(中鹽吉蘭泰鹽化集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 阿拉善 750333)

1 項(xiàng)目背景

NOx是大氣環(huán)境的主要污染物之一。為減少燃煤火電廠的NOx排放水平，我國(guó)先后正式發(fā)布了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB13223-1996、《中華人民共和國(guó)大氣污染保護(hù)法》(2000年9月實(shí)施)、《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB13223--2011等一些列國(guó)家和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)，要求國(guó)內(nèi)所有火電廠及其他燃煤設(shè)備均要采取必要的減排措施控制NOx排放。

《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)要求，現(xiàn)有鍋爐從2014年7月1日起、新建鍋爐從2012年1月1日起執(zhí)行NOx排放濃度200 mg/Nm3的標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)地區(qū)執(zhí)行100 mg/Nm3的NOx排放濃度標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)甚至比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，表達(dá)了我國(guó)政府對(duì)控制火電NOx污染物排放的堅(jiān)定決心，也反映出我國(guó)環(huán)境污染的嚴(yán)重程度和治污減排形勢(shì)的緊迫性。

對(duì)于目前很大一部分小型煤粉鍋爐，其N(xiāo)Ox排放指標(biāo)遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，在滿(mǎn)足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所要求的200 mg/m3的排放指標(biāo)要求時(shí)，要求SNCR的脫除效率高達(dá)70%以上，這種脫除效率即使是增加還原劑噴射劑量(氨氮比)也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。國(guó)家規(guī)定SCR和SNCR-SCR裝置的氨逃逸必須低于8 ppm，氨逃逸增加一方面會(huì)對(duì)大氣造成二次污染，所造成的“二惡英”損害，在某種程度上甚至遠(yuǎn)超NOx的PM2.5、霧霾和溫室效應(yīng)等的影響，更重要的是氨逃逸增加會(huì)直接影響鍋爐的正常運(yùn)行：過(guò)量的NH3與煙氣中的SO3生成硫酸氫銨，這種產(chǎn)物會(huì)在空氣預(yù)熱器等低溫受熱面結(jié)晶，粘結(jié)在受熱面管壁的煙氣側(cè)，增加煙道阻力，造成引風(fēng)機(jī)出力降低，使機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷受到嚴(yán)重限制。而低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用可有效解決上述問(wèn)題。

2 氮氧化合物控制的技術(shù)路線

我國(guó)發(fā)改委和環(huán)保部有關(guān)法規(guī)明確表明，燃煤火電廠De-NOx減排的總體技術(shù)路線遵從“先爐內(nèi)、后爐外”的基本降氮措施，可分別定義為兩大類(lèi)De-NOx減排措施：

一類(lèi)是爐內(nèi)De-NOx燃燒技術(shù)改造。通過(guò)燃燒室燃燒技術(shù)改進(jìn)和運(yùn)行方式De-NOx優(yōu)化，降低和抑制爐內(nèi)NOx生成，先期達(dá)到一定的爐內(nèi)最低排放指標(biāo)。如果爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)已經(jīng)可以滿(mǎn)足當(dāng)?shù)豊Ox排放環(huán)保指標(biāo)的話，就無(wú)需加裝的爐外De-NOx脫硝裝置，比如說(shuō)江蘇寧海電廠600MW煤粉爐機(jī)組，已通過(guò)“雙尺度”爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)100 mg/m3以下的NOx排放。

另一類(lèi)就是爐外煙氣脫硝技術(shù)。指的是在爐膛或爐膛后部尾部煙道安裝SCR、SCR+SNCR或純SCNCR裝置，通過(guò) “爐外”噴氨或尿素等還原劑途徑脫除爐內(nèi)生成的NOx排放物。對(duì)于小容量鍋爐，其燃燒溫度窗口、還原劑停留時(shí)間、還原劑覆蓋面積等影響SNCR脫除效率的關(guān)鍵因素來(lái)講，都能很好的滿(mǎn)足高脫除效率的要求，其造價(jià)僅為SCR的1/3～1/2，運(yùn)行成本也大幅低于SCR，因此，小型煤粉鍋爐采用SNCR技術(shù)較煤粉爐具有先天的優(yōu)勢(shì)。

但是，對(duì)于目前很大一部分小型煤粉鍋爐，其N(xiāo)Ox排放指標(biāo)遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，在滿(mǎn)足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所要求的200 mg/m3的排放指標(biāo)要求時(shí)，要求SNCR的脫除效率高達(dá)70%以上，這種脫除效率即使是增加還原劑噴射劑量(氨氮比)也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。國(guó)家規(guī)定SCR和SNCR-SCR裝置的氨逃逸必須低于8 ppm，氨逃逸增加一方面會(huì)對(duì)大氣造成二次污染，所造成的“二惡英”損害，在某種程度上甚至遠(yuǎn)超NOx的PM2.5、霧霾和溫室效應(yīng)等的影響，更重要的是氨逃逸增加會(huì)直接影響鍋爐的正常運(yùn)行：過(guò)量的NH3與煙氣中的SO3生成硫酸氫銨，這種產(chǎn)物會(huì)在空氣預(yù)熱器等低溫受熱面結(jié)晶，粘結(jié)在受熱面管壁的煙氣側(cè)，增加煙道阻力，造成引風(fēng)機(jī)出力降低，使機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷受到嚴(yán)重限制。

SNCR使用液氨、氨水或尿素作為還原劑，每生產(chǎn)一噸氨制品，要消耗1噸左右的標(biāo)準(zhǔn)煤，這樣的能源消耗也是非常驚人的！同時(shí)，脫硝劑原產(chǎn)地會(huì)產(chǎn)生不可逆的水源、地下污染和超標(biāo)的煙塵等污染物排放，存在嚴(yán)重的污染物轉(zhuǎn)移問(wèn)題。

因此，中央和地方的環(huán)保管理部門(mén)，對(duì)燃燒領(lǐng)域先進(jìn)的低氮燃燒技術(shù)非常關(guān)注，不僅在政策上鼓勵(lì)，資金上扶持，工程上優(yōu)先，還以各種科研經(jīng)費(fèi)、運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼等形式對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)助，充分體現(xiàn)出清潔燃燒的無(wú)窮魅力。形勢(shì)要求我們，首先運(yùn)用低氮燃燒技術(shù)來(lái)達(dá)到CFB的第一降氮目標(biāo)，然后再實(shí)施爐外脫硝技術(shù)，一方面滿(mǎn)足NOx污染物排放值達(dá)標(biāo)，另一方面減少還原劑消耗量，降低運(yùn)行成本，并降低氨逃逸量，防止還原劑造成的二次污染及對(duì)鍋爐安全運(yùn)行帶來(lái)的隱患，在解決好低氮脫硫、綜合利用與高效節(jié)能矛盾的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)De-NOx治污綜合技改方案。

最近幾年，在廣泛認(rèn)真的調(diào)研和技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，國(guó)家環(huán)保部和發(fā)改委連續(xù)發(fā)布了多項(xiàng)治理火電廠氮氧化物排放的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)細(xì)則，提出了政策性指導(dǎo)意見(jiàn)。2010年1月27日，國(guó)家環(huán)保部發(fā)布《火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《技術(shù)政策》)，以促進(jìn)火電行業(yè)NOx減排技術(shù)及其閉環(huán)控制工藝的進(jìn)步，為火電廠減排De-NOx工作指明了方向。

在防治技術(shù)路線上，《技術(shù)政策》指出：“低氮燃燒技術(shù)應(yīng)作為燃煤電廠氮氧化物控制的首選技術(shù)。在采用低氮燃燒技術(shù)后，氮氧化物排放濃度仍不達(dá)標(biāo)或不滿(mǎn)足總量控制要求時(shí)，應(yīng)建設(shè)煙氣脫硝設(shè)施。”

3 低NOx燃燒技術(shù)原理

煤燃燒過(guò)程中生成的氮氧化物主要是NO和少量NO2。按生成機(jī)理不同又可分為：燃料型NOx、熱力型NOx、快速型NOx。燃料型NOx是煤中含有的N元素在燃燒過(guò)程中被氧化而生成的NOx，熱力型NOx是高溫下(1 500 ℃以上)空氣中的N2被氧化而生成的NOx，快速型NOx是空氣中的N2在煙氣中的Chi等活性基團(tuán)作用下被氧化生成的NOx。研究表明，煤粉燃燒過(guò)程中生成的NOx主要是燃料型NOx，約占總量75%～80%，其余為熱力型NOx而快速型NOx生成極少。所以煤粉低氮燃燒技術(shù)的重點(diǎn)是控制燃料型NOx的生成。

4 低氮燃燒技術(shù)

低NOx燃燒技術(shù)包括高濃淡比可調(diào)式煤粉濃淡低NOx燃燒器、偏置周界風(fēng)、一二次風(fēng)大小切圓(二次風(fēng)偏轉(zhuǎn)徑向空氣分級(jí)燃燒)、主燃區(qū)CCOFA空氣分級(jí)技術(shù)、全爐膛SOFA深度垂直空氣分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)等低NOx燃燒技術(shù)，并配合適度低氧燃燒進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整。本技術(shù)用于煙煤、貧煤、無(wú)煙煤、褐煤、水煤漿等多種燃料，可以達(dá)到30%～60%的NOx脫除率，同時(shí)保證鍋爐高效燃燒，改善鍋爐結(jié)焦?fàn)顩r，提高鍋爐煤種適應(yīng)性和低負(fù)荷穩(wěn)燃性能。

4.1 高濃淡比可調(diào)式煤粉濃淡低NOx燃燒器

風(fēng)粉濃度對(duì)燃料初期著火及著火初期的NOx生成量控制起著至關(guān)重要的作用。實(shí)際運(yùn)行中，主要有以下因素影響導(dǎo)致風(fēng)粉濃度達(dá)不到低氮燃燒最佳值：

1)負(fù)荷變化

當(dāng)降低負(fù)荷時(shí)，為保證送粉安全，一次風(fēng)量不能隨送粉量的減少而按比例減少，導(dǎo)致一次風(fēng)粉濃度偏離低氮燃燒最佳值。

2)煤種揮發(fā)分低

一般對(duì)于貧煤、無(wú)煙煤等揮發(fā)分較低煤種，從控制NOx生成角度講其著火初期供風(fēng)量遠(yuǎn)低于煙煤、褐煤等高揮發(fā)分煤種，但是受制粉系統(tǒng)和煤粉輸送安全制約，風(fēng)粉濃度一般達(dá)不到低氮燃燒最佳值。

4.2 偏置周界風(fēng)

一般設(shè)置周界風(fēng)有如下作用：一是冷卻保護(hù)噴口提高煤種適應(yīng)性；二是提高一次風(fēng)射流強(qiáng)度；三是防結(jié)焦和高溫腐蝕。

四角切圓燃燒方式，上游火焰對(duì)下游火焰起著點(diǎn)燃和強(qiáng)化燃燒作用。在強(qiáng)化燃燒的同時(shí)，也會(huì)由于上游火焰的動(dòng)量沖擊，燃燒火焰必將向水冷壁側(cè)偏斜。通常熱態(tài)火焰實(shí)際直徑是假想切圓的數(shù)倍。實(shí)際火焰的真實(shí)直徑不僅與假想切圓有關(guān)，同時(shí)與一次風(fēng)動(dòng)量、二次風(fēng)動(dòng)量、氣流的剛性、燃燒混合的程度有關(guān)。

采用偏置周界風(fēng)，增大背火側(cè)周界風(fēng)量，一方面周界風(fēng)速較一次風(fēng)速高，可以提高一次風(fēng)設(shè)計(jì)剛性，避免一次風(fēng)射流貼壁刷墻；另一方面，貼壁風(fēng)包裹一次風(fēng)燃燒，實(shí)現(xiàn)了“風(fēng)包粉”燃燒，可提高水冷壁附近氧濃度，有效防止水冷壁高溫腐蝕，避免燃燒器區(qū)域水冷壁結(jié)焦。

偏置周界風(fēng)射流與一次風(fēng)形成一定偏角，延緩其與一次風(fēng)的混合，可實(shí)現(xiàn)細(xì)部的徑向空氣分級(jí)，從而有效抑制燃燒初期NOx生成。

4.3 一二次風(fēng)大小切圓燃燒

煤粉熱解著火后，進(jìn)入揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒初期階段，此時(shí)一、二次風(fēng)開(kāi)始混合，控制好一、二次風(fēng)的混合時(shí)機(jī)，維持此燃燒階段氧濃度在理論最佳值，是此階段降低NOx排放的關(guān)鍵。

通過(guò)對(duì)爐內(nèi)二次風(fēng)切圓的調(diào)整在爐膛截面上形成了三場(chǎng)(溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和煤粉濃度場(chǎng))特性截然不同的中心區(qū)與近壁區(qū)分布。可以保證壁面有足夠的氧氣存在，防止結(jié)渣及高溫腐蝕，又不改變主射流方向，這項(xiàng)技術(shù)已在多臺(tái)鍋爐上成功使用。這種燃燒方式(CFS-Ⅱ)能夠提高一次風(fēng)煤粉氣流在爐內(nèi)的穿透能力，并使其遠(yuǎn)離下方水冷壁，減輕爐內(nèi)的結(jié)渣、高溫腐蝕和積灰。此外由于一二次風(fēng)切圓方向相反，煤粉與空氣的混合過(guò)程推遲，從而降低了NOx的排放量。同時(shí)二次風(fēng)正切布置，使一次風(fēng)氣流逆向沖進(jìn)上游來(lái)的高溫空氣，使煤粉在此區(qū)域內(nèi)遲滯濃縮，缺氧的前提下，提早析出揮發(fā)分著火燃燒，對(duì)穩(wěn)燃及降低NOx相當(dāng)有利。

圖1 一二次風(fēng)偏轉(zhuǎn)徑向空氣分級(jí)燃燒示意圖

4.4 煙氣再循環(huán)

對(duì)于燃用褐煤鍋爐，一次風(fēng)率較高(可達(dá)30%以上)，促使燃燒初期NOx轉(zhuǎn)化率高，為了有效解決該問(wèn)題，采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，一方面保證制粉系統(tǒng)干燥劑量要求，同時(shí)降低一次風(fēng)含氧量，提高二次風(fēng)率，抑制揮發(fā)分釋放、燃燒階段的NOx生成。

4.5 適度低氧燃燒

適度低氧燃燒技術(shù)是上述強(qiáng)化著火、多重空氣分級(jí)燃燒等技術(shù)綜合運(yùn)用得到的一個(gè)最佳燃燒狀態(tài)，使得全爐膛都處于最佳氧濃度下，同時(shí)使得爐膛溫度分布更加均勻，避免局部高溫；同時(shí)低氧燃燒可提高著火初期火焰溫度，保證燃燒效率。

5 煤粉低氮燃燒技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

5.1 初投資少

對(duì)于新建鍋爐，僅需在燃燒器設(shè)計(jì)時(shí)考慮低氮燃燒技術(shù)即可，成本極低。對(duì)于現(xiàn)有機(jī)組進(jìn)行低氮燃燒技術(shù)改造，僅需對(duì)現(xiàn)有燃燒器進(jìn)行局部改造，并增加空氣分級(jí)的風(fēng)道即可實(shí)現(xiàn)。

5.2 零運(yùn)行成本

低氮燃燒技術(shù)通過(guò)燃燒過(guò)程中溫度和氣氛的控制來(lái)抑制燃燒過(guò)程中氮氧化物的生產(chǎn)，不需要任何脫硝藥劑和催化劑，因此運(yùn)行過(guò)程中不需要任何額外投入。同時(shí)低氮燃燒器的運(yùn)行和維護(hù)與常規(guī)燃燒器差異很小，不增加運(yùn)行人員和維護(hù)人員工作量。

5.3 可降低尾部煙氣脫硝投資和運(yùn)行成本

如采用低氮燃燒技術(shù)無(wú)法達(dá)到環(huán)保排放要求，鍋爐還需加裝煙氣脫硝裝置。但采用低氮燃燒技術(shù)降低了煙氣脫硝裝置入口NOx濃度，從而可以減小煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)備大小，脫硝系統(tǒng)還原劑、催化劑、電耗和增加的煙氣阻力等都會(huì)降低。

5.4 改造施工周期短

6 煤粉鍋爐低氮燃燒改造

6.1 技術(shù)路線

采用低氮燃燒+SNCR一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)鍋爐脫硝目標(biāo)：NOx排放低于200 mg/m3

采用低氮燃燒技術(shù)將NOx排放降低至400 mg/m3；在上爐膛分兩層布置SNCR噴槍?zhuān)揽窟€原劑脫除NOx，保證最終排放低于200 mg/m3。

6.2 低氮燃燒改造方案

低氮燃燒改造方案立足鍋爐、燃燒器設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)際情況，在保持原有飛灰含碳量和大渣含碳量均不發(fā)生較大變化的前提下，保證鍋爐效率和蒸汽參數(shù)穩(wěn)定和可調(diào)的同時(shí)降低NOx排放。改造方案如下：

6.2.1 一次風(fēng)改造

一次風(fēng)采用高濃淡比可調(diào)式煤粉濃淡低NOx燃燒器+偏置周界風(fēng)+強(qiáng)化著火設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)實(shí)際燃用煤種重新核算一次風(fēng)速、風(fēng)率，原則上不改變?cè)O(shè)計(jì)一次風(fēng)量，必要時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)一次風(fēng)速、風(fēng)率。

6.2.2 周界風(fēng)改造

采用偏置周界風(fēng)技術(shù)，背火側(cè)周界風(fēng)較大，周界風(fēng)引自二次風(fēng)箱，并采用我公司偏置周界風(fēng)射流設(shè)計(jì)與一次風(fēng)形成一定偏角。

6.2.3 二次風(fēng)改造

保持二次風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速、風(fēng)溫不變，下二次風(fēng)風(fēng)量基本保持不變，適當(dāng)減少其他二次風(fēng)噴口流通面積，從而降低燃燒器供氧量，維持主燃燒器送風(fēng)空氣系數(shù)在0.8左右，有效抑制主燃區(qū)NOx的生成。二次風(fēng)噴口結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，提高二次風(fēng)氣流剛性，提高其對(duì)爐內(nèi)煙氣的穿透能力，適時(shí)補(bǔ)充煤粉進(jìn)一步燃燒所需的氧量，強(qiáng)化擾動(dòng)，提高燃燒速率。

6.2.4 SOFA風(fēng)

為了深化垂直空氣分級(jí)深度及保證煤粉燃盡，改造方案在主燃燒器上方增加一組SOFA燃燒器。每角SOFA燃燒器設(shè)置兩層或一層SOFA噴口。同時(shí)，SOFA燃燒器設(shè)置擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，噴口可根據(jù)爐內(nèi)工況和燃煤特點(diǎn)調(diào)整上下、水平擺動(dòng)角度，噴口可上下擺動(dòng)±30°，用來(lái)調(diào)整爐內(nèi)火焰中心位置，以此來(lái)調(diào)整汽溫及煤粉燃盡率；水平可擺動(dòng)±15°，用來(lái)調(diào)整爐膛出口的煙氣旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩，以此來(lái)調(diào)整爐膛出口的左右側(cè)煙溫偏差。

改造方案自?xún)蓚?cè)墻二次風(fēng)熱風(fēng)道(箱)引出SOFA風(fēng)風(fēng)道，分別引向鍋爐四角新增SOFA燃燒器，在風(fēng)道合理位置設(shè)置支吊架及補(bǔ)償器。各層SOFA風(fēng)門(mén)設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖2 改造前后燃燒器噴口布置示意圖

6.2.5 煙氣再循環(huán)改造

在風(fēng)扇磨煤機(jī)引入合適溫度煙氣，通過(guò)煙氣風(fēng)機(jī)提升壓頭，滿(mǎn)足風(fēng)扇磨入口氣流流量、溫度、壓力需求，通過(guò)部分煙氣熱焓提供干燥劑量，降低一次風(fēng)率。

6.2.6 改造方案配風(fēng)

改造方案不改變?cè)O(shè)計(jì)一次風(fēng)風(fēng)溫、風(fēng)速；不改變二次風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)溫、風(fēng)速，適當(dāng)減少一、二次風(fēng)量，控制主燃燒器區(qū)域過(guò)量空氣系數(shù)；新增SOFA風(fēng)風(fēng)溫、同原二次風(fēng)設(shè)計(jì)值，風(fēng)速根據(jù)鍋爐流場(chǎng)模擬進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，風(fēng)率25～28%。

6.2.7 調(diào)整爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)

改造后的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用一、二次風(fēng)大小切圓，控制一二次風(fēng)適時(shí)混合，有效控制焦炭燃燒初期NOx生成。同時(shí)在爐內(nèi)形成“風(fēng)包粉”的燃燒，維持水冷壁附近氧化性氣氛，有效預(yù)防水冷壁結(jié)焦和高溫腐蝕。

SOFA風(fēng)水平偏轉(zhuǎn)角度可調(diào)，從而簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛出口的煙氣扭轉(zhuǎn)殘余的調(diào)整控制， 減少爐膛出口兩側(cè)煙溫偏差。改造方案爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)組織如下：

圖3 改造方案空氣動(dòng)力場(chǎng)組織示意圖

7 改造后性能

在燃煤煤質(zhì)不發(fā)生變化的情況下，負(fù)荷在60%以上工況，改造前鍋爐煙氣NOx排放濃度為700 mg/Nm3，改造后 NOx排放濃度不大于200 mg/Nm3。

8 結(jié) 語(yǔ)

低氮燃燒技術(shù)在蒸發(fā)量為75 t/h的煤粉鍋爐脫硝系統(tǒng)改造中的成功應(yīng)用，充分驗(yàn)證了低氮燃燒技術(shù)的特點(diǎn)——通過(guò)改變煤粉鍋爐爐堂燃燒區(qū)域的及燃燒溫度，有效抑制主燃區(qū)燃燒型NOx的生成，使鍋爐煙氣NOx下降50%以上。

采用爐內(nèi)De-NOx低氮燃燒技術(shù)結(jié)合SNCR噴氨技術(shù)，將低氮燃燒技術(shù)應(yīng)用于煤粉鍋爐，可有效將煙氣氮氧化物控制在200 mg/Nm3以?xún)?nèi)。大大減少氨水、液氧等脫硝劑的投入量，既降低了運(yùn)行成本又有效緩解了脫硝劑對(duì)設(shè)備及煙道的腐蝕。