等離子低氮燃燒技術特點及其應用分析

摘 要：伴隨著我國火力發電行業的快速發展，火電廠氮氧化物的排放量迅速增加。等離子低氮燃燒技術，是在煤粉鍋爐等離子體點火及穩燃技術基礎上發展起來的一種全新概念的低氮燃燒技術。該技術可以在不降低鍋爐效率的前提下，大幅度降低鍋爐NOx的排放。對等離子低氮燃燒的技術特點進行了概述，介紹了其在電廠中的應用情況，并對其降低SCR脫硝成本進行了分析。

關鍵詞：等離子低氮燃燒技術；特點；應用分析

引言

《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）要求新建機組NOx排放低于100mg/Nm3。目前，NOx排放的技術措施按作用位置可分為兩大類：第一類稱為爐內脫硝，其特征是通過各種技術手段，控制燃燒過程來降低NOx的排放；第二類是尾部脫硝，又稱為煙氣凈化技術，其特征是把尾部煙氣中已經生成的NOx還原[1]。電站鍋爐大多采用低氮燃燒技術+煙氣脫硝方式降低NOx的排放，但低氮燃燒技術又存在不同，NOx排放濃度差別也很大。

1 等離子低氮燃燒技術的特點

等離子低氮燃燒技術，是在煤粉鍋爐等離子體點火及穩燃技術基礎上發展起來的一種全新概念的低氮燃燒技術。煤粉鍋爐等離子體點火及穩燃技術利用溫度很高的等離子體在燃燒器內直接點燃煤粉，可以節約大量的鍋爐啟動用油。采用該技術的等離子體煤粉燃燒器在實現煤粉內燃的同時，與現在主流的空氣整體分級燃燒、燃料分級燃燒等低氮燃燒技術相結合，可以在不降低鍋爐效率的前提下，大幅度降低氮氧化物的排放。

等離子低氮燃燒器降低NOx排放的主要原因在于可以使空氣分級、燃料分級等措施“深度到位”，從而實現了與常規低氮燃燒技術相比，具有較高脫硝性能和較好的安全經濟性[2]。其降低NOx排放的主要原理如下：

（1）深度分級送風與低氧燃燒過程。全爐空氣送入量和送入方式，采用了多點、多區、多角度送風，且可控制不同區段有不同的摻混率。高度方向上，下自底部二次風口，上至頂部燃盡風采用多組多噴口小流量的設計原則。在水平方向相對獨立的近壁區射流，實現了沿爐體高度逐步摻混，優于各類偏轉二次風方式。全爐燃燒過程均采用了低于常規燃燒過程的氧量（視燃煤與爐型而定）。

（2）擴大了還原氣氛區和還原燃燒區。在高度方向上以一次風粉為中心組織了雙還原區。它彌補了二維分布煤質和NOx針對性相關不足（如難燃煤后期混合差飛灰可燃物高），總體上加大了還原量和抑制焦炭NOx產生。在主燃燒區由于變異風粉布置型式，使煤粉較快析出揮發份和著火，迅速進入濃相區實現了部分NOx分解還原，加大了火焰內還原NOx的比重。在兩個主燃燒區上方布置的還原區對NOx仍繼續進行還原，同時產生部分焦碳NOx。

等離子低氮燃燒器除了可以降低NOx排放外，還可以在一定程度上抑制爐膛結渣的發生。爐內三場特性參數隨機性強，各向不均勻性在高度、水平方向上，尤其是“中心區”與“近壁區”存在很大差異。等離子低氮燃燒器通過一種空氣與燃料射流組合，設法擴大兩大區域三場特性的差異，形成了“中心區”有較高煤粉濃度、較高溫度、適宜氧濃度、較高燃燒強度。在過程尺度上優化了燃燒不同階段三場特性差異使火焰邊部可控可調，保證近壁區三場特性利于防渣，水冷壁得到重點保護，爐膛不結渣、可實現長時間爐膛不吹灰。

2 等離子低氮燃燒技術應用分析

2.1 應用實例一

國內某20萬機組（或者是DT20萬機組）電廠在實際運行中發現鍋爐出現了一系列的問題，主要有：煤種適應性差，爐內有局部結渣現象，溫度場存在一定的偏差，再熱受熱面超溫；主汽溫度因爐內結渣粘污而升高，因爐膛吹灰而降低，變化幅度較大；鍋爐兩側煙溫存在最高達100℃以上的偏差；采用均等布置的燃燒方式，NOx排放量較高，為1120mg/Nm3；鍋爐效率略高于設計值90.84%，為90.87%，但低于其平均運行水平91%。經過等離子低氮燃燒系統技改工程以后解決問題如下：解決了結渣沾污問題；再過熱器受熱面氣溫正常；實現了爐膛不吹灰；大幅度地削減了NOx排放量，NOx為300-340mg/Nm3，脫除率達到63.3%，CO為35ppm，飛灰含碳量3.3%；爐側廠用電大幅度降低；鍋爐效率為92.15%；煤種適應性明顯增強；低負荷穩燃性能良好、接帶負荷能力有所增強，低負荷可達50%以下。

2.2 應用實例二

國內某30萬（或者是mw30萬）機組在運行中存在較嚴重的結渣現象，不能完全燒設計用神華煤。NOx排放濃度最高達700mg/m3，飛灰含碳量達到7.0%，鍋爐效率91.5%～93.2%。在進行等離子低氮燃燒系統技改工程后完全解決了爐膛內的結渣問題，可以100%燃用神華煤，NOx排放濃度128～181mg/m3，飛灰含碳量下降到2.63～2.99%，鍋爐效率提高到93.24%～93.44%。

3 等離子低氮燃燒降低SCR脫硝成本

根據《火電廠氮氧化物防治技術政策》環發[2010]10號規定：“低氮燃燒技術應作為燃煤電廠氮氧化物控制的首選技術”。低氮燃燒技術投資成本低，無運行費用，而且可在鍋爐中不添加任何脫硝還原劑，只通過調整燃燒方式即可從源頭控制NOx的生成。1臺600MW機組運行需要約500個立方SCR催化劑，目前其價格為1個立方約3萬元，而且SCR用3年即需要更換，折算下來相當于每年投資約500萬元；另外，SCR通過氨等還原劑還原煙氣中已生成的氮氧化物，氨要通過尿素熱解才能得到，因此需要增加額外的設備投資。一年兩者的運行成本需要近1500萬元。

經過等離子體低氮燃燒技術進行初步降氮后可以節省SCR初始投資和運行費用。經過等離子體低氮燃燒技術進行初步降氮后，NOx排量一般可達到300mg/m3以下，此時僅需50%的脫硝效果即可達到排放標準。以600MW燃煤機組為例，當要求脫硝效率為80%左右時，需要兩層催化劑；而當脫硝率為50%以下時，一層催化劑即可滿足要求，此時較80%脫硝率的情況可以減少15%左右的初始投資（催化劑占整個脫硝系統的投資比例按30～40%計）。

以600MW燃煤機組為例，即使等離子體低氮燃燒技術不能將NOx排量降到100mg/m3以下，如果從1000mg/m3降到300mg/m3可節省催化劑初裝費1000萬元，年運行費用1120萬元，這同樣有巨大的經濟效益。

4 結束語

低氮燃燒技術與煙氣脫硝技術相比具有工程造價和運行費用低等優點，是適合我國國情的氮氧化物排放控制技術。等離子體技術引入鍋爐降氮領域，為降低電站鍋爐氮氧化物排放提供了新的技術手段。等離子體低氮燃燒技術的成功應用表明低氮燃燒技術的發展達到了一個新的高度。

參考文獻

[1]陳輝，黃啟龍，戴維葆，等.國內300MW等級電站鍋爐低氮燃燒器性能比較與評價[J].華東電力，2013.

[2]李強，張月光，張洪光.300MW燃煤電廠鍋爐等離子低氮燃燒器改造[J].內蒙古石油化工，2014.

作者簡介：蘇靖程（1982-），男，動力工程師，從事電廠鍋爐檢修十年、目前主要從事煤炭清潔技術研發。