锅炉NOx排放控制技术及应用

曹定华，刘海洋

(内蒙古华电包头发电有限公司，内蒙古 包头 014013)

0 引言

近期，由于煤电供需状况越来越紧张，造成发电用煤煤质差且煤质多变，常常引起锅炉燃烧不稳定;同时，由于煤质多变，硫、氮的质量分数非常不稳定，对锅炉燃烧调整提出了严峻挑战。

内蒙古华电包头发电有限公司(以下简称华电包头发电公司)一期工程锅炉为亚临界、中间一次再热、平衡通风、单炉膛、悬吊式、燃煤控制循环汽包炉。采用正压直吹式制粉系统，每台炉共配置6台ZGM113G型中速辊式磨煤机。燃烧器为摆动式直流燃烧器，采用四角布置、切向燃烧、宽调节比、上/下浓淡分离技术。

1 问题的提出

燃烧优化的目的是降低锅炉各项损失，通过强化燃烧可提高锅炉效率，而抑制NOx的排放量需要控制锅炉炉膛温度，这2方面在一定程度上是互相矛盾的。提高燃烧稳定性和燃烧效率的重要措施之一是提高燃烧区域温度，但又容易引起结渣和高温腐蚀，还使NOx排放量增加;降低NOx排放量的有效措施是提高燃烧区域的煤粉浓度，推迟混合，但又不利于防止结渣，且可能影响燃烧效率。因此，同时解决这些问题是锅炉燃烧调整的关键技术。

2 NOx生成机制

按照NOx的生成机制，NOx包括空气中的N2经高温氧化生成的热力型NOx、燃烧中氮化物通过挥发分的气相反应和焦炭的多相反应而生成的燃料型NOx。

研究表明，在煤粉燃烧的温度范围内(低于2000 K)主要生成燃烧型NOx，占NOx总生成量的75% ～80%。在生成的燃烧型NOx中，煤受热分解后，挥发分中的氮化合物主要是HCN和NHi(i=0，1，2，3)，它们与氧反应生成的NOx占燃烧型NOx总量的60%～80%，其余的为焦炭中N在燃烧时转变成的 NOx。

3 不同结构的燃烧器对NOx的影响

3.1 浓淡分离技术对NOx的影响

华电包头发电公司2023t/h锅炉配备的燃烧器采用弯头式分离器加变异板技术，分离原理是利用扇状流线型挡块撞击煤粒，在惯性离心力和重力作用下对煤粉颗粒进行导向分离，实现煤粉气流的浓缩和分流，以达到煤粉浓淡分离的目的。撞击式煤粉浓淡分流器示意图如图1所示。

图1 撞击式煤粉浓淡分流器

煤粉浓度的调整是通过改变挡块高度来实现的。当挡块转动使其高度发生变化时，浓淡分离效果是不同的，这样可达到煤粉浓度连续可调的目的。所以，挡块的“安装角度”非常重要。

分离装置把一次风在垂直方向上分成上、下2股浓淡气流，再通过出口变异板保证了浓粉始终在上部、淡粉始终在下部，即“垂直浓淡燃烧技术”。采用浓淡燃烧技术，可在燃烧器出口局部形成富燃料区域，造成还原性气氛，抑制 NOx的生成，能使NOx生成量大幅度减少。低NOx稳燃浓淡分离燃烧器如图2所示。

浓煤粉气流由于着火稳定性得到改善，挥发分析出速度加快，进一步使挥发分析出区缺氧，使已形成的NOx与NHi反应生成N2，并使NHi相互反应，从而达到降低NOx排放的目的;另外，由于富燃料燃烧区形成缺氧燃烧，区域温度降低，抑制了热力型NOx的生成量。而淡煤粉气流是贫燃料燃烧，使燃烧温度降低，也抑制了NOx的形成。

事实上，单纯提高煤粉气流中的煤粉浓度，也可以达到稳燃和低NOx排放的效果。所以说，这种上、下浓淡分离的燃烧器客观上具有降低NOx生成量的特点。

图2 低NOx稳燃浓淡分离燃烧器

3.2 回火稳燃技术对NOx的影响

这种燃烧器在实现“垂直浓淡分离”后，在燃烧器出口布置了船形稳燃钝体(如图2所示)，用以回火卷吸高温烟气，从根部预加热煤粉，达到稳燃的目的。

因此，这种燃烧器具有“浓淡燃烧+稳燃体”双稳燃技术的特点，可确保低负荷下具有良好的稳燃效果。这样，在稳定燃烧的炉膛区域能够保证炉膛温度相对较低，从而抑制NOx的生成。

3.3 配风技术对NOx的影响

根据燃烧器二次风喷口设计特性，可以灵活组织燃烧器配风。若燃料含氮量低于设计标准，可以用常规均等配风或者倒塔形配风来促进燃烧;而燃烧含氮量超过设计值时，可以组织分级配风，即垂直方向空气分级配风技术。

一般通过调整整组燃烧器顶部加装的燃尽风喷嘴的开度和摆动位置，使其风量占二次风总量的14%左右，作为降低NOx生成量的手段。根据燃用煤质情况的不同，二次风风量大小可沿高度实现不同的分级送风方式，既可保证煤粉燃尽，又达到了降低NOx生成量的目的。目前，空气分级燃烧的脱硝率一般为20%～30%。

图3、图4为华电包头发电公司#1，#2锅炉采用不同配风组合，进行控制NOx试验的配风模型对比图。试验中，对#1，#2锅炉采用不同配风方式的NOx质量浓度做了统计，见表1。

图3 #1锅炉采用均等配风方式

在图3中，#2锅炉在燃煤质中N的质量分数超过设计值(0.74%)，达到0.96%时，连续7 d采用分级配风方式，锅炉各项经济指标良好，脱硫出口NOx质量浓度平均为322.6 mg/m3;而同样的煤质，在#1锅炉采用传统均等配风的情况下，除锅炉各项经济指标无明显差别外，脱硫出口NOx质量浓度为378 mg/m3。所以，在保证燃烧器的制造和安装质量的基础上，适当改变配风方式，也能够抑制 NOx的生成。

图4 #2锅炉采用分级配风方式

表1 #1，#2锅炉采用不同配风方式的NOx质量浓度

4 抑制NOx生成技术的应用

依据上述分析，结合锅炉燃烧器特点，华电包头发电公司组织技术力量，在保证燃烧效率的前提下，摸索总结出一些抑制NOx生成的技术。

(1)校对氧量，摸索锅炉低氧量燃烧技术，将氧量控制在2.5% ～3.0%。2008年8月，#2锅炉大修后，华电包头发电公司对锅炉氧量表进行全面校对，保证了氧量表的准确性，通过试验摸索出一套较适合华电包头发电公司锅炉运行的低氧量配风调整技术。

(2)根据煤电市场状况，成立燃烧掺配机构，及时掌握燃料特性。在燃料中N的质量分数高于0.6%时，指导运行人员及时调整配风，通过调整燃烧器配风模型，改变炉内实际燃烧动力场分布，有效抑制NOx的产生。

(3)依据NOx化学结合条件采取分级配风方式，控制周界风不超过60%，人为降低中间层燃烧器的辅助二次风而实现“缺氧环境”，通过上层反切风补充燃尽氧量。同时，通过组织燃烧优化调整试验，较好地解决了燃烧经济性和污染物排放相矛盾的问题。

(4)一次风、煤比率的控制。理论上，在保障携出力的前提下，一次风量越低越利于燃烧控制;同时，在保障制粉系统消防安全的前提下，分离器出口温度越高越利于燃烧控制。在燃烧调整试验的基础上，华电包头发电公司确定了控制NOx的一次风标定系数，彻底治理磨煤机冷风系统的漏风缺陷，并给出了相对完整的运行指导书，保证了一次风、煤比率相对较好，有效减少了NOx的生成。

(5)大风箱与炉膛差压的控制。大风箱与炉膛差压的大小，对二次风卷吸一次风粉影响较大，必然影响炉内风粉混合及燃烧切圆的大小。根据试验结果，确定了在降低机组负荷时相应关小二次风小风门，维持二次风箱与炉膛差压不低于600 Pa;而在90%额定负荷以上时，二次风箱与炉膛差压维持在1.0 kPa左右。在燃烧调整优化试验中，重点进行了该调整试验，证明其调整有助于促进燃烧并抑制NOx生成。

(6)反切风的使用。OFA反切风主要做调整热偏差使用，否则需尽量关小，以减少在燃尽阶段N2和高温O2再次合成反应而产生新的NOx。所以，如最上层F磨煤机备用，尽量采用FF调整热偏差，保持OFA在较小开度。

(7)组织分级配风。从试验数据可以看出，根据“低NOx、稳燃、浓淡分离燃烧器”二次风喷口设计特性，在燃料含氮量低于设计标准时，可以用常规均等配风或者倒塔形配风来促进燃烧，而燃烧含氮量超过设计值时，可以组织分级配风，即垂直方向空气分级配风技术，对抑制NOx生成很有效。

(8)风粉在线装置的使用。华电包头发电公司在每台磨煤机出口粉管上安装了“风速、煤粉浓度”在线监控装置，能够直观地反映“风、煤比率”，从而发挥燃烧器上、下浓淡分离煤粉的特性，更好地实现节煤降耗、优化燃烧的目标。

(9)燃烧器的维护。遇到大、小修，认真检查并恢复变形的燃烧器，更换部分分离变异板损坏的燃烧器并重新校对燃烧器安装角度。在#2机组大修期间，对F/FF/OFA进行调整恢复，增强了燃烧器本身抑制NOx生成的能力;同时校正了部分燃烧器安装角度，如EF/FF/OFA的#2，#3角的角度偏离设计值较大(最大达8°)，使燃烧切圆变形，抑制NOx生成量的整体能力下降。

以上主要从“低NOx、稳燃、浓淡分离燃烧器”的特性以及运行维护技术方面进行探索，均未涉及环保新系统的技术改造方面。事实上，脱硝装置对减少NOx排放最有效，技术也越来越成熟。如果资金宽裕，可以考虑上脱硝装置。

5 结束语

发电厂在然用劣质、多变煤种时，污染物排放是一个必须面对的难题。通过对抑制NOx生成技术的探索和实践，华电包头发电公司#1，#2锅炉的NOx排放得到了有效控制。