煤粉锅炉燃用晋城无烟煤的适用性及洁净化改造途径

潘 攀

(晋能控股装备制造集团 煤化工事业部，山西 晋城 048006)

我国无烟煤分布广泛，燃用无烟煤的发电机组普遍采用“W”型火焰炉，其在燃烧稳定性、运行可靠性及可用率方面有一定优势。目前我国投运和在建的“W”型火焰炉有百余台，几乎涵盖了世界上所有的技术流派。然而“W”火焰炉产生的烟气中NOx含量高；如不解决，必然阻碍其运行和发展[1]。

晋城矿区是我国优质无烟煤的主要产区之一。2019年晋城地区无烟煤产量为1.109亿t，约占全国无烟煤产量的1/3，是“W”型火焰炉的主要原料之一。当前，各企业为达标排放广泛开展了锅炉低氮燃烧改造工作，却缺乏针对晋城无烟煤在煤粉锅炉上的适用性及降低NOx排放量的理论研究。

1 典型的晋城无烟煤煤质特性

晋城无烟煤具有“五高五低”的特点，即发热量高、固定碳高、抗碎强度高、热稳定性高、灰熔点高；挥发分低、水分低、硫分低、反应活性低、可磨指数低。典型的晋城无烟煤煤质分析结果如表1所示。

表1 晋城无烟煤煤质指标

2 晋城无烟煤用于粉煤锅炉的优劣势分析

煤粉炉按照燃烧方式主要分为“W”型火焰炉、直流四角切圆燃烧炉及前后墙旋流对冲炉。其中“W”型火焰炉是专为无烟煤开发的炉型。

晋城无烟煤用于粉煤锅炉存在一定的劣势：如无烟煤挥发分低，不易点火、燃烧性差，使得无烟煤粉煤气化炉飞灰残炭较高；无烟煤灰分高，造成煤难以燃尽及炉膛堵灰现象；结构致密，可磨指数大部分在40左右，磨煤能耗大；燃烧温度高，反应生成NOx高。

尽管如此，无烟煤用于粉煤锅炉有着以下不可替代的优点。

(1)发热量高：无烟煤是最年老的煤，煤化程度深，固定碳含量高，杂质少。晋城无烟煤含碳量高达95%，发热量可达25～32.5 MJ/kg。

(2)灰熔点高，不易结焦：灰分在熔融状态下会粘结在锅炉的受热面上，造成结渣，危及锅炉运行的安全性和经济性。灰熔点是表征煤灰熔融温度的指标，晋城地区所有矿区无烟煤的灰熔点ST均大于1 350 ℃，FT均大于1 500 ℃，属难熔性煤，不易结焦。

(3)挥发分低，高温下相对安全：高挥发分煤中氧含量较高，挥发分的析出温度较低，而且挥发分释放量大，因而容易在堆积状态下发生自燃和在制粉系统中干燥和输送过程中，由于缓慢释放出挥发分的迅速着火而发生爆炸。而晋城无烟煤的挥发分较低，高温下相对安全。

“W”型火焰炉针对无烟煤特性开发，采用独特的结构分级燃烧，延长停留时间，使燃烧更充分。然而，近年来随着大气污染物排放问题越来越被重视，国家和地方均出台了相应的法规和标准，限制氮氧化物的排放。无烟煤反应温度高，燃烧后产生的氮氧化物较其它煤种更多。使用无烟煤的粉煤锅炉，一般烟气中NOx含量在1 300 mg/m3左右，一些未改造的老电厂甚至达到2 000 mg/m3以上。而使用其他煤的电厂，烟气NOx含量在650 mg/m3左右，因此，其烟气NOx含量高成为困扰无烟煤粉煤锅炉发展的主要原因，必须进行低氮燃烧改造才能满足相关排放要求，以保障企业的生产和发展。

3 低氮燃烧改造思路

降低氮氧化物生成主要应从两方面着手：一是降低反应温度，减少热力型NOx的生成；二是减少参与反应的氧，控制空气过量系数[2]，降低燃料型NOx的生成。一言以概之，低氮燃烧的总体思路就是在一次风区实现低温、低氧燃烧。具体来说，可以通过空气分级、燃料分级、煤粉浓缩、烟气再循环、调整F风角度等方式实现[3-4]。

3.1 空气分级

空气分级为轴向空气分级和径向空气分级。轴向空气分级是将炉膛划分为主燃区和燃尽区两部分。在主燃区通入约80%的理论空气量，降低该区域的氧浓度和燃烧温度，形成还原性气氛，抑制NOx生成；并有大量CO及N的中间产物生成，将已生成的NOx还原。在燃尽区投入剩余空气，将燃料充分燃烧，由于远离高温火焰，不会产生大量NOx[5-6]。

径向空气分级是将二次风射流部分偏向炉墙，使主燃区空气量减少，靠近水冷壁处形成氧化性气氛，降低温度，减少结渣和高温腐蚀。

3.2 燃料分级

燃烧中生成的NOx在遇到烃类和未完全燃烧物时，会发生还原反应。原理如下：

NO+CH4→N2+CO2+H2O

(1)

NO+CnHm+O2→N2+CO2+H2O

(2)

NO+CO→N2+CO2

(3)

NO+H2→N2+H2O

(4)

此技术将炉膛分为三级，主燃区、再燃区和燃尽区。80%左右的燃料送入主燃区，在过量空气系数大于1下完全燃烧，剩余的燃料送入再燃区，形成还原性气氛，将生成的NOx还原。最后，未完全燃尽的燃料在燃尽区完全燃烧，提高燃烧效率。试验证明，将15%的燃料作为二次分级燃料时，脱硝效果最佳。

3.3 煤粉浓缩

煤粉燃烧，反应速度与煤粉颗粒表面积成正比，增加煤粉浓度等于增加单位体积内表面积，从而加快化学反应。

浓度提高，使着火温度降低，时间缩短。着火点提前，有利于NOx减少。煤粉浓淡分离，通过设置煤粉分离装置，将煤粉/气流分离为浓相和淡相。分离是通过旋风分离或惯性分离实现的[7]。

3.4 烟气再循环

将再循环烟气(15%～30%)掺入助燃空气中再次送入炉膛，主要作用是降低火焰温度，减少热力型NOx的生成量。同时，由于烟气含氧量低，降低了O2浓度，从而降低NOx生成量。炉内燃烧温度越高，烟气再循环率对NOx降低率的影响越大。经验认为，煤粉炉上15%～20%的烟气循环率可以降低25%左右的NOx排放量。循环率再增加会影响燃烧的稳定性和热损失，上限一般为20%。该技术可以与燃料分级燃烧联合使用，用来输送二次燃料[8]。

3.5 F风下倾

改造前的F风采用风幕结构，二次风从前后墙水冷壁间水平进入炉膛，易造成下行的一次风过早上行，导致煤粉在下炉膛停留时间不足。改变F层二次风角度，变为向下倾斜，使火焰中心下移，增加火焰行程[9]。

除此之外，降低氮氧化物的生成还可以调整卫燃带，避免炉膛温度过高；富氧燃烧，进一步抑制和还原NOx；采用超细煤粉再燃技术，缩短燃料在炉内的燃烧时间[10-11]等。

当前，国内一半以上的W型火焰炉进行了低氮燃烧改造。改造后，SCR入口处NOx质量浓度降至800 mg/m3以下，最终能够满足超低排放要求。

4 结 语

(1)晋城无烟煤产量高，具有发热量高、固定碳高、抗碎强度高、热稳定性高、灰熔点高；挥发分低、水分低、硫分低、反应活性低、可磨指数低等“五高五低”的特点。

(2)作为粉煤锅炉用煤，晋城无烟煤具有发热量高、不易结焦、更安全稳定的优势。

(3)针对氮氧化物含量高的问题，可通过一次风区低氧，低温燃烧实现，具体可采用空气分级、燃料分级、煤粉浓缩、烟气再循环等方法。