煤粉炉低氮燃烧调整影响因素分析

煤粉炉低氮燃烧调整影响因素分析

申浪

612728199104111014

摘要：燃煤发电虽已是我国煤资源利用高效清洁方式，但因其基数大，仍是我国大气污染的主要排放源之一。当前我国面临越来越严峻的环境压力，为此国家陆续出台政策，进一步提高了燃煤电厂大气污染物的排放限值。

关键词：煤粉炉；低氮燃烧调整；影响因素

引言

煤粉炉生成NOx的原因十分复杂，不仅取决于锅炉布置型式、燃烧器结构、燃煤特性等因素，而且还与过量空气系数、锅炉负荷、煤粉细度、配风方式等因素有关。目前，通过燃烧调整降低NOx在理论方面已经较为成熟，然而针对燃烧系统实际运行方面的研究相对欠缺。

1煤粉炉低氮燃烧意义

NOx是大气主要污染物之一，其与碳氢化合物在强光下易造成光化学污染;NOx还是酸雨、臭氧、灰霾等污染形成的主要因素，对人类健康和生存环境造成严重危害。为贯彻落实GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》，2003年12月31日前建成投产的煤粉炉NOx排放质量浓度必须低于200mg/Nm3，之后建成的煤粉锅炉NOx排放质量浓度必须低于100mg/Nm3。目前早期建成的煤粉锅炉NOx产生浓度在500～800mg/Nm3，环保改造势在必行。煤粉炉的燃烧温度一般为1200～1500℃，由于炉内燃烧温度过高，导致NOx排放浓度较高，为500～800mg/Nm3。煤粉炉内水冷壁的炉墙围成一个较大空间即为炉膛，炉膛尺寸大，SNCR喷出的溶液很难深入到炉膛中心，无法均匀覆盖整个炉膛截面。与循环流化床锅炉相比，煤粉锅炉的出口没有旋风分离器，难以实现烟气和氨气的良好混合。对于环保标准出台以前建造的锅炉，设计时未预留脱硝改造的位置，改造难度大。目前新建的煤粉炉多采用低氮燃烧+SCR工艺，效率可达90%;但对年代久远的锅炉采用SCR难度较大，因SCR占地空间大，需要布置在尾部烟道与布袋除尘器之间，很多电厂不具备这样的条件。针对各种脱硝技术或者组合工艺技术，脱硝路线的选择综合考虑了锅炉现状、要求目标、经济效益等多方面的因素。

2低氮燃烧技术

2.1低氮燃烧基本原理

低氮燃烧技术基本原理主要是通过合理控制燃料及氧气在炉膛内的空间分配来实现的，主要包含如下两点[1]：（1）有效控制燃料富集区的氧气含量，使该区域处于贫氧燃烧状态，尽量抑制该区域煤粉燃烧产生的NOx量；（2）在非燃料富集区（主要是炉墙附近及炉膛上部）增大氧气供量，使这些区域达到富氧燃烧状态，以使煤粉得到彻底燃烧。锅炉燃烧产生的NOx主要有三种：热力型NOx、燃料型NOx和快速型氮氧化物。其中以热力型和燃料型NOx为主，约占95%。在低氮燃烧过程中，燃料富集区处于贫氧燃烧状态，燃烧温度较低，有效减小热力型NOx的生成；同时，在燃料富集区，处于富燃料状态，燃料释放的含氮中间产物HCN、NH3等会将NOx还原分解成N2，可抑制燃料型NOx生成。在非燃料富集区，未燃烬的燃料在富氧条件下充分燃烬，但由于该区域燃料量相对较少，空气量富足，火焰温度较低，NOx生成有限，总体来看，NOx总生成量是较少的，达到了低氮氧化物排放的目的。

2.2低氮燃烧技术

煤粉锅炉低氮燃烧技术主要通过控制燃烧条件和设计低氮燃烧器两方面来实现，目前主要体现在如下几方面：（1）分级燃烧技术煤粉锅炉分级燃烧技术主要有两种：空气分级燃烧和燃料分级燃烧。空气分级燃烧技术主要通过分级配风供给锅炉来实现，首先降低主燃烧区的空气供给量，主燃烧区处于贫氧燃烧状态，降低该区域氧含量及温度，进而降低NOx的产生量。由于主燃烧区氧气量不足，会导致其未完全燃烧，燃烧器上面适当位置设置燃尽风喷口，补充燃烧所需空气量，该部分空气再与主燃烧区上来的贫氧烟气混合，以完成整个燃烧过程。燃料分级燃烧主要是通过合理设置燃料喷入口，使燃料达到分级供给锅炉来实现。主燃烧器喷口附近形成初始燃烧区，然后再在主燃烧器的的上方喷入二次燃料，该区域将形成富燃料状态，在初始燃烧区形成的NOx将在该区域还原生成氮气，以达到降低NOx总体产生量的目的。当然，为了保证锅炉内燃料完全燃烧，炉膛内还设置燃尽风喷口，以保证二次燃料的彻底燃烧。

（2）低氮燃烧器

燃烧器是炉膛一个重要组成部分，燃料和空气主要都是通过燃烧器喷入炉膛进行燃烧的。根据NOx产生机理以及控制途径，可以通过合理设计燃烧器结构，使风煤比例达到合理空间分配，使燃烧过程同时达到空气分级和燃料分级的效果，最大限度地抑制炉膛内NOx生成量，使锅炉既能达到充分燃烧，又能达到低NOx排放水平。目前，主要的低氮燃烧器有空气分级低氮旋流燃烧器、空气/燃料分级低氮燃烧器和角置直流低氮燃烧器。

3试验结果分析

3.1氧量对NOx排放的影响

随着氧量的增大，NOx排放浓度增加，CO排放浓度降低。氧量由平均2.81%增加到3.15%，NOx排放量由205mg/Nm3增加到242mg/Nm3，增加了15.3%。CO排放量则由536μL/L降低到127μL/L。对于煤粉锅炉而言，燃料型NOx一般占锅炉总NOx排放量的80%～90%，热力型NOx一般占锅炉总NOx排放量的10%～20%左右。本锅炉燃烧改造后，炉膛稳定控制在1000℃左右，随着工况变化较为稳定，而热力型NOx的生成主要从1350℃开始，所以本次试验不考虑热力型NOx对锅炉总NOx排放量的影响，锅炉燃烧产生的NOx主要为燃料型NOx。而生成燃料型NOx的主要因素就是氧量。煤炭中的N元素主要以挥发分N和焦炭N的形式存在，挥发分N主要以NH3和HCN的方式析出。

3.2二次风对NOx排放的影响

随着二次风风门开度的增加，NOx的排放量线性增加，CO的排放量线性递减。这说明，随着二次风量的减少，主燃烧区形成了局部富燃区，氧量较低，抑制了燃料型NOx的生成，在锅炉上部由于燃尽风的投入，增强了燃料的分层燃烧。但由于主燃烧区燃烧不充分，致使烟气中CO含量增高，飞灰含碳量增高，降低了锅炉效率。

3.3燃尽风对NOx排放的影响

燃尽风风门开度对NOx和CO排放量影响较大。燃尽风风门由65%开大到100%，NOx排放量由195mg/Nm3减少到180mg/Nm3，CO排放量由334μL/L增加到μL/L。随着燃尽风风门挡板开度增加，NOx排放量呈下降趋势，其主要原因是燃尽风布置在煤粉主燃烧器区域上方，燃尽风量保证了锅炉后期燃尽所需的氧气，但是过度的增加燃尽风的比例，又会导致主燃烧器区域燃烧缺氧，引起锅炉热损失的增加，燃尽风的存在，增加了炉内的空气分级燃烧。

3.4一次风对NOx排放的影响

试验过程中，保证负荷稳定在970MW，炉膛出口氧量保持稳定，二次风和燃尽风风门开度不变，煤粉燃烧器磨煤机煤粉量平均为65t/h，入口一次风风量分别设为平均150t/h和平均170t/h两种工况。和CO排放量影响较大，磨煤机入口平均一次风量由150t/h增加到170t/h，NOx排放量由169mg/Nm3增加到203mg/Nm3，CO排放量由712μL/L减少到328μL/L。磨煤机入口一次风量减少，一次风中携带较多煤粉进入炉膛，造成主燃烧区氧量变化，在局部形成弱还原区域，直接还原烟气中NOx。煤粉随一次风进入炉膛后，挥发分受热会析出HCN、NHi、CHi等，烟气中的NO会与这些成分发生均相还原反应。煤粉受热析出气体后会生成焦炭，焦炭特有的孔隙结构具有一定的吸附能力，也可以起到还原NOx的作用。焦炭中的C与N都可以与烟气中的NO发生异相反应。所以NOx浓度随着一次风风量降低而降低。

结语

根据给定2台240t/h煤粉锅炉特点及原始运行情况，首先对当前燃煤锅炉脱硝技术进行了详细分析和比选，在此基础上确定了项目改造技术路线，并对改造工程主要内容进行了设计，经实际运行完全可达到预期目标;工程投资核算后，本改造工程单位造价约300元/kW，运行成本较低，可为同类型机组烟气脱硝改造运行提供借鉴。

参考文献

［1］俪建国．燃煤电厂烟气“超低排放”技术路线［C］．超临界机组技术交流2014年会．

［2］陈浩．锅炉低氮燃烧技术的应用与浅析［J］．科技专论，2012(19):318

［3］火力发电厂烟气脱硝设计技术规程:DL/T5480－2013［S］．

［4］燃煤烟气脱硝技术装备:GB/T21509－2008［S］．

［5］胡志杰，盛春. 480t/h 锅炉低氮燃烧系统改造及效果分析[J]. 江 苏电机工程，2010，29(5):66- 67.