劉曉龍

【摘 要】在我國能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)主要是煤炭，由此傳統(tǒng)燃煤電站是電力工業(yè)的基礎(chǔ)。其中降低燃煤所產(chǎn)生的氮氧化物是控制大氣污染物重要措施。本文對某300MW亞臨界機(jī)組圓燃煤鍋爐進(jìn)行研究，其燃燒方式四角切圓，該機(jī)組于2014年進(jìn)行低NOx燃燒改造后將原燃燒器更換為低氮燃燒器并增加多層燃盡風(fēng)的空氣分級系統(tǒng)，經(jīng)優(yōu)化調(diào)整較好地降低了NOx排放水平。在不同的燃盡風(fēng)配比的情況下，NOx有不同的變化趨勢。本文對目前主流的低NOx燃燒改造方案進(jìn)行比較，并對低氮燃燒控制策略進(jìn)行梳理。

【關(guān)鍵詞】燃煤電站；低NOx燃燒改造；多級燃盡風(fēng)

0 背景

在我國以煤碳為主的能源結(jié)構(gòu)，決定了燃煤機(jī)組是電力工業(yè)的組。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2012年動力煤的消費(fèi)結(jié)構(gòu)中高達(dá)62.23%的用于發(fā)電。大量煤炭燃燒也產(chǎn)生的大氣污染物排放，不但對環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響，并已經(jīng)成為制約了電力工業(yè)發(fā)展的主要因素。有數(shù)據(jù)表明，2015年我國火電廠大氣污染物的排放量為二氧化硫1049萬噸、煙塵544萬噸、氮氧化物1310萬噸。由此，控制和減少大氣污染物的排放是電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

NOx是大氣污染的元兇之一，達(dá)到一定濃度對人提及健康造成危害?，F(xiàn)階段，我國對電站鍋爐氮氧化物排放控制要求日益嚴(yán)格，為了實(shí)現(xiàn)燃煤電站鍋爐的達(dá)標(biāo)排放，目前低NOx燃燒改造的主流技術(shù)為煙氣脫硝和低氮燃燒技術(shù)。

1 煙氣脫硝

近年來國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出多種NOx的脫除方法，利用氮氧化物的物理、化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行還原和吸附。按照煙氣脫硝所采用的工藝方法可分為濕法脫硝和干法脫硝。濕法脫硝是利用氮氧化物溶于水后產(chǎn)生的酸堿特性，由吸收劑對其進(jìn)行中和處理。由于現(xiàn)階段該技術(shù)還需要多種吸收劑綜合使用，后續(xù)處理技術(shù)不成熟，故應(yīng)用較少。目前多采用干法脫硝技術(shù)，按照其工作原理選擇性催化還原技術(shù)、選擇性非催化還原技術(shù)。

選擇性催化還原技術(shù)（SCR）的原理是通過特定催化劑，利用液氨或其他還原劑和煙氣中的氮氧化物反應(yīng)生成氮?dú)夂退?，該方法主要適用溫度區(qū)間為200至450℃。通過催化劑的作用下還原劑（液氨）選擇性地只與NOx發(fā)生反應(yīng)，而煙氣中的其他氧化劑（氧氣）發(fā)生反應(yīng)，稱為選擇性催化還原技術(shù)。該技術(shù)一方面設(shè)備投資較大，系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行成本受制于還原劑和催化劑更換費(fèi)用問題，對于老舊機(jī)組原風(fēng)道尺寸及鋼架結(jié)構(gòu)承載能力也是制約因素；另一方面憑借其脫銷效率高（有的機(jī)組改造后減排可達(dá)80%），控制簡單可靠，成為目前煙氣脫硝的主流技術(shù)。

選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR），SCR技術(shù)對一些機(jī)組因風(fēng)道尺寸未對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)留、原鋼架結(jié)構(gòu)承載能力不夠等原因不能實(shí)施改造的，SNCR便克服對催化劑一來這一技術(shù)障礙。其反應(yīng)在爐膛800至1100℃的高溫區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，擺脫對催化劑催化的依賴。其將還原劑如氨、尿素噴入，并迅速將在燃燒中形成的氮氧化物還原為氮?dú)?。?yīng)用該技術(shù)不需要對鍋爐本體進(jìn)行改造，僅增加噴射及還原劑存儲裝置，多適合老、舊、小鍋爐的改造。一方面但其相對于SCR偷硝效率較低、還原及利用效率低等劣勢，其引起冷浮效應(yīng)造成一氧化碳含量急劇升高。另一方面，其反應(yīng)溫度控制較難、還原劑比例控制難，對于不同爐型的適配能力差，造成改造設(shè)計(jì)較為困難。

因干法脫硝技術(shù)還原劑參加反應(yīng)程度不高，保證脫銷效率需使還原劑過量供給，而造成銨鹽堵塞和腐蝕設(shè)備的情況發(fā)生，銨鹽粘度大易集聚在催化劑和受熱面表面影響鍋爐安全運(yùn)行。

2 低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)通過改變?nèi)紵龡l件，影響氮氧化物生成因素來減少NOx的排放。主要方式為使鍋爐內(nèi)燃燒環(huán)境在趨近于理論空氣量的條件下進(jìn)行，并降低排煙熱損失。目前國內(nèi)主流采用以低氮燃燒器和空氣多級配給技術(shù)結(jié)合的技術(shù)路徑。

低氮燃燒器的原理是在煤粉燃燒初期保證著火熱的同時(shí)形成還原性氣氛，延遲二次風(fēng)的混合來控制燃燒構(gòu)成，控制NOx的生成。（1）對于直流燃燒器，采用水平或者垂直方向的將一次風(fēng)分割為濃相和淡相兩股煤粉氣流。其中濃相煤粉氣流由于煤粉富集而貧氧燃燒（過量空氣系數(shù)<1），產(chǎn)生的還原性氣體較多，使煤粉燃燒前期NOx的生成量降低；而淡相煤粉氣流雖然相對于富氧（過量空氣系數(shù)>1），但由于燃料量少產(chǎn)生的氮氧化物較少，同時(shí)也可以起到為濃相煤粉氣流后期燃燒補(bǔ)充部分氧量的作用。（2）旋流燃燒器采用一次風(fēng)中心與兩層二次風(fēng)延軸向布置，在一次風(fēng)中煤粉著火后與不同剛度和風(fēng)量的兩股二次風(fēng)混合。先與居于內(nèi)層的少量二次風(fēng)混合，進(jìn)行乏氧燃燒減少初期氧化物的形成還原性氣氛，然后再與居于外層風(fēng)量較大的同時(shí)對應(yīng)的剛性也較強(qiáng)的二次風(fēng)進(jìn)行混合，推遲整體的燃燒過程，相應(yīng)的熱力型NOx含量降低。

空氣分級燃燒近年在在燃煤鍋爐低NOx改造中應(yīng)用較為廣泛，分為徑向分級和垂直分級兩種形式。（1）無論對四角切圓燃燒系統(tǒng)或?qū)_式燃燒系統(tǒng)改造都可應(yīng)用二次風(fēng)軸向分級，主燃燒區(qū)域乏氧燃燒即過量空氣系數(shù)<1，使主燃燒區(qū)域處于不完全燃燒狀態(tài)。有文獻(xiàn)表明主燃燒區(qū)域內(nèi)送入所需約80%左右的理論空氣量，燃燒速率和爐膛溫度降低，同時(shí)使?fàn)t膛內(nèi)還原性氣氛增強(qiáng)；燃燒形成焦炭表面多孔在高溫作用下還可將已生成的部分氮氧化物還原為氮?dú)猓档湾仩t氮氧化物總的排放量。燃盡風(fēng)將剩余的空氣量送入主燃燒區(qū)域上方，將剩余煤粉繼續(xù)燃盡。釆用燃盡風(fēng)既降低主燃燒區(qū)域的含氧量，減少燃料型NOx同時(shí)擴(kuò)大了燃燒區(qū)域，降低整體燃燒區(qū)域截面熱負(fù)荷，減少熱力型NOx。（2）針對四角切圓燃燒系統(tǒng)改造主要應(yīng)用二次風(fēng)徑向分級，其基本思想是將二次風(fēng)進(jìn)行水平位置不動的情況下，與一次風(fēng)形成一定的夾角，將二次風(fēng)風(fēng)向偏向水冷壁，形成煤粉氣流在切圓內(nèi)側(cè)，二次風(fēng)在切圓外側(cè)的配風(fēng)分級結(jié)構(gòu)。一方面可以推遲與一次風(fēng)的混合時(shí)間延長整體燃燒過程，一次風(fēng)煤粉氣流在切圓內(nèi)側(cè)缺氧條件下燃燒，從而降低燃燒過程中氮氧化物生成量。另一方面高剛性的二次風(fēng)在水冷壁附近行程較高水平的氧濃度，可有效防止因不完全燃燒造成的水冷壁結(jié)渣。有文獻(xiàn)表明空氣分級燃燒技術(shù)減少氮氧化物排放可達(dá)30%至40%。

3 燃盡風(fēng)率對NOx影響的分析

某電廠300MW機(jī)組采用單爐膛平衡通風(fēng)、中間一次再熱、固態(tài)排渣、四角切圓燃燒方式、亞臨界自然循環(huán)鍋爐。財(cái)通正壓直吹方式，配備6臺中速磨煤機(jī)。2014年經(jīng)低氮改造后新增可轉(zhuǎn)動二次風(fēng)噴口，配備4層燃盡風(fēng)。經(jīng)過改造，達(dá)到了較好的減排效果。

采取空氣分級配給，噴燃口處二次風(fēng)與一次風(fēng)夾角為10°，二次風(fēng)噴口可以隨一次風(fēng)噴口上下擺動，使之處于同一水平面，一次風(fēng)噴口分為濃淡兩相介質(zhì)流。在50%BMCR工況下，調(diào)節(jié)二次風(fēng)量使空預(yù)器前氧量在2.9至1.8之間，保持二次風(fēng)風(fēng)箱壓力0.2kPa左右，至少全開兩層燃盡風(fēng)。由于燃燒器處二次風(fēng)噴口較大，限制運(yùn)行中的磨煤機(jī)對應(yīng)二次風(fēng)噴口開度小于25%。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，提高燃盡風(fēng)率可提高爐內(nèi)的低NOx燃燒效果。當(dāng)全開第三層燃盡風(fēng)時(shí)，主燃燒區(qū)域內(nèi)過量空氣系數(shù)在0.7至0.8之間，具有較強(qiáng)的還原性氣氛，爐膛截面溫度在1750K左右運(yùn)行。而此時(shí)開大第四層燃盡風(fēng)，NOx含量基本不變而二次風(fēng)箱壓力下降較快使二次風(fēng)剛度降低，火焰貼水冷壁壁運(yùn)行造成結(jié)焦情況。

主燃區(qū)內(nèi)較強(qiáng)的低氧還原性氣氛，可有效減少燃燒過程中的NOx生成量；還原區(qū)內(nèi)，NOx濃度繼續(xù)降低，表明較強(qiáng)的還原性氣氛對已生成的NOx具有較好的還原效果；燃盡區(qū)內(nèi)，由于高速風(fēng)的集中送入，增強(qiáng)了與煙氣的瑞流混合，降低氮氧化物排放。

4 結(jié)論

提高燃盡風(fēng)率可提高爐內(nèi)的低NOx燃燒效果，選擇在燃盡風(fēng)率為30%左右時(shí)，NOx的濃度水平較低。在鍋爐變工況調(diào)整，及時(shí)調(diào)節(jié)二次風(fēng)量和燃盡配比，對NOx的排放控制顯得尤為重要。

【參考文獻(xiàn)】

[1]岑可法.燃燒理論與污染控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]