燃煤锅炉低氮燃烧控制策略

刘晓龙

【摘 要】在我国能源的消费结构主要是煤炭，由此传统燃煤电站是电力工业的基础。其中降低燃煤所产生的氮氧化物是控制大气污染物重要措施。本文对某300MW亚临界机组圆燃煤锅炉进行研究，其燃烧方式四角切圆，该机组于2014年进行低NOx燃烧改造后将原燃烧器更换为低氮燃烧器并增加多层燃尽风的空气分级系统，经优化调整较好地降低了NOx排放水平。在不同的燃尽风配比的情况下，NOx有不同的变化趋势。本文对目前主流的低NOx燃烧改造方案进行比较，并对低氮燃烧控制策略进行梳理。

【关键词】燃煤电站；低NOx燃烧改造；多级燃尽风

0 背景

在我国以煤碳为主的能源结构，决定了燃煤机组是电力工业的组。根据不完全统计，2012年动力煤的消费结构中高达62.23%的用于发电。大量煤炭燃烧也产生的大气污染物排放，不但对环境产生了较大的影响，并已经成为制约了电力工业发展的主要因素。有数据表明，2015年我国火电厂大气污染物的排放量为二氧化硫1049万吨、烟尘544万吨、氮氧化物1310万吨。由此，控制和减少大气污染物的排放是电力工业可持续发展的关键。

NOx是大气污染的元凶之一，达到一定浓度对人提及健康造成危害。现阶段，我国对电站锅炉氮氧化物排放控制要求日益严格，为了实现燃煤电站锅炉的达标排放，目前低NOx燃烧改造的主流技术为烟气脱硝和低氮燃烧技术。

1 烟气脱硝

近年来国内外已经开发出多种NOx的脱除方法，利用氮氧化物的物理、化学性质进行还原和吸附。按照烟气脱硝所采用的工艺方法可分为湿法脱硝和干法脱硝。湿法脱硝是利用氮氧化物溶于水后产生的酸碱特性，由吸收剂对其进行中和处理。由于现阶段该技术还需要多种吸收剂综合使用，后续处理技术不成熟，故应用较少。目前多采用干法脱硝技术，按照其工作原理选择性催化还原技术、选择性非催化还原技术。

选择性催化还原技术（SCR）的原理是通过特定催化剂，利用液氨或其他还原剂和烟气中的氮氧化物反应生成氮气和水，该方法主要适用温度区间为200至450℃。通过催化剂的作用下还原剂（液氨）选择性地只与NOx发生反应，而烟气中的其他氧化剂（氧气）发生反应，称为选择性催化还原技术。该技术一方面设备投资较大，系统复杂，运行成本受制于还原剂和催化剂更换费用问题，对于老旧机组原风道尺寸及钢架结构承载能力也是制约因素；另一方面凭借其脱销效率高（有的机组改造后减排可达80%），控制简单可靠，成为目前烟气脱硝的主流技术。

选择性非催化还原技术（SNCR），SCR技术对一些机组因风道尺寸未对系统进行预留、原钢架结构承载能力不够等原因不能实施改造的，SNCR便克服对催化剂一来这一技术障碍。其反应在炉膛800至1100℃的高温区域内进行，摆脱对催化剂催化的依赖。其将还原剂如氨、尿素喷入，并迅速将在燃烧中形成的氮氧化物还原为氮气。应用该技术不需要对锅炉本体进行改造，仅增加喷射及还原剂存储装置，多适合老、旧、小锅炉的改造。一方面但其相对于SCR偷硝效率较低、还原及利用效率低等劣势，其引起冷浮效应造成一氧化碳含量急剧升高。另一方面，其反应温度控制较难、还原剂比例控制难，对于不同炉型的适配能力差，造成改造设计较为困难。

因干法脱硝技术还原剂参加反应程度不高，保证脱销效率需使还原剂过量供给，而造成铵盐堵塞和腐蚀设备的情况发生，铵盐粘度大易集聚在催化剂和受热面表面影响锅炉安全运行。

2 低氮燃烧技术

低氮燃烧技术通过改变燃烧条件，影响氮氧化物生成因素来减少NOx的排放。主要方式为使锅炉内燃烧环境在趋近于理论空气量的条件下进行，并降低排烟热损失。目前国内主流采用以低氮燃烧器和空气多级配给技术结合的技术路径。

低氮燃烧器的原理是在煤粉燃烧初期保证着火热的同时形成还原性气氛，延迟二次风的混合来控制燃烧构成，控制NOx的生成。（1）对于直流燃烧器，采用水平或者垂直方向的将一次风分割为浓相和淡相两股煤粉气流。其中浓相煤粉气流由于煤粉富集而贫氧燃烧（过量空气系数<1），产生的还原性气体较多，使煤粉燃烧前期NOx的生成量降低；而淡相煤粉气流虽然相对于富氧（过量空气系数>1），但由于燃料量少产生的氮氧化物较少，同时也可以起到为浓相煤粉气流后期燃烧补充部分氧量的作用。（2）旋流燃烧器采用一次风中心与两层二次风延轴向布置，在一次风中煤粉着火后与不同刚度和风量的两股二次风混合。先与居于内层的少量二次风混合，进行乏氧燃烧减少初期氧化物的形成还原性气氛，然后再与居于外层风量较大的同时对应的刚性也较强的二次风进行混合，推迟整体的燃烧过程，相应的热力型NOx含量降低。

空气分级燃烧近年在在燃煤锅炉低NOx改造中应用较为广泛，分为径向分级和垂直分级两种形式。（1）无论对四角切圆燃烧系统或对冲式燃烧系统改造都可应用二次风轴向分级，主燃烧区域乏氧燃烧即过量空气系数<1，使主燃烧区域处于不完全燃烧状态。有文献表明主燃烧区域内送入所需约80%左右的理论空气量，燃烧速率和炉膛温度降低，同时使炉膛内还原性气氛增强；燃烧形成焦炭表面多孔在高温作用下还可将已生成的部分氮氧化物还原为氮气，而降低锅炉氮氧化物总的排放量。燃尽风将剩余的空气量送入主燃烧区域上方，将剩余煤粉继续燃盡。釆用燃尽风既降低主燃烧区域的含氧量，减少燃料型NOx同时扩大了燃烧区域，降低整体燃烧区域截面热负荷，减少热力型NOx。（2）针对四角切圆燃烧系统改造主要应用二次风径向分级，其基本思想是将二次风进行水平位置不动的情况下，与一次风形成一定的夹角，将二次风风向偏向水冷壁，形成煤粉气流在切圆内侧，二次风在切圆外侧的配风分级结构。一方面可以推迟与一次风的混合时间延长整体燃烧过程，一次风煤粉气流在切圆内侧缺氧条件下燃烧，从而降低燃烧过程中氮氧化物生成量。另一方面高刚性的二次风在水冷壁附近行程较高水平的氧浓度，可有效防止因不完全燃烧造成的水冷壁结渣。有文献表明空气分级燃烧技术减少氮氧化物排放可达30%至40%。

3 燃尽风率对NOx影响的分析

某电厂300MW机组采用单炉膛平衡通风、中间一次再热、固态排渣、四角切圆燃烧方式、亚临界自然循环锅炉。财通正压直吹方式，配备6台中速磨煤机。2014年经低氮改造后新增可转动二次风喷口，配备4层燃尽风。经过改造，达到了较好的减排效果。

采取空气分级配给，喷燃口处二次风与一次风夹角为10°，二次风喷口可以随一次风喷口上下摆动，使之处于同一水平面，一次风喷口分为浓淡两相介质流。在50%BMCR工况下，调节二次风量使空预器前氧量在2.9至1.8之间，保持二次风风箱压力0.2kPa左右，至少全开两层燃尽风。由于燃烧器处二次风喷口较大，限制运行中的磨煤机对应二次风喷口开度小于25%。

根据现场调整经验，提高燃尽风率可提高炉内的低NOx燃烧效果。当全开第三层燃尽风时，主燃烧区域内过量空气系数在0.7至0.8之间，具有较强的还原性气氛，炉膛截面温度在1750K左右运行。而此时开大第四层燃尽风，NOx含量基本不变而二次风箱压力下降较快使二次风刚度降低，火焰贴水冷壁壁运行造成结焦情况。

主燃区内较强的低氧还原性气氛，可有效减少燃烧过程中的NOx生成量；还原区内，NOx浓度继续降低，表明较强的还原性气氛对已生成的NOx具有较好的还原效果；燃尽区内，由于高速风的集中送入，增强了与烟气的瑞流混合，降低氮氧化物排放。

4 结论

提高燃尽风率可提高炉内的低NOx燃烧效果，选择在燃尽风率为30%左右时，NOx的浓度水平较低。在锅炉变工况调整，及时调节二次风量和燃尽配比，对NOx的排放控制显得尤为重要。

【参考文献】

[1]岑可法.燃烧理论与污染控制[M].北京：机械工业出版社，2004.

[责任编辑：朱丽娜]