滿承波，高 超，歐陽子區(qū)，潘清波，田繼林，劉敬樟，朱建國

（1.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100045；3.中國科學院潔凈能源創(chuàng)新院，遼寧 大連 116023；4.兗礦中科清潔能源科技有限公司，山東 濟寧 273516；5.大同市煤炭清潔高效利用研究所，山西 大同 037305）

近年來，我國大型電站鍋爐已基本完成了超低排放改造，但隨著國家環(huán)保標準日趨嚴格，數(shù)量巨大、容量和技術(shù)水平參差不齊的燃煤工業(yè)鍋爐也面臨巨大的減排壓力[1-3]。目前國內(nèi)燃煤工業(yè)鍋爐主要依靠選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原（SNCR）等燃燒后煙氣處理技術(shù)實現(xiàn)NOx達標排放[4-5]，然而上述技術(shù)存在費用高、氨逃逸、影響燃燒效率、催化劑重金屬等二次污染問題[6]。因此，開發(fā)低NOx燃燒技術(shù)，在燃燒過程中降低NOx原始排放，是滿足環(huán)保需求、推動燃煤工業(yè)鍋爐技術(shù)提升的必然要求。

國內(nèi)外對于煤粉低NOx燃燒技術(shù)方向的研究主要集中在低NOx燃燒器和低NOx燃燒組織兩個方向。我國曾經(jīng)引進或正在使用的國外低NOx燃燒器包括美國B&W 公司的DRB/XCL 燃燒器[7]、FW公司的CF/SF 燃燒器[8]、CE 公司的WR 燃燒器[9]、日本日立-Babcock 公司的HT-NR 燃燒器[10]、三井-Babcock 公司的LNASB 燃燒器[11]；國內(nèi)研發(fā)的低NOx燃燒器包括清華大學“煤粉濃縮低氮燃燒器”[12]、西安交通大學“強回流低溫低氮燃燒器”[13]、哈爾濱工業(yè)大學“中心給粉徑向濃淡煤粉燃燒器”[14]、中國煤炭科學技術(shù)研究院“中心逆噴雙錐燃燒器”[15]、煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司“雙尺度低NOx燃燒技術(shù)”等。上述技術(shù)在研發(fā)人員的不斷優(yōu)化改進下，國內(nèi)煤粉工業(yè)鍋爐的NOx原始排放已經(jīng)可以降低至200 mg/m3，其中西安交通大學開發(fā)的低NOx旋流燃燒器在30 t/h 煤粉工業(yè)鍋爐上實現(xiàn)了NOx原始排放156 mg/m3[16]。

國內(nèi)外對低NOx燃燒組織技術(shù)的研發(fā)則出現(xiàn)了多種路線。全俄熱工研究院[17]、西安交通大學[18]、華中科技大學[19]開發(fā)了使用氣體燃燒先加熱煤粉并初步脫氮后再配風燃燒的技術(shù)路線，德國RWTH Aachen University 研發(fā)了煤粉無焰燃燒技術(shù)[20]，這兩種技術(shù)相互配合，實現(xiàn)了NOx原始排放200～400 mg/m3。西安交通大學開發(fā)的另一技術(shù)路線的低NOx旋流燃燒器在燃燒器尾部增加了耐火材料保溫的預(yù)燃室[21]，通過煤粉的預(yù)燃燒和脫氮實現(xiàn)降低NOx效果。

近幾年發(fā)展起來的低NOx燃燒組織技術(shù)大多開始采用初期預(yù)熱后再燃燒的技術(shù)理念，取得了較好的降氮效果。中國科學院工程熱物理研究所早在2004年即提出了預(yù)熱燃燒技術(shù)[22]，煤粉等燃料在循環(huán)流化床型式的燃燒器先進行預(yù)熱并脫除部分燃料氮，再通入爐膛通過分級燃燒進一步控制NOx生成，進而實現(xiàn)低NOx排放。該技術(shù)已在30 kW 小試實驗臺和2 MW 中試實驗臺上分別實現(xiàn)了31 mg/m3[23]和67 mg/m3[24]的NOx原始排放，降氮效果顯著，具有良好的工程化應(yīng)用前景[25]。

本文介紹采用上述預(yù)熱燃燒技術(shù)的40t/h煤粉工業(yè)鍋爐的設(shè)計、建設(shè)、調(diào)試情況，并通過工業(yè)試驗研究了預(yù)熱燃燒技術(shù)的工業(yè)化放大規(guī)律和實現(xiàn)低NOx排放的參數(shù)調(diào)整原則。

1 鍋爐設(shè)計

1.1 設(shè)計依據(jù)

中國科學院工程熱物理研究所提出的預(yù)熱燃燒技術(shù)，將煤粉的燃燒分為2 個階段：第1 階段為預(yù)熱階段，將煤粉通入流化床型式的預(yù)熱燃燒器中，通入較低當量比的空氣，煤粉在預(yù)熱燃燒器中發(fā)生部分燃燒反應(yīng)生成焦炭和煤氣的混合物，反應(yīng)放出熱量將燃料自身加熱至800 ℃以上；第2 階段為燃燒階段，將預(yù)熱產(chǎn)生的高溫焦炭與煤氣混合物送入爐膛，與空氣混合進行燃燒，實現(xiàn)燃料的燃盡。

傳統(tǒng)的煤粉燃燒技術(shù)中，NOx的生成主要通過3 條主要路徑：1）空氣中的N2在1 500 ℃以上溫度下轉(zhuǎn)化為熱力型NOx；2）煤中揮發(fā)分氮先轉(zhuǎn)化為前驅(qū)物HCN 和NH3，然后在氧化性氣氛下被氧化為NOx；3）煤中焦炭氮高溫析出后被氧化為NOx。

預(yù)熱燃燒技術(shù)構(gòu)建了煤中燃料氮轉(zhuǎn)化的新路徑：1）煤中揮發(fā)分氮在預(yù)熱燃燒器中析出并轉(zhuǎn)化為HCN 和NH3，但由于析出反應(yīng)發(fā)生在預(yù)熱燃燒器提供的高溫強還原性氣氛下，因此這些前驅(qū)物不會轉(zhuǎn)化為NOx；2）煤中焦炭氮在預(yù)熱燃燒器和爐膛中均會發(fā)生析出，預(yù)熱裝置中析出的焦炭氮在強還原性氣氛下發(fā)生向N2的轉(zhuǎn)化，未析出的焦炭氮通過高溫燃料噴口技術(shù)和深度分級控制技術(shù)在爐膛內(nèi)大部分轉(zhuǎn)化為N2；3）通過熱燃料全爐膛調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)無明顯高溫區(qū)的全爐膛空間燃燒，最高燃燒溫度不高于1 200 ℃，避免了熱力型NOx的生成。本研究依托的40 t/h 鍋爐采用了預(yù)熱燃燒技術(shù)進行設(shè)計，并遵循預(yù)熱燃燒的降氮理念開展調(diào)試和試驗，力爭實現(xiàn)高效燃燒和低NOx排放的協(xié)同控制。

1.2 設(shè)計參數(shù)

某40t/h煤粉工業(yè)鍋爐使用的燃料為神木煙煤，其工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量見表1，鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表1 燃料分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of the coal

表2 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Tab.2 Main design parameters of the boiler

1.3 工藝流程

該鍋爐為過熱蒸汽鍋爐，額定蒸汽量為 40 t/h、額定溫度和壓力分別為450 ℃、3.82 MPa，設(shè)計燃料消耗量為4 734 kg/h。鍋爐的工藝流程如圖1所示。主要包括煤粉儲供系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)、水系統(tǒng)、點火燃燒系統(tǒng)和尾部煙氣處理系統(tǒng)。

圖1 鍋爐工藝流程Fig.1 Technical process of the boiler

煤粉儲供系統(tǒng)包括煤粉儲備和煤粉輸送系統(tǒng)。煤粉儲存在2 個100 m3的煤粉倉中，煤粉倉設(shè)置惰性氣體安全保護裝置。供粉時煤粉通過給粉機落入送粉管，由送粉風攜帶送入預(yù)熱燃燒器。為了確保鍋爐的穩(wěn)定運行，儲倉和輸送系統(tǒng)均設(shè)置2 套，一用一備。

煤粉在預(yù)熱燃燒器中與一次風、送粉風混合后實現(xiàn)流態(tài)化高溫預(yù)熱反應(yīng)，形成高溫煤氣和焦炭混合的高溫預(yù)熱燃料。高溫預(yù)熱燃料從預(yù)熱燃燒器流出后經(jīng)過一段連接段進入爐膛，由于預(yù)熱燃料溫度高于800 ℃，因此預(yù)熱燃燒器和連接段均采用耐火保溫材料制成，控制外表面溫度＜60 ℃，預(yù)熱和輸送過程完全密封，可保證析出的煤氣和焦炭全部進入爐膛參與燃燒，因此不會造成煤粉的熱值損失和散熱損失，即不會因為預(yù)熱而造成經(jīng)濟性降低。

二次風和三次風均經(jīng)過高溫空氣預(yù)熱器和低溫空氣預(yù)熱器預(yù)熱，預(yù)熱后的二次風從爐膛底部配入，與高溫預(yù)熱燃料混合進行燃燒；三次風分2 層在爐膛4 000 mm、8 000 mm 2 個高度位置水平送入爐內(nèi)，用于實現(xiàn)煤粉燃盡。燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣經(jīng)余熱回收及廢氣處理系統(tǒng)后由引風機送至煙囪。再循環(huán)煙氣從袋式除塵器后面抽出，在必要時送入爐底，與二次風混合進入爐膛，以調(diào)節(jié)燃燒溫度和NOx排放。

1.4 爐膛配風

傳統(tǒng)煤粉燃燒時，煤粉進入爐膛的溫度較低，小型工業(yè)煤粉鍋爐一次風溫一般不高于200 ℃，采用熱風送粉的鍋爐一次風溫度一般為300～400 ℃。傳統(tǒng)煤粉燃燒器在噴口區(qū)域須構(gòu)建“三高”區(qū)，即高溫、高煤粉濃度、較高氧濃度，煤粉射流卷吸高溫煙氣帶來熱量加熱低溫的煤粉，使其在較高氧濃度下實現(xiàn)穩(wěn)定的著火和燃燒?！叭摺敝械母邷睾洼^高氧濃度，均對NOx的生成起到一定的促進作用，因此一直以來煤粉的“高效穩(wěn)定燃燒”和“低NOx”都是一對矛盾體，很難同時實現(xiàn)。因此研究人員提出了空氣分級技術(shù)，力圖在噴口區(qū)域建立還原區(qū)以降低NOx，但目前最低只能將噴口區(qū)域的空氣當量降至0.8，否則將影響燃燒穩(wěn)定性。

40 t/h 鍋爐煤粉預(yù)熱為基礎(chǔ)，煤粉在預(yù)熱燃燒器中經(jīng)過高溫預(yù)熱，進入爐膛時溫度達到800 ℃以上，已高于自身著火點，無需強烈摻混即可實現(xiàn)著火和穩(wěn)燃。另外，煤粉在預(yù)熱燃燒器中通過預(yù)熱實現(xiàn)了的燃料改性，煤粉的孔隙增加，反應(yīng)活性提高[23]，更加有利于著火和燃盡。因此，采用預(yù)熱燃燒技術(shù)可擺脫傳統(tǒng)煤粉燃燒的穩(wěn)燃和燃盡要求限制，無需建立“三高”區(qū)，可以更靈活地進行燃燒組織?；谏鲜隼砟?，本文提出二次風在爐膛底部預(yù)熱燃料噴口四周均勻配入，三次風分上下2 層配入。二次風當量比可在0.2～0.6 靈活調(diào)節(jié)，主燃燒區(qū)總空氣當量比最低可低至0.4，依然有望實現(xiàn)良好的著火和穩(wěn)燃效果。

2 鍋爐運行情況

作為世界首臺用于發(fā)電的基于預(yù)熱燃燒技術(shù)路線的煤粉鍋爐，該鍋爐建成后首先進行了調(diào)試，驗證了系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

需要指出的是，本文介紹的鍋爐運行數(shù)據(jù)均為工況連續(xù)穩(wěn)定運行24 h 后，連續(xù)4 h 測量的平均值，溫度數(shù)據(jù)記錄間隔為1 min，煙氣成分數(shù)據(jù)記錄間隔為5 min。

2.1 燃燒器運行情況

40 t/h 鍋爐的燃燒器為循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)的預(yù)熱燃燒器。送粉風攜帶煤粉進入燃燒器，一次風提供床料和燃料的流化所需空氣，送粉風和一次風共同提供了預(yù)熱燃燒器內(nèi)煤粉化學反應(yīng)所需氧氣，二者總的空氣當量比不高于0.2。在最初升溫引燃過程完成后，煤粉可以穩(wěn)定地實現(xiàn)自持預(yù)熱。預(yù)熱燃燒器中設(shè)置4 個K 型熱電偶，分別位于預(yù)熱燃燒器提升管的底部、中部和上部，另一個在U 型返料器內(nèi)。在168 h運行考核過程中，鍋爐按照考核要求在90%以上負荷運行，4 個點測得的溫度曲線如圖2所示。由圖2 可以看出，在運行過程中，4 個溫度點溫度相近且曲線平滑，說明預(yù)熱燃燒器運行穩(wěn)定、溫度均勻，反映出循環(huán)流化床內(nèi)物料循環(huán)正常，證明了0.2 左右的空氣當量比可保證煤粉發(fā)生部分燃燒、氣化、熱解等反應(yīng)所放出的總熱量將煤粉穩(wěn)定連續(xù)地預(yù)熱至900 ℃左右。

圖2 預(yù)熱燃燒器內(nèi)的溫度變化（168 h）Fig.2 Temperature changes in the preheating burner(168 h)

2.2 爐膛運行情況

鍋爐爐膛中沿高度方向布置了9 個溫度測點，168 h 運行過程中（負荷90%），測得爐膛內(nèi)的各點溫度時間均值分布如圖3所示。從圖3 可以看出，爐膛內(nèi)溫度在650～950 ℃，最高溫度未超過1 000 ℃。傳統(tǒng)煤粉鍋爐主燃燒區(qū)的火焰中心溫度一般超過1 400 ℃，較高的燃燒溫度是為了促進煤粉燃盡，但也容易促進熱力型NOx的生成。該鍋爐較傳統(tǒng)煤粉鍋爐內(nèi)的溫度明顯偏低，主要原因是該鍋爐的爐膛采取了較為均勻的配風方式，較低的爐膛溫度基本杜絕了熱力型NOx的生成。168 h 內(nèi)煙氣平均氧體積分數(shù)為3.68%，CO 平均質(zhì)量濃度為117 mg/m3，驗證了本鍋爐均勻的爐膛布風方式能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐的穩(wěn)定運行。

圖3 爐膛內(nèi)沿高度方向溫度分布Fig.3 Temperature distribution in the furnace along the height direction

3 低NOx 試驗

本研究在40 t/h 鍋爐上開展了工程試驗，探討了鍋爐負荷、二次風當量比、內(nèi)外二次風比例、三次風配入位置等因素對NOx排放的影響，本文的NOx原始排放均按照氧體積分數(shù)6%進行折算。

3.1 二次風當量比對NOx 的影響

圖4 為不同二次風當量比條件下的NOx排放情況。各工況均是在60%負荷、預(yù)熱空氣當量比0.2，只開啟上層三次風的條件下進行。從圖4 可以看出，各工況排放最低的點在二次風當量比0.41，可以推測NOx排放最低的二次風當量比區(qū)間在0.35～0.50，可能在0.40 左右。造成這一現(xiàn)象的原因可能是在0.40 左右的二次風當量比下，爐膛底部能夠維持合理的還原區(qū)氣氛，同時足夠高的燃燒份額可以提供NOx還原所需要的足夠高的溫度。當二次風當量比提高時，還原區(qū)的還原性氣氛減弱，可能出現(xiàn)更多的局部氧化性氣氛；當二次風當量比降低時，盡管還原氣氛更強，但還原區(qū)的溫度不夠高，還原反應(yīng)減弱。因此，比此最佳值更高或者更低的二次風當量比都無法獲得最低的NOx排放。

圖4 不同二次風當量比下的NOx 原始排放質(zhì)量濃度Fig.4 The original NOx emission mass concentrations at different secondary air ratios

3.2 內(nèi)外二次風比例對NOx 的影響

本鍋爐的二次風配風形式與傳統(tǒng)煤粉燃燒器不同，預(yù)熱燃料噴口位于爐膛底部中心，將預(yù)熱燃料從下向上噴入爐膛，二次風在噴口四周由4 根風管均勻配入爐膛，其中靠近噴口的2 根為內(nèi)二次風，遠離噴口的為外二次風，內(nèi)外二次風均可以單獨調(diào)節(jié)和控制風量（圖5）。

圖5 二次風配風形式Fig.5 The secondary air distribution mode

圖6 為內(nèi)外二次風不同配比下的NOx排放情況。各工況均是在60%負荷、預(yù)熱空氣當量比為0.2，二次風當量比約為0.4，三次風開啟上下2 層的條件下進行。從圖6 可以看出，外二次風比例越高，NOx排放質(zhì)量濃度越高，即內(nèi)二次風較外二次風更有利于降低NOx排放量。這是由于噴口區(qū)域的總空氣當量比在0.6～0.7，屬于還原性氣氛，但如果預(yù)熱燃料和二次風摻混不佳，依然可能出現(xiàn)局部氧化區(qū)，不利于抑制NOx生成，而二次風距離噴口較近，有利于燃料與二次風的摻混，外二次風距離預(yù)熱燃料噴口過遠，無法及時摻混，摻混不均勻容易造成局部氧化區(qū)，對NOx的生成無法起到足夠的抑制作用。

圖6 不同內(nèi)外二次風配比的NOx 原始排放質(zhì)量濃度Fig.6 The original NOx emission mass concentrations with different secondary air distributions

3.3 三次風配入位置對NOx 的影響

本鍋爐的三次風分2 層配入，分別在噴口以上4 000 mm 和8 000 mm 高度的位置，三次風配入位置的變化將改變爐內(nèi)還原區(qū)的高度，對NOx的生成也有一定影響。本研究分別開展了2 個不同三次風配入位置工況的對比研究，其中工況1 的三次風在4 000 mm 和8 000 mm 配入，工況2 的三次風只在8 000 mm 配入，兩者的NOx原始排放質(zhì)量濃度分別為178 mg/m3和90 mg/m3。這說明當三次風延遲配入爐膛時，在爐膛內(nèi)造成了更大區(qū)域的還原區(qū)，更加有利于降低NOx排放。

3.4 鍋爐負荷變化對NOx 的影響

圖7 為3 種不同負荷下鍋爐的NOx原始排放質(zhì)量濃度。由圖7 可以看出，NOx原始排放質(zhì)量濃度隨鍋爐負荷的提高而逐漸升高，這主要是由于鍋爐負荷升高后，爐膛內(nèi)的燃料和空氣摻混均勻性變差所致。

圖7 不同鍋爐負荷下的NOx 原始排放質(zhì)量濃度Fig.7 The original NOx emission mass concentrations at different operating loads

3 個工況雖然負荷不同，但預(yù)熱燃燒器內(nèi)的脫氮效果是相同的。這是由于預(yù)熱燃燒器的運行溫度與空氣當量比是相對應(yīng)的，要保持良好的預(yù)熱改性和脫氮效果，就必須將預(yù)熱燃燒器內(nèi)的溫度維持在800 ℃以上，而決定預(yù)熱溫度的，是煤粉與空氣發(fā)生反應(yīng)的燃燒份額，因此在不同鍋爐負荷下，保持相同的預(yù)熱空氣當量比，其脫氮效果也就基本保持一致。

3 個工況不同的是爐膛內(nèi)預(yù)熱燃料與空氣的摻混情況。在不同的工況下，燃料量和空氣量均有所不同，負荷越高預(yù)熱燃料量越大，燃料與空氣的摻混就越難達到均勻，就會在整體還原性氣氛中形成局部氧化性氣氛，導(dǎo)致NOx的生成。但即使在100%負荷下，本鍋爐依然實現(xiàn)了119 mg/m3以下的NOx原始排放，這說明預(yù)熱燃燒系統(tǒng)盡管受到諸多參數(shù)的影響，但其在降低NOx排放方面，較傳統(tǒng)煤粉燃燒方式仍然有明顯優(yōu)勢。

3.5 鍋爐熱效率和NOx 排放

NOx與鍋爐熱效率尤其是CO 的質(zhì)量濃度有較為緊密的聯(lián)系，若CO 質(zhì)量濃度過高，則NOx的排放數(shù)據(jù)參考意義將大打折扣。本文測試了3 個不同負荷工況的鍋爐熱效率和CO 質(zhì)量濃度，結(jié)果見表3。由表3 可見，3 個工況的鍋爐熱效率都在92%以上，CO 質(zhì)量濃度在350 mg/m3以下，NOx原始排放質(zhì)量濃度<119 mg/m3的結(jié)果是在較高的鍋爐熱效率和較低的CO 質(zhì)量濃度下獲得的，說明預(yù)熱燃燒技術(shù)的降氮效果可以在不犧牲鍋爐效率的前提下獲得。

表3 鍋爐熱效率和NOx 排放質(zhì)量濃度Tab.3 The boiler thermal efficiency and NOx emission mass concentration

4 結(jié)論

1）某40t/h煤粉預(yù)熱燃燒鍋爐的NOx排放隨鍋爐負荷的提高而逐漸升高，能夠在50%～100%負荷實現(xiàn)NOx原始排放質(zhì)量濃度低于119 mg/m3（φ(O2)=6%），同時滿負荷熱效率可達到92%以上。

2）在鍋爐目前的設(shè)備狀態(tài)和二次風配風組織形式下，NOx排放存在1 個最優(yōu)的二次風當量比區(qū)間，在0.35～0.50 范圍內(nèi)。

3）加強預(yù)熱燃料和二次風的摻混，如提高內(nèi)二次風比例降低外二次風比例，有利于降低NOx排放。

4）開啟上層三次風關(guān)閉下層三次風，即延遲三次風配入，有利于降低NOx排放。