周大明

（國電達州發(fā)電有限公司，四川 達州 635026)

雙尺度低NOx燃燒技術在燃煤機組上的應用

周大明

（國電達州發(fā)電有限公司，四川 達州 635026)

根據國家環(huán)保部《火電廠氮氧化物防治技術政策》的要求，某電廠采用雙尺度低NOx燃燒技術，對鍋爐實施了低氮燃燒器改造。介紹了雙尺度低NOx燃燒技術的原理以及實施改造的具體措施，通過采集改造后鍋爐不同工況下的試驗運行數據，比較分析主要指標的變化，改造結果表明：NOx和CO排放量大幅降低，改造效果良好。

NOx排放；雙尺度低NOx燃燒技術；燃燒器；技術改造

0 前言

燃煤過程中產生的氮氧化物(NOx)是一種危害較大且較難處理的大氣污染物。研究表明：當城市地區(qū)的NO2體積分數達到(10-100)×10-6時，就會危害人體健康。NO2不僅參與光化學煙霧的形成，同時也是引起溫室效應、酸雨和光化學反應的主要物質之一。我國是燃煤大國，開展NOx排放治理工作十分迫切。

低NOx燃燒技術是指改變燃燒條件以降低NOx排放的技術，具有初投資低的優(yōu)點，其費用僅為SCR技術的1/7，且無運行成本。為達到國家“十二五”環(huán)保目標的總體要求，控制NOx排放濃度，某發(fā)電公司在2014年9月對31號鍋爐進行了低氮燃燒器改造。改造選用煙臺龍源電力股份有限公司研發(fā)的雙尺度強防渣高效低NOx燃燒技術，取得了較好的NOx減排效果，各工況下NOx排放質量濃度均低于400mg/m3(標準狀態(tài)，折算到6%氧量下，下同)，在同類型燃貧煤機組中處于領先水平。

1 機組簡介

某發(fā)電公司31號鍋爐(配套機組300MW)為東方鍋爐股份有限公司生產的亞臨界參數、自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣、半露天布置、全鋼構架懸吊結構、四角切圓燃燒方式的∏型汽包鍋爐，型號為DG1025/17.4-Ⅱ4。該鍋爐采用中間倉儲式負壓制粉系統(tǒng)，配置4臺DTM350/700型低速筒形鋼球磨煤機。

2 燃燒系統(tǒng)改造方案及技術特點

2.1 雙尺度低NOx燃燒技術

雙尺度低NOx燃燒技術，是在爐膛空間尺度上燃燒優(yōu)化組合技術和煤粉燃燒過程尺度上強化燃燒技術的總稱，是集防結渣、高效燃燒、超低NOx排放多功能于一體的燃燒技術。

2.2 燃燒器改造總體方案

燃燒器改造總體方案采用煙臺龍源電力技術股份有限公司研發(fā)的雙尺度燃燒技術及雙尺度分區(qū)優(yōu)化調試方法組合技術，在原燃燒器基礎上進行低NOx燃燒器改造。改造內容有：更換現有燃燒器組件，包括四角風箱、風門擋板、燃燒器噴嘴體、角區(qū)水冷壁彎管、風門執(zhí)行器等；對燃燒器進行重新布置，改變假想切圓直徑，調整各層煤粉噴嘴的標高和間距，增加新的燃燼風組件以增加高位燃燼風量；更換微油燃燒器及其他5層一次風噴口、噴嘴體及彎頭，一次風噴嘴全部采用上下濃淡中間帶穩(wěn)燃鈍體的燃燒器。采用新的二次風室，適當減小端部風室、油風室及中間空氣風室的面積；在OFA和EF層兩側加裝貼壁風，上下端部風及一次風仍舊為逆時針方向旋轉；AB，BC，CD，DE，EF，FF二次風與一次風小角度偏置，順時針反向切入，形成橫向空氣分級；重新合理分配風量，并調整主燃燒器區(qū)一、二次風噴口面積，使一次風速滿足入爐煤種的燃燒特性要求，適當減小主燃燒器區(qū)的二次風量，形成縱向空氣分級；燃燒器采用新的擺動機構，實現整體上下擺動；在原主燃燒器上方約6.5 m處增加4層分離燃燼風SOFA噴口，分配足量的SOFA燃燼風量，SOFA噴口可同時作上下左右擺動。低氮改造方案平面示意如圖1所示。

圖1 低氮改造方案平面示意

2.3 燃燒器降低NOx排放量的改造措施

NOx按生成機理一般可分為燃料型、熱力型及快速型3種。燃料型NOx約占總NOx的80%-90%，是各種低NOx技術控制的主要對象，可通過控制燃料著火初期過量空氣系數使燃料不完全燃燒加以控制；熱力型NOx約占總NOx的15%，它由爐內局部高溫造成，可通過控制爐溫水平加以控制；快速型NOx生成量很少，占總NOx不到5%。

2.3.1 縱向3區(qū)布置

改造后的燃燒器從下至上大致分為3個區(qū)，依次為集中氧化主燃燒區(qū)、集中還原脫氮區(qū)及燃燼區(qū)，如圖2所示。在主燃燒器上方合適位置引入適量的燃燼風(占總風量的20%-30%)，并采用多噴口多角度射入燃燼風，這有助于煤粉初期燃燒，使爐溫升高，促進煤粉盡快著火燃燒。但由于燃燼風量較大，主燃燒器區(qū)內也會存在氧化還原交替區(qū)，通過控制高度方向的配風，可形成局部還原區(qū)，初步還原NOx，使NOx在初始燃燒就得到抑制。在還原脫氮區(qū)，已生成的NOx還可得到充分還原。在燃燼區(qū)，及時補充進來的二次風作為燃燼風，促進煤粉最后燃燼。通過縱向3區(qū)布置，形成縱向空氣分級，使NOx得到極大抑制，飛灰可燃物也會得到控制。

圖2 燃燒器布置示意

由于實現縱向空氣分級，燃燒器區(qū)域相對有所擴大，燃燒器區(qū)域熱負荷降低，爐內溫度峰值降低，可減少或消除熱力型NOx的生成。

2.3.2 橫向雙區(qū)布置

改造后燃燒器保留一次風射流方向不變，二次風逆時針與一次風偏置布置，一、二次射流偏角調小，只有3°。2層一次風之間布置貼壁風噴口，形成橫向空氣分級。這種橫向空氣分區(qū)布置，可使沿爐膛截面形成中心區(qū)和近壁區(qū)雙區(qū)分布，中心區(qū)具有較高的煤粉濃度、較高的溫度水平，近壁區(qū)具有較低的顆粒濃度和較低的溫度水平。由于貼壁風的存在，近壁區(qū)可保留足夠的氧，防止還原性氣體靠近水冷壁發(fā)生低氧腐蝕。一、二次風偏置后可在初始燃燒時，防止二次風過早混入，使穩(wěn)燃效果得到強化，煤種適應性更好；同時形成局部缺氧燃燒，在火焰內就進行NOx還原，抑制NOx產生。在火焰末端，二次風及時摻混進來，使缺氧燃燒時未燃燼的煤粉顆粒再次燃燒。在橫向空氣分區(qū)與縱向空氣分區(qū)形成空間空氣分區(qū)。

2.3.3 低NOx燃燒器

A，C，D，E，F一次風噴口設計上采用上下濃淡分離式，中間加裝較大的穩(wěn)燃鈍體。濃淡燃燒除可降低NOx外，還可對煤粉穩(wěn)燃、提前著火有積極作用；同時鈍體能增加卷吸的高溫煙氣量，進一步強化穩(wěn)燃。

2.4 燃燼風布置方案

在主燃燒器上方，布置類橢圓形穿透性強的燃燼風噴口，SOFA(分離式燃燼風)可水平、垂直擺動，隨著角度的變化可實現燃燼風對后期的爐膛全覆蓋。同時，SOFA可作為調整爐膛火焰中心的有效手段。布置4層SOFA噴口的不同擺動角度的組合射流，可努力實現向爐膛中心補氧，同時可兼顧到距離水冷壁較近區(qū)域的補氧條件。

這種布置方式的主要特點是在空間內形成不同的組合射流，加大后期混合力度，對煤粉的后期燃燼有積極作用。

3 改造后的性能試驗分析

3.1 NOx及CO的減排效果

本次燃燒器改造，目的是降低NOx排放量，同時保證鍋爐各項熱損失在合理范圍內。因此，在各負荷段采用網格法，利用TESTO350-XL煙氣分析儀對空氣預熱器出口的煙氣成分進行測量，其結果如表1所示。

表1 各負荷段NOx及CO的測量數據

在180-300MW負荷運行期間，NOx排放量可以穩(wěn)定控制在440mg/Nm3以內，NOx排放量一般為300-400mg/Nm3，再通過選擇性催化還原法(SCR)脫硝裝置的處理，使NOx最終排放量不高于90mg/Nm3，完全達到GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》小于100mg/Nm3的排放要求；在任何負荷下，使CO排放量都能夠穩(wěn)定控制在30ppm內。

3.2 過量空氣系數對NOx排放及鍋爐效率的影響

煤粉燃燒過程即為各種劇烈的化學反應過程，氧濃度越高，揮發(fā)分燃燒和煤粉燃燒過程越快，生成的NOx越多。燃燒器改造通過控制不同燃燒區(qū)域的氧濃度來抑制NOx的生成。揮發(fā)分在燃燒初期欠氧狀態(tài)下，NOx生成速率慢，相對增加了還原氣氛，有利于消減NOx。在煤粉燃燒過程中合理送風可避免其劇烈燃燒，亦能抑制N轉化為NO(NOx在爐內主要以NO形式存在)的速率。在燃燒后期，增大氧濃度可以降低飛灰可燃物和CO含量。增大過量空氣系數，即增加各區(qū)域的氧濃度，生成的NOx也越多；在不同負荷下，隨著氧量增加，NOx排放量也增加。

試驗期間機組負荷以190MW穩(wěn)定運行，鍋爐燃用煤質情況較穩(wěn)定，鍋爐燃燒器擺角為70%，SOFA擺角為50%，磨煤機B，C，D 3臺運行，分別在控制爐內氧量3.0%，3.5%及4.0%的工況下對鍋爐進行試驗。通過煙氣分析儀對空氣預熱器前、后煙氣成分測試，同時對飛灰、爐渣取樣分析，計算各工況下的飛灰含碳量、NOx含量和鍋爐效率，具體數據如圖3，4所示。

圖3 不同氧量對NOx排放量及飛灰含碳量的影響

圖4 不同氧量對鍋爐效率的影響

從圖3可知，鍋爐尾部煙氣中NOx含量隨著氧量的增大而略有上升，整體變化幅度較小。由于此煤種灰分大，內在水分小，煤顆粒的活性較小，對氧量變化敏感度較小。當氧量為4.0%時，煙氣中NOx含量最高，為412 mg/Nm3，基本滿足合同規(guī)定的排放標準；但隨著氧量的升高，飛灰含碳量明顯下降。

圖4顯示了不同氧量對鍋爐效率的影響規(guī)律。當氧量大于3.5%時，氧量的增加導致的排煙損失增大幅度與其導致的機械熱損失減小幅度相差不大，在此區(qū)間鍋爐效率變化不明顯；當氧量小于3.5%時，由于飛灰及爐渣含碳量隨氧量的下降變化劇烈，機械熱損失增加，鍋爐效率降低。

通過改變二次風量而改變爐內過量空氣系數的專項試驗，結合鍋爐在各工況設計氧量的運行參數、調整控制余地及鍋爐經濟安全運行等因素考慮，當機組負荷在190MW時，推薦爐內氧量保持在3.5%左右。為保證氧量控制的精確性，應定期對氧量表進行標定校核。

3.3 二次風配風方式對NOx排放量的影響

保持爐膛內各層二次風風量的合理配比，即保持適當的速度和比率，是在爐內建立正常的空氣動力場，使風粉混和均勻，保證燃料良好著火和穩(wěn)定燃燒所必需的條件。二次風風量過高或過低都可能破壞氣流的正?；旌蛿_動，從而降低燃燒的穩(wěn)定性，影響NOx的排放。

二次風配風優(yōu)化調整試驗的目的是按照鍋爐實際使用煤種確定合理的二次風分配原則，并通過試驗找出各種不同負荷下二次風箱壓差及各二次風門開度的合理值。試驗結果表明：采用SOFA燃燼風與主燃區(qū)輔助風“縮腰型”的配風組合，對控制飛灰含碳量及降低氮氧化物有明顯的作用，即對鍋爐經濟性及NOx排放量的影響程度大。

3.4 主燃燒器擺角試驗

主燃燒器擺角試驗在機組負荷260MW下進行。實測空氣預熱器入口氧量3.01%，投入主、再熱汽溫自動調節(jié)，將擺角由水平位置50%逐漸向上擺至60%，70%，同時記錄主再熱汽溫、減溫水量、氮氧化物等參數的變化情況，如表2所示。

表2 主燃燒器擺角擺動試驗

由表2可知，隨著主燃燒器擺角逐漸上擺，主再熱汽溫上升明顯，過熱器減溫水量大大增加；由于還原距離相對縮短，NOx排放量略有上升，這說明主燃燒器擺角對主再熱汽溫及NOx的影響均較大。在運行過程中，可根據主再熱汽溫狀況來擺動調節(jié)主燃燒器擺角。

4 試驗結論

(1) 鍋爐燃燒采用現有煤種，當機組負荷為180-300MW時，在保證鍋爐效率的前提下，NOx排放量可穩(wěn)定控制在440mg/Nm3內(一般在300-400mg/Nm3)；在任何負荷下，CO排放量能夠穩(wěn)定控制在30ppm內。與改造前相比，NOx和CO排放量大幅降低。

(2) 當機組負荷為180-300MW時，通過不同負荷階段的不同配風方式，總結出較佳的配風方案，能夠保證飛灰含碳量在3%以內。

(3) 通過改變二次風風量從而改變爐內過量空氣系數的專項試驗，結合考慮鍋爐在各工況設計氧量下的運行參數、調整控制余地及鍋爐經濟安全運行等因素，機組負荷在190MW時，推薦爐內氧量保持在3.5%左右。

(4) 隨著主燃燒器擺角逐漸上擺，主再熱汽溫上升明顯，過熱器減溫水量大幅增加，NOx由于還原距離相對縮短而略有上升，這說明主燃燒器擺角對主再熱汽溫及NOx的影響均較大。在運行過程中，可根據主再熱汽溫狀況來擺動調節(jié)主燃燒器的擺角。

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2015-08-11。

周大明(1969-)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠設備的維護檢修和技改工作，email：gmqq2003a@163.com。