武延?xùn)|

（國家能源河北龍山發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056400）

氮氧化物NOx 會(huì)對(duì)空氣造成污染，威脅人們的身體健康，同時(shí)它會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生更多的環(huán)境污染物?，F(xiàn)階段，我國大部分火電廠的燃料主要是煤炭，煤炭在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量氮氧化物NOx 氣體，因此，如何有效地控制火電廠機(jī)組鍋爐燃燒時(shí)的NOx 排放是非常重要而緊迫的問題。

1 鍋爐概述

某火電廠600MW 鍋爐是上海鍋爐有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為SG-2028/17.5-YM908 的亞臨界參數(shù)鍋爐。該鍋爐為全鋼懸吊結(jié)構(gòu)，密閉的π 型布置鍋爐，其主要特點(diǎn)為單爐膛平衡通風(fēng)、四角切向燃燒方式、控制循環(huán)、一次中間再熱。使用的燃煤為煙煤，鍋爐的制粉系統(tǒng)為正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置了六臺(tái)中速M(fèi)PS 磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)用于一層燃燒器，其中5 臺(tái)投入使用，1 臺(tái)作為備用。

2 超低NOx 特性及其控制原理

火電廠機(jī)組鍋爐燃燒NOx 的產(chǎn)生方式包括快速型、熱力型、燃料型三種。其中燃料型產(chǎn)生方式生成的NOx 占了80%以上，因而成為各類超低NOx 燃燒技術(shù)的主控對(duì)象。生成量第二高的是熱力型NOx，這類NOx 主要是因?yàn)殄仩t內(nèi)部部分區(qū)域的溫度太高生成的，快速型NOx 所占比例極少，可忽略不計(jì)。因此，本次研究的改造方案主要針對(duì)燃料型、熱力型這兩種氮氧化物的生成而設(shè)計(jì)。其中，燃料型NOx 是火電廠機(jī)組鍋爐燃燒器改造的主要對(duì)象，改造技術(shù)通常包括煙氣再循環(huán)、空氣分級(jí)、燃燒器改造等。我國煤炭產(chǎn)量高，但煤炭成分比較復(fù)雜，性質(zhì)差異較大，運(yùn)用國外的技術(shù)易導(dǎo)致鍋爐結(jié)渣、飛灰中碳的含量較高等問題。如果采用空氣分級(jí)技術(shù)，將空氣分離出一部分輸送到鍋爐燃燒器的頂部作為燃盡風(fēng)，那么在主燃燒器的部分區(qū)域，煤粉燃燒可能導(dǎo)致具備缺氧而形成還原性氣氛，使得灰熔點(diǎn)降低，加劇水冷壁結(jié)渣。除此以外，鍋爐燃燒器局部缺氧使部分煤粉燃燒不充分，導(dǎo)致飛灰中可燃物質(zhì)含量上升，影響鍋爐燃燒效率。基于此，本次研究結(jié)合火電廠機(jī)組鍋爐的燃煤特性，決定選用雙尺度超低NOx 燃燒技術(shù)改造機(jī)組，因此，如何在有效控制氮氧化物NOx 排放的前提下同時(shí)降低鍋爐結(jié)渣、腐蝕、飛灰可燃物質(zhì)的含量，是燃燒器性能優(yōu)化是否成功的關(guān)鍵。

3 火電廠機(jī)組鍋爐燃燒器性能優(yōu)化方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 性能優(yōu)化方案

圖1 為經(jīng)過性能優(yōu)化的鍋爐燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 鍋爐燃燒器性能優(yōu)化示意圖

該方案的主要特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。

（1）重置燃燒器，除A 層的一次風(fēng)繼續(xù)使用等離子燃燒器之外，B 層、C 層、D 層、E 層、F 層的一次風(fēng)噴口均使用中間帶有穩(wěn)燃鈍體的燃燒器。

（2）優(yōu)化了假想切圓的燃燒方式，一次風(fēng)射流在鍋爐內(nèi)形成兩個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的切圓，二次風(fēng)射流、一次風(fēng)射流偏置7°，順時(shí)針切入構(gòu)成橫向空氣分級(jí)。

（3）優(yōu)化了主燃燒器風(fēng)量分配以及一、二次風(fēng)噴口面積，使一次風(fēng)速滿足煤粉燃燒特性要求，減少二次風(fēng)量，選用新型二次風(fēng)室，使主燃燒器區(qū)域形成欠氧燃燒氛圍。

（4）優(yōu)化各層的燃燒器標(biāo)高、間距，在現(xiàn)有主燃燒器上部空間增設(shè)第七層分離燃盡風(fēng)SOFA 噴口，分配足夠的SOFA 燃盡風(fēng)量，形成超大還原區(qū)；將燃燒器區(qū)域的欠氮環(huán)境劃分為兩個(gè)亞層，用CD 二次風(fēng)分開，以確保這兩個(gè)亞層的燃燒火焰剛度，確保煤粉燃燒穩(wěn)定高效，實(shí)現(xiàn)NOx 低排放的目標(biāo)。

（5）在兩層的噴口間、燃盡風(fēng)室兩邊設(shè)置貼壁風(fēng)，在還原區(qū)設(shè)置WA 貼壁風(fēng)。

（6）燃盡風(fēng)燃燒器可整體上下擺動(dòng)，使還原區(qū)的大小能夠靈活調(diào)整。

3.2 技術(shù)優(yōu)化路徑

（1）設(shè)置大小可調(diào)的超大還原區(qū)。本次研究的600MW鍋爐燃燒器性能優(yōu)方案中設(shè)置了高度達(dá)9m 的超大還原區(qū)，設(shè)計(jì)超大還原區(qū)主要有以下三點(diǎn)原因：①燃煤優(yōu)異的燃燒性能，需要比常規(guī)設(shè)計(jì)高lm 空間；②其中有一部分還原空間通過壓縮主燃燒器區(qū)域獲得。③燃燒器設(shè)有上下擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得還原區(qū)大小可調(diào)。

（2）壓縮主燃區(qū)。在實(shí)際情況下，鍋爐內(nèi)部的煤粉將迅速達(dá)到著火溫度。而煤粉燃燒火焰?zhèn)鞑タ?，揮發(fā)分、焦炭也可以快速著火。而煤粉燃燒的熱量主要來自焦炭，焦炭燃燒時(shí)間占到煤粉燃燒總時(shí)間的90%。因此，要提高鍋爐燃燒效率可以提升燃盡區(qū)位置，從而得到足夠達(dá)的還原區(qū)，本次研究的方案在確保不改變最底層一次風(fēng)燃燒器標(biāo)高的前提下，將最頂層一次風(fēng)向下移動(dòng)1.86m 左右，通過壓縮主燃區(qū)增加還原區(qū)，使煤粉的燃盡時(shí)間增加了0.3s，使煤粉的燃燒更加充分，減少NOx 排放。

（3）多用途節(jié)點(diǎn)功能區(qū)。節(jié)點(diǎn)功能區(qū)是將相鄰兩層一次風(fēng)燃燒器設(shè)計(jì)為濃淡相反的雙出口，形成濃濃相對(duì)的局部極富燃料區(qū)；在濃相中的煤粉濃度高，空氣少，揮發(fā)分較多，更容易著火。而一次風(fēng)為下濃上淡，顆粒較粗的煤粉燃燒時(shí)會(huì)下壓趨勢(shì)，有助于增加煤粉的燃燒時(shí)間。兩層一次風(fēng)噴口間中心二次風(fēng)、一次風(fēng)小角度偏置，濃煤粉和熱煙氣混合，高溫貧氧煙氣使煤粉迅速著火，在欠氧環(huán)境下充分燃燒，揮發(fā)分快速進(jìn)行還原反應(yīng)，在不影響煤粉燃燒效率的前提下，達(dá)到減少NOx 生成的目的；與此同時(shí)，可以在中心二次風(fēng)兩邊設(shè)置貼壁風(fēng)噴口，構(gòu)成橫向空氣分級(jí)，同時(shí)在壁面構(gòu)成保護(hù)膜，對(duì)爐壁起到保護(hù)作用。這樣的節(jié)點(diǎn)功能區(qū)使煤粉風(fēng)室、空氣風(fēng)室的布置更加合理，同時(shí)還具備燃燒穩(wěn)定、NOx 排放低，防高溫腐蝕等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（4）低阻力均衡輸配大風(fēng)箱。根據(jù)空氣分級(jí)技術(shù)可以將燃燒空間分為主燒區(qū)、還原區(qū)、燃盡區(qū)。因此，怎么才能將足量的二次風(fēng)輸送至燃盡區(qū)是本次研究的超低NOx 燃燒技術(shù)的核心。為了達(dá)到這個(gè)目的，本次方案設(shè)計(jì)了低阻力均衡輸配整體風(fēng)箱，貼著鍋爐兩面墻向上延伸至燃盡區(qū)，連接燃盡區(qū)的燃燒器。低阻力均衡輸配整體風(fēng)箱的通流面積是四角風(fēng)箱通流面積的5 倍左右，風(fēng)箱阻力為四角風(fēng)道阻力1/25～1/30，使得風(fēng)箱構(gòu)成等壓大空間，確保燃盡區(qū)隨時(shí)都有足量的二次風(fēng)，進(jìn)而使煤粉燃燒更加充分，減少NOx 生成。

（5）多噴口多角度調(diào)節(jié)燃盡風(fēng)噴口?？諝夥旨?jí)后超過1/3 的二次風(fēng)作為燃盡風(fēng)由SOFA 噴口進(jìn)入爐內(nèi)，爐膛下方的主燃燒器區(qū)處于嚴(yán)重缺氧氛圍。為了使煤粉燃燒更加充分，本方案除下移主燃器之外，采用可靈活擺動(dòng)、多層SOFA 噴口設(shè)計(jì)，依據(jù)燃盡區(qū)CO 分布調(diào)節(jié)燃盡風(fēng)的角度，結(jié)合實(shí)際情況，向爐膛內(nèi)部的不同區(qū)域送風(fēng)，使煤粉燃燒更加充分，同時(shí)控制爐膛出口煙溫，在減少NOx 排放的基礎(chǔ)上，提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。

（6）統(tǒng)一橫向、縱向多分區(qū)。本方案采用兩組節(jié)點(diǎn)功能區(qū)在主燃區(qū)劃分出兩個(gè)亞區(qū)，使得主燃區(qū)存在氧化、還原交替存在區(qū)，NOx 的燃燒被有效抑制并初步還原，這是雙尺度燃燒技術(shù)的主要特點(diǎn)。橫向區(qū)域，燃燒器一、二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向相反，并由一定角度的偏斜，在鍋爐內(nèi)部構(gòu)成切圓，再輔之以貼壁風(fēng)，形成“粉包風(fēng)”“風(fēng)包粉”。“粉包風(fēng)”區(qū)域煤粉燃燒迅速，“風(fēng)包粉”貼近鍋爐壁的區(qū)域形成低顆粒濃度、低溫度水平，既能強(qiáng)化煤粉燃燒，有能保持水冷壁清潔，有效NOx 生成。在欠氧條件下煤粉燃燒得到加強(qiáng)，焦炭燃盡，在降低NOx 排放的同時(shí)，保證鍋爐效率。

（7）低負(fù)荷低NOx 排放技術(shù)。本方案通過減少二次風(fēng)噴口、壓縮主燃區(qū)等措施，使鍋爐低負(fù)荷狀態(tài)下主要燃燒區(qū)的進(jìn)風(fēng)量、煤粉量匹配合理；低阻力的貼壁大風(fēng)箱使得燃盡區(qū)的風(fēng)量充足，使低負(fù)荷狀態(tài)下的鍋爐依然具備良好的燃燒性能，NOx 排放得到有效的控制。

4 結(jié)語

綜上所述，火電廠機(jī)組鍋爐燃燒時(shí)排放的NOx 會(huì)污染環(huán)境，對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。因此，必須重視超低NOx燃燒技術(shù)的研究，以便有效控制火電廠鍋爐燃燒時(shí)的NOx排放。