鍋爐NOx排放控制技術及應用

曹定華，劉海洋

(內蒙古華電包頭發電有限公司，內蒙古 包頭 014013)

0 引言

近期，由于煤電供需狀況越來越緊張，造成發電用煤煤質差且煤質多變，常常引起鍋爐燃燒不穩定;同時，由于煤質多變，硫、氮的質量分數非常不穩定，對鍋爐燃燒調整提出了嚴峻挑戰。

內蒙古華電包頭發電有限公司(以下簡稱華電包頭發電公司)一期工程鍋爐為亞臨界、中間一次再熱、平衡通風、單爐膛、懸吊式、燃煤控制循環汽包爐。采用正壓直吹式制粉系統，每臺爐共配置6臺ZGM113G型中速輥式磨煤機。燃燒器為擺動式直流燃燒器，采用四角布置、切向燃燒、寬調節比、上/下濃淡分離技術。

1 問題的提出

燃燒優化的目的是降低鍋爐各項損失，通過強化燃燒可提高鍋爐效率，而抑制NOx的排放量需要控制鍋爐爐膛溫度，這2方面在一定程度上是互相矛盾的。提高燃燒穩定性和燃燒效率的重要措施之一是提高燃燒區域溫度，但又容易引起結渣和高溫腐蝕，還使NOx排放量增加;降低NOx排放量的有效措施是提高燃燒區域的煤粉濃度，推遲混合，但又不利于防止結渣，且可能影響燃燒效率。因此，同時解決這些問題是鍋爐燃燒調整的關鍵技術。

2 NOx生成機制

按照NOx的生成機制，NOx包括空氣中的N2經高溫氧化生成的熱力型NOx、燃燒中氮化物通過揮發分的氣相反應和焦炭的多相反應而生成的燃料型NOx。

研究表明，在煤粉燃燒的溫度范圍內(低于2000 K)主要生成燃燒型NOx，占NOx總生成量的75% ～80%。在生成的燃燒型NOx中，煤受熱分解后，揮發分中的氮化合物主要是HCN和NHi(i=0，1，2，3)，它們與氧反應生成的NOx占燃燒型NOx總量的60%～80%，其余的為焦炭中N在燃燒時轉變成的 NOx。

3 不同結構的燃燒器對NOx的影響

3.1 濃淡分離技術對NOx的影響

華電包頭發電公司2023t/h鍋爐配備的燃燒器采用彎頭式分離器加變異板技術，分離原理是利用扇狀流線型擋塊撞擊煤粒，在慣性離心力和重力作用下對煤粉顆粒進行導向分離，實現煤粉氣流的濃縮和分流，以達到煤粉濃淡分離的目的。撞擊式煤粉濃淡分流器示意圖如圖1所示。

圖1 撞擊式煤粉濃淡分流器

煤粉濃度的調整是通過改變擋塊高度來實現的。當擋塊轉動使其高度發生變化時，濃淡分離效果是不同的，這樣可達到煤粉濃度連續可調的目的。所以，擋塊的“安裝角度”非常重要。

分離裝置把一次風在垂直方向上分成上、下2股濃淡氣流，再通過出口變異板保證了濃粉始終在上部、淡粉始終在下部，即“垂直濃淡燃燒技術”。采用濃淡燃燒技術，可在燃燒器出口局部形成富燃料區域，造成還原性氣氛，抑制 NOx的生成，能使NOx生成量大幅度減少。低NOx穩燃濃淡分離燃燒器如圖2所示。

濃煤粉氣流由于著火穩定性得到改善，揮發分析出速度加快，進一步使揮發分析出區缺氧，使已形成的NOx與NHi反應生成N2，并使NHi相互反應，從而達到降低NOx排放的目的;另外，由于富燃料燃燒區形成缺氧燃燒，區域溫度降低，抑制了熱力型NOx的生成量。而淡煤粉氣流是貧燃料燃燒，使燃燒溫度降低，也抑制了NOx的形成。

事實上，單純提高煤粉氣流中的煤粉濃度，也可以達到穩燃和低NOx排放的效果。所以說，這種上、下濃淡分離的燃燒器客觀上具有降低NOx生成量的特點。

圖2 低NOx穩燃濃淡分離燃燒器

3.2 回火穩燃技術對NOx的影響

這種燃燒器在實現“垂直濃淡分離”后，在燃燒器出口布置了船形穩燃鈍體(如圖2所示)，用以回火卷吸高溫煙氣，從根部預加熱煤粉，達到穩燃的目的。

因此，這種燃燒器具有“濃淡燃燒+穩燃體”雙穩燃技術的特點，可確保低負荷下具有良好的穩燃效果。這樣，在穩定燃燒的爐膛區域能夠保證爐膛溫度相對較低，從而抑制NOx的生成。

3.3 配風技術對NOx的影響

根據燃燒器二次風噴口設計特性，可以靈活組織燃燒器配風。若燃料含氮量低于設計標準，可以用常規均等配風或者倒塔形配風來促進燃燒;而燃燒含氮量超過設計值時，可以組織分級配風，即垂直方向空氣分級配風技術。

一般通過調整整組燃燒器頂部加裝的燃盡風噴嘴的開度和擺動位置，使其風量占二次風總量的14%左右，作為降低NOx生成量的手段。根據燃用煤質情況的不同，二次風風量大小可沿高度實現不同的分級送風方式，既可保證煤粉燃盡，又達到了降低NOx生成量的目的。目前，空氣分級燃燒的脫硝率一般為20%～30%。

圖3、圖4為華電包頭發電公司#1，#2鍋爐采用不同配風組合，進行控制NOx試驗的配風模型對比圖。試驗中，對#1，#2鍋爐采用不同配風方式的NOx質量濃度做了統計，見表1。

圖3 #1鍋爐采用均等配風方式

在圖3中，#2鍋爐在燃煤質中N的質量分數超過設計值(0.74%)，達到0.96%時，連續7 d采用分級配風方式，鍋爐各項經濟指標良好，脫硫出口NOx質量濃度平均為322.6 mg/m3;而同樣的煤質，在#1鍋爐采用傳統均等配風的情況下，除鍋爐各項經濟指標無明顯差別外，脫硫出口NOx質量濃度為378 mg/m3。所以，在保證燃燒器的制造和安裝質量的基礎上，適當改變配風方式，也能夠抑制 NOx的生成。

圖4 #2鍋爐采用分級配風方式

表1 #1，#2鍋爐采用不同配風方式的NOx質量濃度

4 抑制NOx生成技術的應用

依據上述分析，結合鍋爐燃燒器特點，華電包頭發電公司組織技術力量，在保證燃燒效率的前提下，摸索總結出一些抑制NOx生成的技術。

(1)校對氧量，摸索鍋爐低氧量燃燒技術，將氧量控制在2.5% ～3.0%。2008年8月，#2鍋爐大修后，華電包頭發電公司對鍋爐氧量表進行全面校對，保證了氧量表的準確性，通過試驗摸索出一套較適合華電包頭發電公司鍋爐運行的低氧量配風調整技術。

(2)根據煤電市場狀況，成立燃燒摻配機構，及時掌握燃料特性。在燃料中N的質量分數高于0.6%時，指導運行人員及時調整配風，通過調整燃燒器配風模型，改變爐內實際燃燒動力場分布，有效抑制NOx的產生。

(3)依據NOx化學結合條件采取分級配風方式，控制周界風不超過60%，人為降低中間層燃燒器的輔助二次風而實現“缺氧環境”，通過上層反切風補充燃盡氧量。同時，通過組織燃燒優化調整試驗，較好地解決了燃燒經濟性和污染物排放相矛盾的問題。

(4)一次風、煤比率的控制。理論上，在保障攜出力的前提下，一次風量越低越利于燃燒控制;同時，在保障制粉系統消防安全的前提下，分離器出口溫度越高越利于燃燒控制。在燃燒調整試驗的基礎上，華電包頭發電公司確定了控制NOx的一次風標定系數，徹底治理磨煤機冷風系統的漏風缺陷，并給出了相對完整的運行指導書，保證了一次風、煤比率相對較好，有效減少了NOx的生成。

(5)大風箱與爐膛差壓的控制。大風箱與爐膛差壓的大小，對二次風卷吸一次風粉影響較大，必然影響爐內風粉混合及燃燒切圓的大小。根據試驗結果，確定了在降低機組負荷時相應關小二次風小風門，維持二次風箱與爐膛差壓不低于600 Pa;而在90%額定負荷以上時，二次風箱與爐膛差壓維持在1.0 kPa左右。在燃燒調整優化試驗中，重點進行了該調整試驗，證明其調整有助于促進燃燒并抑制NOx生成。

(6)反切風的使用。OFA反切風主要做調整熱偏差使用，否則需盡量關小，以減少在燃盡階段N2和高溫O2再次合成反應而產生新的NOx。所以，如最上層F磨煤機備用，盡量采用FF調整熱偏差，保持OFA在較小開度。

(7)組織分級配風。從試驗數據可以看出，根據“低NOx、穩燃、濃淡分離燃燒器”二次風噴口設計特性，在燃料含氮量低于設計標準時，可以用常規均等配風或者倒塔形配風來促進燃燒，而燃燒含氮量超過設計值時，可以組織分級配風，即垂直方向空氣分級配風技術，對抑制NOx生成很有效。

(8)風粉在線裝置的使用。華電包頭發電公司在每臺磨煤機出口粉管上安裝了“風速、煤粉濃度”在線監控裝置，能夠直觀地反映“風、煤比率”，從而發揮燃燒器上、下濃淡分離煤粉的特性，更好地實現節煤降耗、優化燃燒的目標。

(9)燃燒器的維護。遇到大、小修，認真檢查并恢復變形的燃燒器，更換部分分離變異板損壞的燃燒器并重新校對燃燒器安裝角度。在#2機組大修期間，對F/FF/OFA進行調整恢復，增強了燃燒器本身抑制NOx生成的能力;同時校正了部分燃燒器安裝角度，如EF/FF/OFA的#2，#3角的角度偏離設計值較大(最大達8°)，使燃燒切圓變形，抑制NOx生成量的整體能力下降。

以上主要從“低NOx、穩燃、濃淡分離燃燒器”的特性以及運行維護技術方面進行探索，均未涉及環保新系統的技術改造方面。事實上，脫硝裝置對減少NOx排放最有效，技術也越來越成熟。如果資金寬裕，可以考慮上脫硝裝置。

5 結束語

發電廠在然用劣質、多變煤種時，污染物排放是一個必須面對的難題。通過對抑制NOx生成技術的探索和實踐，華電包頭發電公司#1，#2鍋爐的NOx排放得到了有效控制。