火電廠低氮燃燒改造技術的應用

斯琴高娃　蔡文龍

摘要：本文介紹了氮氧化物產生的機理以及低氮燃燒技術在火電廠大型燃煤鍋爐的應用，簡述其技術特點和改造措施，并通過試驗測試了改造后的效果。

關鍵詞：燃煤鍋爐； 低氮燃燒；爐內空氣分級

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號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，我國經濟快速發展，電力需求和供應持續增長。截至2010年底，全國電力裝機容量已達9.62億千瓦，居世界第二位，其中火電為7.07億千瓦，占全國總裝機容量的73%，火電發電量約占全部發電量的80%以上，消耗燃煤16億噸，在燃料的燃燒過程中，氮氧化物的生成是燃燒反應的一部份，每燃燒一噸煤炭，約產生5～30kg氮氧化物。據中國環保產業協會組織的《中國火電廠氮氧化物排放控制技術方案研究報告》的統計顯示，2007年火電廠排放的NOx總量已增至840萬噸，約占全國氮氧化物排放總量的35%～40%，電站鍋爐已成為主要的大氣污染固定排放源之一。

為有效控制火電廠大氣污染物排放，國家與部分地方政府針對火電行業制定了嚴厲的氮氧化物排放標準，要求采取措施進行污染治理。

污染排放費已成為補償治理成本的重要手段。現行國務院令字第369號《排污費征收標準管理辦法》執行NOx“零排放”收費政策，按0.60元/污染當量收費。

環境保護部辦公廳函〔2009〕247號《2009-2010年全國污染防治工作要點》第三部分第（九）條要求：全面開展氮氧化物污染防治。以火電行業為重點，開展工業氮氧化物污染防治。做好京津冀地區大氣污染防治，推動長三角、珠三角地區建立大氣污染聯防聯控機制，并以火電行業為重點，開展工業氮氧化物污染防治。在京津冀、長三角和珠三角地區，新建火電廠必須同步建設脫硝裝置，2015年年底前，現役機組全部完成脫硝改造。

2011年7月，環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布了新修訂的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223-2011），新標準將自2012年1月1日起正式實施。與現行標準（GB 13223-2003）相比，新標準大幅收緊了氮氧化物的排放限值。新標準規定，到2014年7月1日現有火電機組將執行新版氮氧化物排放標準，除采用W型火焰鍋爐、現有循環流化床鍋爐以及2003年12月31日前建成投產或通過建設項目環境影響報告書審批的火力發電鍋爐外，其余燃煤鍋爐氮氧化物排放均不高于100mg/Nm3。

2 氮氧化物產生原理

在氮氧化物中， NO 占有 90% 以上，NO2占 5%～10% ，產生機理一般分為如下三種：

2.1 熱力型NOX（Thermal NOX）

它是指助燃空氣中的氮氣在高溫下氧化形成。

2.2 燃料型NOX（Fuel NOX）

它是指燃料中的氮化合物在燃燒過程中熱分解而又接著氧化所形成。燃料中的含氮有機化合物熱裂解產生N、CN、HCN等中間產物基團，然后氧化成NOX。

2.3 快速型NOX（Prompt NOX）

它是指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如CH等反應生成的NOX。

燃煤電廠鍋爐產生的NOX中燃料型產生于煤粉燃燒初期占80%-90%左右，是通過燃燒控制NOx減排的主要對象，其余為熱力型NOX，快速型NOX產生的量很少。

3 我公司采用的低氮燃燒改造技術

磴口金牛煤電有限公司2×300MW機組為哈爾濱鍋爐廠設計制造的亞臨界燃煤機組，鍋爐采用水平濃淡低氮燃燒器，并配置兩層緊湊型燃盡風系統。鍋爐設計燃用揮發份較高的煙煤，而實際運行過程入爐煤質波動較大，爐膛出口NOx排放濃度在350～600mg/Nm3之間（CEMS表計顯示值，未以NO2計），高于現行以及即將實施的國家標準《火電廠大氣污染物排放標準》。

為了控制NOx達標排放、改善當地環境、積極承擔社會責任的外部與自身發展雙重需要。磴口金牛煤電有限公司現役2×350MW機組鍋爐采取成熟可靠的低氮技術改造措施。

本次低氮燃燒系統改造采用雙尺度燃燒技術，遵循的核心技術理念是：煤粉直流低氮燃燒技術（水平濃淡分離+強化燃燒噴嘴）+空氣分級技術（偏置風+高位SOFA+低位SOFA）。

3.1 直流低氮燃燒技術

在燃燒器噴嘴上游，采用特定機構將煤粉濃縮分離，在煤粉噴嘴處形成局部的煤粉濃淡偏差燃燒，提高濃相煤粉的加熱速率與揮發分（尤其是揮發分氮）的析出量，來控制燃燒初期的NOx生成。本次改造采用的直流型濃淡低NOx燃燒器是利用強制轉向機構的水平濃淡型（百葉窗）。

為充分發揮直流燃燒器的NOx控制能力，并防止爐膛水冷壁結渣，可組織二次風射流偏離一次風，使每角燃燒器處于火焰、濃相煤粉、淡相煤粉、二次風的燃燒次序，形成水平濃淡分級“風包粉”燃燒。采用這種燃燒方式，可使爐膛中央濃相煤粉缺氧燃燒、四周淡相煤粉富氧燃燒，將NOx排放濃度降低約20%～40%。

3.2 爐內空氣分級

將部分助燃空氣從燃燒器區域分離出來，通過燃燒器上方的噴口送入爐內，在爐膛高度方向形成空氣分級燃燒，維持火焰下游足夠長的還原停留時間，是配合燃燒器控制爐內NOx生成的重要措施。分級風裝置為多級分離混合型等三種，與燃燒器配合，能夠降低NOx排放約40%～70%。空氣分級程度決定了燃燒器區域的還原氣氛程度，而分級風噴口與燃燒器的距離決定了煙氣在還原區域內的停留時間。還原氣氛程度越深，停留時間越長，越有利于控制NOx的生成。但深度空氣分級會使水冷壁處于還原氣氛，導致水冷壁腐蝕與結渣，且不利于煤粉燃燼，為此，實施空氣分級燃燒時，必須采取邊界風或側壁風等措施，保證水冷壁處于氧化氣氛，并提高分級風的射流剛性與覆蓋廣度，強化分級風與煙氣的混合，兼顧NOx控制與煤粉燃燼。空氣分級燃燒示意圖見圖1，空氣系數對NOx 生成的影響見圖2。圖1 空氣分級燃燒示意圖圖2 空氣系數對NOx 生成的影響

對燃燒器進行低NOx燃燒器綜合改造，其方案布置如圖1所示。更換現有四角燃燒器的煤粉風室和二次風室組件，同時增加較大量的高位燃盡風；一次風噴口全部采用上下濃淡中間帶穩燃鈍體的燃燒器；取消一層中間空氣風室，適當減小上端部風室、油風室及中間空氣風室的面積；取消最上層OFA燃盡風室，在其兩側加裝貼壁風。

下端部風及一次風保留原有射流方向，仍舊為逆時針方向，調整二次風射流方向，二次風改為與一次風小角度偏置，順時針反向切入，形成橫向空氣分級。風量重新合理分配，并調整主燃燒器區一二次風噴口面積，使一次風速滿足入爐煤種的燃燒特性要求，主燃燒器區的二次風量適當減小，形成縱向空氣分級；保留原有燃燒器擺動機構，可以整體上下擺動。

在原主燃燒器上方約5米處布置4層分離SOFA噴口，其取風通過大風箱向上延伸，可分配足量的SOFA燃盡風量，SOFA噴口可同時作上下左右擺動。適量的高位燃盡風量將對爐內火焰中心位置及爐膛出口煙溫偏差帶來影響，通過將燃盡風噴口設計成上下左右擺動燃燒器，可以同時實現爐膛出口溫度及煙溫偏差同時調整，還可強化飛灰可燃物燃盡。

改造后燃燒器保留原油槍、火檢、等離子體點火裝置的相應安裝位置，這些設備均可利舊，附屬設備功能不變。看火孔隨著燃燒器標高改變而變動，吹灰器在側墻燃盡風連接風道處有少數拆除。根據數十臺類似300MW機組鍋爐運行經驗表明不影響鍋爐運行。

保證改造后是在高效、穩燃、防渣防腐的基礎上實現低NOx排放，并充分考慮到由于改造而出現的新問題的解決措施。圖1 低NOx燃燒器改造方案布置圖

脫硝技術改造前，兩臺鍋爐的最大NOx排放濃度按照600mg/Nm3，每年的NOx最大排放總量約11，000噸。脫硝技術改造后，按照脫硝效率為57%計算，鍋爐每年的NOx最大排放總量僅為4，767噸，比改造前削減約6，233噸，見表1。

實驗數據顯示低氮燃燒器改造完成后NOx 排放量明顯降低，不但節約SCR成本而且對環境保護有積極推動作用。

參考文獻

[1]孫克勤，鐘秦 .《火電廠煙氣脫硝技術及工程應用》.化學工業出版社，2007-2.

[2]蘇亞欣， 毛玉如， 徐璋 .《燃煤氮氧化物排放控制技術》.化學工業出版社，2005-4.

[3]徐州燃控科技股份有限公司.《內蒙古磴口金牛煤電有限公司2×330MW機組低氮燃燒改造EPC工程低氮燃燒器說明書》.2013-1.