或二次风混合后送入炉内，这样不但可降低燃烧温度，而且也降低了氧气浓度，进而降低NOx的排放浓度。但是，在现有设备没再循环就得进行设备改造，还是进行经济性和安全性比较后才能实施。

（5）低NOx燃烧器：本厂采用低NOx轴向旋流燃烧器。

3 低NOx轴向旋流燃烧器在我公司的应用和运行调整对降低NOx的生成

白城发电公司燃烧器布置方式采用前后墙布置，对冲燃烧方式。采用7台中速磨煤机，前墙布置4层煤粉燃烧器，分别是C、D、E、F磨，后墙布置3层煤粉燃烧器，分别是A、B、G磨。每层各有5只低NOx轴向旋流燃烧器，共35只燃烧器。在最上层煤粉燃烧器上方，前后墙各布置1层燃尽风燃烧器，每层布置5只，共10只燃盡风燃烧器。

燃烧器中的空气分为四股，即一次风、二次风、三次风和四次风。一次风为从磨煤机送来的经碾磨和干燥后的煤粉，通过一次风入口弯头进入旋流煤粉燃烧器，再经布置有BANJO和煤粉收集器的一次风管进入炉膛。煤粉收集器对煤粉具有浓缩作用，与二次风、三次风、四次风配合，在燃烧的早期达到减少NOx的目的。如图1所示。

墙式燃烧系统的燃烧器具有自稳燃能力，也具有较大的调节比，空气动力特性十分稳定。该燃烧器经过特别设计，可以适用于多种燃料。燃烧器在炉膛中布置的节距较大，相邻燃烧器之间不需要互相支持。低NOx轴向旋流燃烧器燃烧器设计得坚固、耐用，并且机械结构上尽量简单、可靠，以提供较长的使用寿命和长期连续运行的能力，简化燃烧调整和运行操作，一旦试运行期间的燃烧调整工作结束，即使运行煤质在一个较宽的范围内波动，燃烧器的设置也不需要进行任何调整，同样能获得最佳的运行性能。通过燃烧器和炉膛设计的匹配来实现降低NOx生成量。

煤粉燃烧器上部设有一层燃尽风燃烧器（OFA）。其作用是补充燃料后期燃烧所需的空气，实现分级燃烧，降低炉内的温度水平，抑制NOx的生成。

低NOx轴向旋流燃烧器不仅能够高效、稳定地燃烧世界各地的多種燃料，而且已经作为一种经济实用的手段来满足现有的及将来日益还将严格的降低NOx排放量的需要。

低NOx轴向旋流燃烧器特点：（1）空气动力特性上具有良好的燃烧稳定性。（2）运行中不需要调节，高度可靠。（3）低NOx轴向旋流燃烧器采用双调风降低NOx生成量。（4）采用燃尽风（OFA）控制燃烧反应当量，进一步降低NOx。

低NOx轴向旋流燃烧器的设计原则：（1）增大挥发份从燃料中释放出来的速率，以获得最大的挥发物生成量；（2）在燃烧的初始阶段除了提供适量的氧以供稳定燃烧所需要以外，尽量维持一个较低氧量水平的区域，以最大限度地减少NOx生成；（3）控制和优化燃料富集区域的温度和燃料在此区域的驻留时间，以最大限度地减少NOx生成；（4）增加煤焦粒子在燃料富集区域的驻留时间，以减少煤焦粒子中氮氧化物释出形成NOx的可能；（5）及时补充燃尽所需要的其余的风量，以确保充分燃尽。

运行调整方面采取的措施：（1）保持炉内燃烧均衡，防止出现炉内局部温度过高，通过水冷壁温等参数监视，避免产生局部高温区，减少热力性NOx生成。（2）根据燃料特性，合理选择煤种并合理配煤掺烧，降低燃料中的含氮量。（3）在保证燃料能够充分燃尽的前提下，尽量降低过量空气系数。维持低氧燃烧，减少炉内氧量，减少氧化气氛。减少总风量，从而减少烟气量，降低烟气流速，也能保证氨气在催化剂中充分利用，降低NOx。（4）合理配风，在保证炉内氧量和制粉系统出力前提下，降低一次风率，推迟一、二次风混合时间，形成富燃料区，缺氧燃烧，降低NOx生成，缺氧燃烧后再与二次风混合，使燃料完全燃烧，适度开启燃尽风，提高火焰中心高度。（5）增加机组负荷率，机组负荷越高，生成NOx浓度越少。（6）调整制粉系统运行方式，尽量选择下层磨运行，在锅炉下部形成富燃料燃烧区，利于调整。（7）优化喷氨调节门自动调节特性。现在存在喷氨出口NOx浓度设定值较高时，调门跟踪一段时间后失控，NOx出口浓度容易超标。（8）NOx出口浓度大幅度变化升高普遍发生在负荷变动及喷氨系统吹灰时发生，调门跟踪缓慢。出口NOx浓度快速上升，调门不动，当NOx浓度真实值反馈过来后已经超标，调门瞬间开大直至出口NOx浓度降低至设定值内后开始关闭，但此时喷氨已经严重过量。建议热工人员进行优化，解决调门动作缓慢问题。在问题解决前，采取在喷氨系统吹灰、机组减负荷、加负荷启动制粉系统时，短时将调门自动解除，手动适度开大调门，增加喷氨量，防止调门的严重过调。（9）当机组加负荷时且无需启动制粉系统时，由于SCR入口NOx浓度下降，可短时将调门自动解除，手动适度关小调门，减少喷氨用量。（10）由于NOx数值加氧量折算，所以有效减少炉后漏风量，是非常有效的降低NOx和减少喷氨用量的手段之一。

4 结语

在火电厂大气污染物排放标准日益严格的形势下，通过低NOx燃烧器不断改造和运行控制技术的不断发展，能够显著降低NOx排放浓度，以降低火电厂NOx应以控制NOx生成为主，烟气脱硝为辅，综合考虑所有因素，以达到环境与经济的和谐统一。