火电厂低氮燃烧改造技术的应用

斯琴高娃　蔡文龙

摘要：本文介绍了氮氧化物产生的机理以及低氮燃烧技术在火电厂大型燃煤锅炉的应用，简述其技术特点和改造措施，并通过试验测试了改造后的效果。

关键词：燃煤锅炉； 低氮燃烧；炉内空气分级

中图分类号：X701 文献标识码：A 文章编号2095-627X（2014）01-0081-03

Thermal Power Plant transformation of low-NOx combustion technology

Siqingaowa，Cai Wenlong

（Jinniu Coal Limited of Dengkou ，Bayannao'er 015200）Abstract： This paper describes the mechanism of the effect of nitrogen oxides produced and low NOX combustion technology in large-scale coal-fired thermal power plant boilers， outlining its technical characteristics and transformation measures， and tested by experiment after transformation.Key words： Coal-fired boilers；Low NOx combustion；Furnace air staging

1 前言

近年來，我国经济快速发展，电力需求和供应持续增长。截至2010年底，全国电力装机容量已达9.62亿千瓦，居世界第二位，其中火电为7.07亿千瓦，占全国总装机容量的73%，火电发电量约占全部发电量的80%以上，消耗燃煤16亿吨，在燃料的燃烧过程中，氮氧化物的生成是燃烧反应的一部份，每燃烧一吨煤炭，约产生5～30kg氮氧化物。据中国环保产业协会组织的《中国火电厂氮氧化物排放控制技术方案研究报告》的统计显示，2007年火电厂排放的NOx总量已增至840万吨，约占全国氮氧化物排放总量的35%～40%，电站锅炉已成为主要的大气污染固定排放源之一。

为有效控制火电厂大气污染物排放，国家与部分地方政府针对火电行业制定了严厉的氮氧化物排放标准，要求采取措施进行污染治理。

污染排放费已成为补偿治理成本的重要手段。现行国务院令字第369号《排污费征收标准管理办法》执行NOx“零排放”收费政策，按0.60元/污染当量收费。

环境保护部办公厅函〔2009〕247号《2009-2010年全国污染防治工作要点》第三部分第（九）条要求：全面开展氮氧化物污染防治。以火电行业为重点，开展工业氮氧化物污染防治。做好京津冀地区大气污染防治，推动长三角、珠三角地区建立大气污染联防联控机制，并以火电行业为重点，开展工业氮氧化物污染防治。在京津冀、长三角和珠三角地区，新建火电厂必须同步建设脱硝装置，2015年年底前，现役机组全部完成脱硝改造。

2011年7月，环境保护部和国家质量监督检验检疫总局联合发布了新修订的《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011），新标准将自2012年1月1日起正式实施。与现行标准（GB 13223-2003）相比，新标准大幅收紧了氮氧化物的排放限值。新标准规定，到2014年7月1日现有火电机组将执行新版氮氧化物排放标准，除采用W型火焰锅炉、现有循环流化床锅炉以及2003年12月31日前建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批的火力发电锅炉外，其余燃煤锅炉氮氧化物排放均不高于100mg/Nm3。

2 氮氧化物产生原理

在氮氧化物中， NO 占有 90% 以上，NO2占 5%～10% ，产生机理一般分为如下三种：

2.1 热力型NOX（Thermal NOX）

它是指助燃空气中的氮气在高温下氧化形成。

2.2 燃料型NOX（Fuel NOX）

它是指燃料中的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化所形成。燃料中的含氮有机化合物热裂解产生N、CN、HCN等中间产物基团，然后氧化成NOX。

2.3 快速型NOX（Prompt NOX）

它是指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成的NOX。

燃煤电厂锅炉产生的NOX中燃料型产生于煤粉燃烧初期占80%-90%左右，是通过燃烧控制NOx减排的主要对象，其余为热力型NOX，快速型NOX产生的量很少。

3 我公司采用的低氮燃烧改造技术

磴口金牛煤电有限公司2×300MW机组为哈尔滨锅炉厂设计制造的亚临界燃煤机组，锅炉采用水平浓淡低氮燃烧器，并配置两层紧凑型燃尽风系统。锅炉设计燃用挥发份较高的烟煤，而实际运行过程入炉煤质波动较大，炉膛出口NOx排放浓度在350～600mg/Nm3之间（CEMS表计显示值，未以NO2计），高于现行以及即将实施的国家标准《火电厂大气污染物排放标准》。

为了控制NOx达标排放、改善当地环境、积极承担社会责任的外部与自身发展双重需要。磴口金牛煤电有限公司现役2×350MW机组锅炉采取成熟可靠的低氮技术改造措施。

本次低氮燃烧系统改造采用双尺度燃烧技术，遵循的核心技术理念是：煤粉直流低氮燃烧技术（水平浓淡分离+强化燃烧喷嘴）+空气分级技术（偏置风+高位SOFA+低位SOFA）。

3.1 直流低氮燃烧技术

在燃烧器喷嘴上游，采用特定机构将煤粉浓缩分离，在煤粉喷嘴处形成局部的煤粉浓淡偏差燃烧，提高浓相煤粉的加热速率与挥发分（尤其是挥发分氮）的析出量，来控制燃烧初期的NOx生成。本次改造采用的直流型浓淡低NOx燃烧器是利用强制转向机构的水平浓淡型（百叶窗）。

为充分发挥直流燃烧器的NOx控制能力，并防止炉膛水冷壁结渣，可组织二次风射流偏离一次风，使每角燃烧器处于火焰、浓相煤粉、淡相煤粉、二次风的燃烧次序，形成水平浓淡分级“风包粉”燃烧。采用这种燃烧方式，可使炉膛中央浓相煤粉缺氧燃烧、四周淡相煤粉富氧燃烧，将NOx排放浓度降低约20%～40%。

3.2 炉内空气分级

将部分助燃空气从燃烧器区域分离出来，通过燃烧器上方的喷口送入炉内，在炉膛高度方向形成空气分级燃烧，维持火焰下游足够长的还原停留时间，是配合燃烧器控制炉内NOx生成的重要措施。分级风装置为多级分离混合型等三种，与燃烧器配合，能够降低NOx排放约40%～70%。空气分级程度决定了燃烧器区域的还原气氛程度，而分级风喷口与燃烧器的距离决定了烟气在还原区域内的停留时间。还原气氛程度越深，停留时间越长，越有利于控制NOx的生成。但深度空气分级会使水冷壁处于还原气氛，导致水冷壁腐蚀与结渣，且不利于煤粉燃烬，为此，实施空气分级燃烧时，必须采取边界风或侧壁风等措施，保证水冷壁处于氧化气氛，并提高分级风的射流刚性与覆盖广度，强化分级风与烟气的混合，兼顾NOx控制与煤粉燃烬。空气分级燃烧示意图见图1，空气系数对NOx 生成的影响见图2。图1 空气分级燃烧示意图图2 空气系数对NOx 生成的影响

对燃烧器进行低NOx燃烧器综合改造，其方案布置如图1所示。更换现有四角燃烧器的煤粉风室和二次风室组件，同时增加较大量的高位燃尽风；一次风喷口全部采用上下浓淡中间带稳燃钝体的燃烧器；取消一层中间空气风室，适当减小上端部风室、油风室及中间空气风室的面积；取消最上层OFA燃尽风室，在其两侧加装贴壁风。

下端部风及一次风保留原有射流方向，仍旧为逆时针方向，调整二次风射流方向，二次风改为与一次风小角度偏置，顺时针反向切入，形成横向空气分级。风量重新合理分配，并调整主燃烧器区一二次风喷口面积，使一次风速满足入炉煤种的燃烧特性要求，主燃烧器区的二次风量适当减小，形成纵向空气分级；保留原有燃烧器摆动机构，可以整体上下摆动。

在原主燃烧器上方约5米处布置4层分离SOFA喷口，其取风通过大风箱向上延伸，可分配足量的SOFA燃尽风量，SOFA噴口可同时作上下左右摆动。适量的高位燃尽风量将对炉内火焰中心位置及炉膛出口烟温偏差带来影响，通过将燃尽风喷口设计成上下左右摆动燃烧器，可以同时实现炉膛出口温度及烟温偏差同时调整，还可强化飞灰可燃物燃尽。

改造后燃烧器保留原油枪、火检、等离子体点火装置的相应安装位置，这些设备均可利旧，附属设备功能不变。看火孔随着燃烧器标高改变而变动，吹灰器在侧墙燃尽风连接风道处有少数拆除。根据数十台类似300MW机组锅炉运行经验表明不影响锅炉运行。

保证改造后是在高效、稳燃、防渣防腐的基础上实现低NOx排放，并充分考虑到由于改造而出现的新问题的解决措施。图1 低NOx燃烧器改造方案布置图

脱硝技术改造前，两台锅炉的最大NOx排放浓度按照600mg/Nm3，每年的NOx最大排放总量约11，000吨。脱硝技术改造后，按照脱硝效率为57%计算，锅炉每年的NOx最大排放总量仅为4，767吨，比改造前削减约6，233吨，见表1。

实验数据显示低氮燃烧器改造完成后NOx 排放量明显降低，不但节约SCR成本而且对环境保护有积极推动作用。

参考文献

[1]孙克勤，钟秦 .《火电厂烟气脱硝技术及工程应用》.化学工业出版社，2007-2.

[2]苏亚欣， 毛玉如， 徐璋 .《燃煤氮氧化物排放控制技术》.化学工业出版社，2005-4.

[3]徐州燃控科技股份有限公司.《内蒙古磴口金牛煤电有限公司2×330MW机组低氮燃烧改造EPC工程低氮燃烧器说明书》.2013-1.