电厂煤粉锅炉的低氮燃烧优化改造

常志国

(中国石化上海石油化工股份有限公司热电部， 200540)

电厂煤粉锅炉的低氮燃烧优化改造

常志国

(中国石化上海石油化工股份有限公司热电部， 200540)

阐述了在煤粉锅炉燃烧过程中氮氧化物(NOx)的产生机理和影响因素，结合煤粉锅炉改造，介绍了采用空气分级燃烧降低NOx排放的原理，并对试验结果进行了分析和讨论。实施空气分级燃烧改造后，煤粉锅炉的NOx排放量大幅减少，锅炉的主要性能参数指标得到提升，取得了良好的经济效益和环保效果。

煤粉锅炉 低氮燃烧 氮氧化物 空气分级燃烧

根据火力发电厂大气污染排放国家标准，第三时段燃用烟煤的锅炉氮氧化物(NOx)排放量不得超过450 mg/m3。由于技术改造的复杂性，该标准现阶段并未得到严格实施。“十二五”末上海市环保局将要实施新的《锅炉污染物排放标准》，将NOx的排放标准提高到不超过200 mg/m3。

中国石化上海石油化工股份有限公司热电部(以下简称热电部)目前有4台410 t/h煤粉锅炉，NOx实际排放量为800～1 100 mg/m3，如果使用热值较低的燃煤，NOx的排放量会更高，与2010年上海市执行标准要求的550 mg/m3排放标准存在很大差距。因此必须采取措施对NOx的生成和排放加以控制，实现电厂清洁化生产。

在控制煤粉锅炉NOx生成方面，主要采取以下两项技术:一是采用良好的炉内低氮燃烧方式，抑制NOx的生成;二是在锅炉的尾部烟道加装脱硝装置，把粉煤燃烧形成的NOx转化成无害的氮气和有用的氮肥。这两类控制技术各有利弊:前者的脱硝率相对低一些，但是由于投资小、运行费用低、使用方便，很适合在410 t/h煤粉锅炉上应用，而炉内空气分级燃烧技术就是一种很有效的炉内低氮燃烧控制手段。

1 NOx形成机理与控制原理

1.1 煤燃烧过程中的NOx形成机理［1－3］

在一般的燃煤锅炉燃烧温度下，煤燃烧生成的NOx中，一氧化氮占90%以上，二氧化氮占5% ～10%，而一氧化二氮只占1%左右。因此控制NOx的产生，主要就是抑制一氧化氮和二氧化氮的生成。

煤粉燃烧过程中产生的NOx有以下3种类型:空气中的氮气被高温氧化而生成的热力型NOx、燃料中的含氮化合物在燃烧过程中发生热分解继而进一步氧化生成的燃料型NOx以及空气中的氮与燃料中的碳氢离子团反应而生成的速度型NOx。

热力型NOx的生成速度随温度的增加呈指数增长。当温度低于1 500℃时，很少有NOx产生;而在超过1 500℃时，温度每升高100 K，其反应速率增加6～7倍。同时，热力型NOx反应对氧的供应量相当敏感，氮与氧的物质的量比为1.0时无热力型NOx生成;而在氮与氧的物质的量比为1.2时，热力型NOx生成量最高可达到NOx总量的15%。

就燃料型NOx的生成而言，从燃烧过程来看，煤燃烧是在一定环境下发生的剧烈氧化反应，反应过程中，温度和氧气的体积分数等条件对NOx的生成起着重要的作用。

煤粉在燃烧的过程中，NOx的产生量与燃烧方式及燃烧条件的关系最为密切，主要的影响因素有以下5个方面:(1)煤种的品质，如燃料煤中氮的质量分数和煤粉中的挥发分等;(2)炉内燃烧温度;(3)过剩空气因子α;(4)煤粉以及燃烧产物在炉内高温燃烧区的停留时间;(5)烟气中氧气、氮气、烃类、氮氢化合物及一氧化碳的体积分数。

根据燃烧试验数据分析，煤粉在燃烧过程中，燃烧温度以及燃烧中的氧气的供应量对NOx的生成起主要的作用，也就是说在剧烈的燃烧氧化反应下，燃烧温度和过剩空气因子是抑制NOx生成的主要因素。

1.2 空气分级燃烧技术［4］

在煤粉锅炉中，燃烧室的燃烧温度不超过1 400℃，从热力型NOx形成机制来看，该条件下热力型NOx的生成量很少，抑制燃料型NOx的生成才是控制NOx的主要手段。燃烧过程主要分为3个阶段，即燃料的预热阶段、着火阶段和燃料气化结束后固体剩余物的燃尽阶段。在煤粉的着火阶段，由于燃料发生剧烈氧化，燃烧温度迅速提高，燃料因热解而产生大量的挥发分，容易快速生成燃料型NOx。此时若氧气富余，根据NOx形成机理，燃料中的氮将迅速转化成一氧化氮;若氧气供应不足，则氮气的形成得到强化，从而抑制了一氧化氮的形成。

用比较文学的方法来研究鲁迅的作品，由来已久，从最早的上世纪20年代赵景深的影响研究的论文《鲁迅与柴霍夫》算起(注：柴霍夫，现译为契诃夫)，迄今已近百年，相关专著和论文已经是汗牛充栋。很早就有学者注意到俄苏文学对鲁迅创作的影响，之后，鲁迅同日本文学、德国文学、英国文学、东欧各国文学之间关联的学术论述也不断出现，对鲁迅的比较文学研究也蔚为大观。

炉内空气分级燃烧技术就是根据这一原理，通过改变送风方式，控制锅炉内空气的分布，使得过剩空气因子α小于1，煤粉在着火阶段处于缺氧状态，在燃烧器出口和燃烧中心区域形成还原性气氛，从而降低NOx的生成量，未燃尽的炭粒则在炉膛上部的燃尽区与燃尽风混合并完全燃烧，其中燃尽风由主燃空气分流而来，并通过炉膛上部的燃尽风喷口喷入燃尽区。

图1为锅炉空气分级燃烧方式示意。

图1 空气分级燃烧方式示意

2 改造措施及其效果

2.1 设备概况

热电部的煤粉锅炉是北京巴布科克·威尔科克斯公司生产的B＆WB－410/9.8－M型锅炉，为单汽鼓自然循环、Π型布置，炉膛由直立膜式水冷壁组成，炉膛出口设有蒸汽过热器，对流竖井烟道设有省煤器和空气预热器(二级交叉布置)，锅炉正四角设有直流燃烧器，组成切圆燃烧，并配备2台钢球式磨煤机的中间储仓式制粉系统。

煤粉锅炉使用的直流燃烧器布置在炉膛四角，同层的4个燃烧器的几何中心与炉膛中心的假想切圆相切。直流燃烧器的出口由一组矩形喷嘴组成，一、二次风从不同喷口以直流射流的形式喷进炉膛，气流在燃烧器出口没有旋转运动。

由于采用一次风和二次风间隔布置，燃烧器区域的燃料能够与空气充分混合，使煤粉得到充分的燃烧，有利于锅炉效率的提高。但是，煤粉的充分燃烧要求高温和富氧环境，这同时对NOx生成有利。因此，为了降低NOx的生成量，首先要对燃烧器进行相应的改造，形成缺氧富燃区，以抑制NOx的生成;其次在低温区域补充空气，使未燃尽的煤粉继续燃烧，从而保证锅炉效率，降低NOx的生成量。

2.2 主要改造内容

针对热电部煤粉锅炉的实际情况，应用低氮燃烧新技术，在确保燃烧器安全运行的前提下实现煤粉提前剧烈燃烧，使得燃烧区域煤粉火焰严重缺氧，从而抑制NOx的生成。主要的改造内容包括:将上、中、下三层一次风改为带周界风的浓稀相燃烧器，中层一次风和下层一次风由间隔布置改为集中布置，上上层二次风和中上层二次风也改为集中布置，中层和上层一次风采用带中心风的外燃式燃烧技术，其中中层燃烧器设有小油枪，以实现微油点火(如图2所示)。同时，将三层一次风切圆直径减小，对炉内切圆进行一次风小切圆、二次风大切圆的风包粉布置;中上层的二次风燃烧器和两层燃尽风燃烧装置实施左右摆动燃烧，即切圆可调，以达到在炉膛温度提高的情况下防止水冷壁高温腐蚀和严重结渣的目的。

为提高低氮燃烧效果，通常情况下采用切圆燃烧形式的锅炉中煤粉与空气的混合不均匀。特别需要指出的是，在燃烧的后期，燃烧速度会因为供氧不足而变慢，使得烟气中一氧化碳和飞灰含炭量增高。在这种情况下如果采用低氮燃烧方式，还原性氛围会进一步影响燃烧速度和燃烧效率，导致飞灰含炭量大幅上升，锅炉效率大幅下降。为此燃尽风装置采用墙式布置，在燃烧的后期直接让氧气体积分数比较高的空气高速、均匀地喷入高温火焰中，与以前的四角切入方式相比，强化了气、焰混合能力，提高了锅炉效率。同时，由于采用二次风摆动技术，可避免在水冷壁附近产生还原性气体氛围，预防水冷壁发生腐蚀和严重结渣。

图2 改造后的燃烧器布置方式

2.3 改造效果

从表1可以看出，锅炉改造后在不同负荷情况下的NOx排放量均低于国家标准，远低于上海市2010年对NOx的控制要求;锅炉烟气脱硝率平均达到51%，锅炉效率平均提高了3.24%。

表1 改造前后NOx排放量及锅炉主要参数对比

3 结论

改造后进行了各种工况条件下运行试验，可以得出如下结论:

(1)由于多项技术的综合应用，不同负荷下锅炉的NOx排放量均在450 mg/m3以下，达到了国家和上海市对NOx的控制要求;脱硝率控制在51%以上，根据第三方检测锅炉效率提高了3.24%，节油率达到90.99%。

(2)低负荷能力达到40%左右，锅炉煤种适应性大为提高。与煤粉锅炉配套的2套制粉系统的风压没有差异，可以确保长期在低NOx排放状态下运行。

(3)改造后煤粉的燃烧更为剧烈，一次风气流平均温度由838℃上升到1 100～1 125℃，炉膛平均温度由1 351℃提高到1 460～1 470℃，与“在保证燃烧器安全运行的条件下尽可能保证煤粉提前着火，使得燃烧器区域煤粉火炬严重缺氧，从而抑制NOx的生成”的设计理念吻合。

(4)尽管改造后炉膛平均温度由1 351℃提高到1 460～1 470℃，却没有出现水冷壁高温腐蚀和严重结渣的迹象，说明一次风小切圆、二次风大切圆以及二次风摆动技术的运用有效阻止了水冷壁的腐蚀和结渣。

［1］ 森康夫．燃烧污染与环境保护［M］．蔡锐彬，卢振雄，译．广州:华南理工大学出版社，1989:221－228．

［2］ 冯俊凯，沈幼庭．锅炉原理及计算［M］．北京:科学出版社，1992:206－207．

［3］ 吴碧君．燃烧过程NOx的生成机理［J］．电力环境保护，2003，19(4):9 －12．

［4］ 张成恩．分级燃烧技术的应用［J］．锅炉技术，1998(6):40－42．

Optimization Renovation of Low NOxCombustion in Pulverized Coal Fired Boiler of Thermal Power Plant

Chang Zhiguo

(Thermal Power Division，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540)

The mechanism for generation of NOxin the combustion process of pulverized coal fired boiler was introduced．Connecting with renovation of pulverized coal fired boiler，the principle of reducing NOxdischarge through air classification combustion was introduced，and the experimental result was analyzed and discussed．After air classification combustion renovation，the discharge of NOxfrom pulverized coal fired boiler decreased substantially，and the main performance indexes of boiler were improved，which achieved good economic profit and environmental protection effects．

pulverized coal fired boiler，low NOxcombustion，NOx，air classification combustion

1674－1099 (2012)03－0010－04

TK229.6

A

2012-02-23。

常志国，男，1978年12出生，2001年7月毕业于东北电力学院热能动力专业，工程师，现从事电厂运行安全管理工作。