低氮燃烧技术在煤粉锅炉系统的应用性研究

2019-08-22

纯碱工业 2019年4期

(中盐吉兰泰盐化集团有限公司，内蒙古阿拉善 750333)

1 项目背景

NOx是大气环境的主要污染物之一。为减少燃煤火电厂的NOx排放水平，我国先后正式发布了《火电厂大气污染物排放标准》GB13223-1996、《中华人民共和国大气污染保护法》(2000年9月实施)、《火电厂大气污染物排放标准》GB13223--2011等一些列国家和行业的标准、法规，要求国内所有火电厂及其他燃煤设备均要采取必要的减排措施控制NOx排放。

《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)要求，现有锅炉从2014年7月1日起、新建锅炉从2012年1月1日起执行NOx排放浓度200 mg/Nm3的标准，重点地区执行100 mg/Nm3的NOx排放浓度标准。该标准甚至比欧美发达国家的排放标准更加严格，表达了我国政府对控制火电NOx污染物排放的坚定决心，也反映出我国环境污染的严重程度和治污减排形势的紧迫性。

对于目前很大一部分小型煤粉锅炉，其NOx排放指标远超设计值，在满足现行国家标准所要求的200 mg/m3的排放指标要求时，要求SNCR的脱除效率高达70%以上，这种脱除效率即使是增加还原剂喷射剂量(氨氮比)也是无法实现的。国家规定SCR和SNCR-SCR装置的氨逃逸必须低于8 ppm，氨逃逸增加一方面会对大气造成二次污染，所造成的“二恶英”损害，在某种程度上甚至远超NOx的PM2.5、雾霾和温室效应等的影响，更重要的是氨逃逸增加会直接影响锅炉的正常运行：过量的NH3与烟气中的SO3生成硫酸氢铵，这种产物会在空气预热器等低温受热面结晶，粘结在受热面管壁的烟气侧，增加烟道阻力，造成引风机出力降低，使机组的发电负荷受到严重限制。而低氮燃烧技术的应用可有效解决上述问题。

2 氮氧化合物控制的技术路线

我国发改委和环保部有关法规明确表明，燃煤火电厂De-NOx减排的总体技术路线遵从“先炉内、后炉外”的基本降氮措施，可分别定义为两大类De-NOx减排措施：

一类是炉内De-NOx燃烧技术改造。通过燃烧室燃烧技术改进和运行方式De-NOx优化，降低和抑制炉内NOx生成，先期达到一定的炉内最低排放指标。如果炉内低氮燃烧技术已经可以满足当地NOx排放环保指标的话，就无需加装的炉外De-NOx脱硝装置，比如说江苏宁海电厂600MW煤粉炉机组，已通过“双尺度”炉内低氮燃烧技术实现100 mg/m3以下的NOx排放。

另一类就是炉外烟气脱硝技术。指的是在炉膛或炉膛后部尾部烟道安装SCR、SCR+SNCR或纯SCNCR装置，通过 “炉外”喷氨或尿素等还原剂途径脱除炉内生成的NOx排放物。对于小容量锅炉，其燃烧温度窗口、还原剂停留时间、还原剂覆盖面积等影响SNCR脱除效率的关键因素来讲，都能很好的满足高脱除效率的要求，其造价仅为SCR的1/3～1/2，运行成本也大幅低于SCR，因此，小型煤粉锅炉采用SNCR技术较煤粉炉具有先天的优势。

但是，对于目前很大一部分小型煤粉锅炉，其NOx排放指标远超设计值，在满足现行国家标准所要求的200 mg/m3的排放指标要求时，要求SNCR的脱除效率高达70%以上，这种脱除效率即使是增加还原剂喷射剂量(氨氮比)也是无法实现的。国家规定SCR和SNCR-SCR装置的氨逃逸必须低于8 ppm，氨逃逸增加一方面会对大气造成二次污染，所造成的“二恶英”损害，在某种程度上甚至远超NOx的PM2.5、雾霾和温室效应等的影响，更重要的是氨逃逸增加会直接影响锅炉的正常运行：过量的NH3与烟气中的SO3生成硫酸氢铵，这种产物会在空气预热器等低温受热面结晶，粘结在受热面管壁的烟气侧，增加烟道阻力，造成引风机出力降低，使机组的发电负荷受到严重限制。

SNCR使用液氨、氨水或尿素作为还原剂，每生产一吨氨制品，要消耗1吨左右的标准煤，这样的能源消耗也是非常惊人的！同时，脱硝剂原产地会产生不可逆的水源、地下污染和超标的烟尘等污染物排放，存在严重的污染物转移问题。

因此，中央和地方的环保管理部门，对燃烧领域先进的低氮燃烧技术非常关注，不仅在政策上鼓励，资金上扶持，工程上优先，还以各种科研经费、运营补贴等形式对项目进行适当补助，充分体现出清洁燃烧的无穷魅力。形势要求我们，首先运用低氮燃烧技术来达到CFB的第一降氮目标，然后再实施炉外脱硝技术，一方面满足NOx污染物排放值达标，另一方面减少还原剂消耗量，降低运行成本，并降低氨逃逸量，防止还原剂造成的二次污染及对锅炉安全运行带来的隐患，在解决好低氮脱硫、综合利用与高效节能矛盾的基础上，实现De-NOx治污综合技改方案。

最近几年，在广泛认真的调研和技术研究的基础上，国家环保部和发改委连续发布了多项治理火电厂氮氧化物排放的国家标准和技术细则，提出了政策性指导意见。2010年1月27日，国家环保部发布《火电厂氮氧化物防治技术政策》(以下简称《技术政策》)，以促进火电行业NOx减排技术及其闭环控制工艺的进步，为火电厂减排De-NOx工作指明了方向。

在防治技术路线上，《技术政策》指出：“低氮燃烧技术应作为燃煤电厂氮氧化物控制的首选技术。在采用低氮燃烧技术后，氮氧化物排放浓度仍不达标或不满足总量控制要求时，应建设烟气脱硝设施。”

3 低NOx燃烧技术原理

煤燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO和少量NO2。按生成机理不同又可分为：燃料型NOx、热力型NOx、快速型NOx。燃料型NOx是煤中含有的N元素在燃烧过程中被氧化而生成的NOx，热力型NOx是高温下(1 500 ℃以上)空气中的N2被氧化而生成的NOx，快速型NOx是空气中的N2在烟气中的Chi等活性基团作用下被氧化生成的NOx。研究表明，煤粉燃烧过程中生成的NOx主要是燃料型NOx，约占总量75%～80%，其余为热力型NOx而快速型NOx生成极少。所以煤粉低氮燃烧技术的重点是控制燃料型NOx的生成。

4 低氮燃烧技术

低NOx燃烧技术包括高浓淡比可调式煤粉浓淡低NOx燃烧器、偏置周界风、一二次风大小切圆(二次风偏转径向空气分级燃烧)、主燃区CCOFA空气分级技术、全炉膛SOFA深度垂直空气分级燃烧、烟气再循环等低NOx燃烧技术，并配合适度低氧燃烧进行燃烧优化调整。本技术用于烟煤、贫煤、无烟煤、褐煤、水煤浆等多种燃料，可以达到30%～60%的NOx脱除率，同时保证锅炉高效燃烧，改善锅炉结焦状况，提高锅炉煤种适应性和低负荷稳燃性能。

4.1 高浓淡比可调式煤粉浓淡低NOx燃烧器

风粉浓度对燃料初期着火及着火初期的NOx生成量控制起着至关重要的作用。实际运行中，主要有以下因素影响导致风粉浓度达不到低氮燃烧最佳值：

1)负荷变化

当降低负荷时，为保证送粉安全，一次风量不能随送粉量的减少而按比例减少，导致一次风粉浓度偏离低氮燃烧最佳值。

2)煤种挥发分低

一般对于贫煤、无烟煤等挥发分较低煤种，从控制NOx生成角度讲其着火初期供风量远低于烟煤、褐煤等高挥发分煤种，但是受制粉系统和煤粉输送安全制约，风粉浓度一般达不到低氮燃烧最佳值。

4.2 偏置周界风

一般设置周界风有如下作用：一是冷却保护喷口提高煤种适应性；二是提高一次风射流强度；三是防结焦和高温腐蚀。

四角切圆燃烧方式，上游火焰对下游火焰起着点燃和强化燃烧作用。在强化燃烧的同时，也会由于上游火焰的动量冲击，燃烧火焰必将向水冷壁侧偏斜。通常热态火焰实际直径是假想切圆的数倍。实际火焰的真实直径不仅与假想切圆有关，同时与一次风动量、二次风动量、气流的刚性、燃烧混合的程度有关。

采用偏置周界风，增大背火侧周界风量，一方面周界风速较一次风速高，可以提高一次风设计刚性，避免一次风射流贴壁刷墙；另一方面，贴壁风包裹一次风燃烧，实现了“风包粉”燃烧，可提高水冷壁附近氧浓度，有效防止水冷壁高温腐蚀，避免燃烧器区域水冷壁结焦。

偏置周界风射流与一次风形成一定偏角，延缓其与一次风的混合，可实现细部的径向空气分级，从而有效抑制燃烧初期NOx生成。

4.3 一二次风大小切圆燃烧

煤粉热解着火后，进入挥发分燃烧和焦炭燃烧初期阶段，此时一、二次风开始混合，控制好一、二次风的混合时机，维持此燃烧阶段氧浓度在理论最佳值，是此阶段降低NOx排放的关键。

通过对炉内二次风切圆的调整在炉膛截面上形成了三场(温度场、速度场和煤粉浓度场)特性截然不同的中心区与近壁区分布。可以保证壁面有足够的氧气存在，防止结渣及高温腐蚀，又不改变主射流方向，这项技术已在多台锅炉上成功使用。这种燃烧方式(CFS-Ⅱ)能够提高一次风煤粉气流在炉内的穿透能力，并使其远离下方水冷壁，减轻炉内的结渣、高温腐蚀和积灰。此外由于一二次风切圆方向相反，煤粉与空气的混合过程推迟，从而降低了NOx的排放量。同时二次风正切布置，使一次风气流逆向冲进上游来的高温空气，使煤粉在此区域内迟滞浓缩，缺氧的前提下，提早析出挥发分着火燃烧，对稳燃及降低NOx相当有利。

图1 一二次风偏转径向空气分级燃烧示意图

4.4 烟气再循环

对于燃用褐煤锅炉，一次风率较高(可达30%以上)，促使燃烧初期NOx转化率高，为了有效解决该问题，采用烟气再循环技术，一方面保证制粉系统干燥剂量要求，同时降低一次风含氧量，提高二次风率，抑制挥发分释放、燃烧阶段的NOx生成。

4.5 适度低氧燃烧

适度低氧燃烧技术是上述强化着火、多重空气分级燃烧等技术综合运用得到的一个最佳燃烧状态，使得全炉膛都处于最佳氧浓度下，同时使得炉膛温度分布更加均匀，避免局部高温；同时低氧燃烧可提高着火初期火焰温度，保证燃烧效率。

5 煤粉低氮燃烧技术优点

5.1 初投资少

对于新建锅炉，仅需在燃烧器设计时考虑低氮燃烧技术即可，成本极低。对于现有机组进行低氮燃烧技术改造，仅需对现有燃烧器进行局部改造，并增加空气分级的风道即可实现。

5.2 零运行成本

低氮燃烧技术通过燃烧过程中温度和气氛的控制来抑制燃烧过程中氮氧化物的生产，不需要任何脱硝药剂和催化剂，因此运行过程中不需要任何额外投入。同时低氮燃烧器的运行和维护与常规燃烧器差异很小，不增加运行人员和维护人员工作量。

5.3 可降低尾部烟气脱硝投资和运行成本

如采用低氮燃烧技术无法达到环保排放要求，锅炉还需加装烟气脱硝装置。但采用低氮燃烧技术降低了烟气脱硝装置入口NOx浓度，从而可以减小烟气脱硝系统设备大小，脱硝系统还原剂、催化剂、电耗和增加的烟气阻力等都会降低。

5.4 改造施工周期短

6 煤粉锅炉低氮燃烧改造

6.1 技术路线

采用低氮燃烧+SNCR一体化技术实现锅炉脱硝目标：NOx排放低于200 mg/m3

采用低氮燃烧技术将NOx排放降低至400 mg/m3；在上炉膛分两层布置SNCR喷枪，依靠还原剂脱除NOx，保证最终排放低于200 mg/m3。

6.2 低氮燃烧改造方案

低氮燃烧改造方案立足锅炉、燃烧器设计和运行实际情况，在保持原有飞灰含碳量和大渣含碳量均不发生较大变化的前提下，保证锅炉效率和蒸汽参数稳定和可调的同时降低NOx排放。改造方案如下：

6.2.1 一次风改造

一次风采用高浓淡比可调式煤粉浓淡低NOx燃烧器+偏置周界风+强化着火设计。根据现实际燃用煤种重新核算一次风速、风率，原则上不改变设计一次风量，必要时调整设计一次风速、风率。

6.2.2 周界风改造

采用偏置周界风技术，背火侧周界风较大，周界风引自二次风箱，并采用我公司偏置周界风射流设计与一次风形成一定偏角。

6.2.3 二次风改造

保持二次风设计风速、风温不变，下二次风风量基本保持不变，适当减少其他二次风喷口流通面积，从而降低燃烧器供氧量，维持主燃烧器送风空气系数在0.8左右，有效抑制主燃区NOx的生成。二次风喷口结构重新设计，提高二次风气流刚性，提高其对炉内烟气的穿透能力，适时补充煤粉进一步燃烧所需的氧量，强化扰动，提高燃烧速率。

6.2.4 SOFA风

为了深化垂直空气分级深度及保证煤粉燃尽，改造方案在主燃烧器上方增加一组SOFA燃烧器。每角SOFA燃烧器设置两层或一层SOFA喷口。同时，SOFA燃烧器设置摆动机构，喷口可根据炉内工况和燃煤特点调整上下、水平摆动角度，喷口可上下摆动±30°，用来调整炉内火焰中心位置，以此来调整汽温及煤粉燃尽率；水平可摆动±15°，用来调整炉膛出口的烟气旋转动量矩，以此来调整炉膛出口的左右侧烟温偏差。

改造方案自两侧墙二次风热风道(箱)引出SOFA风风道，分别引向锅炉四角新增SOFA燃烧器，在风道合理位置设置支吊架及补偿器。各层SOFA风门设执行机构，实现远程控制。