1000MW燃煤锅炉低NOX燃烧技术的探讨

公司2×1050MW超超临界燃煤发电机组，针对NOX排放问题安装脱硝装置和采用低氮燃烧技术。

关键词：锅炉  NOX  燃烧器

1、NOx生成与控制机理

燃煤锅炉排放的NOx主要由NO、NO2及微量N2O组成，其中NO含量超过90%，NO2约占5～10%，N2O量只有1%左右。理论上NOx的生成有三条途径，即：热力型、燃料型与瞬态型。其中，燃料型NOx所占比例最大。

燃煤锅炉的NOx控制主要分为炉内低NOx燃烧技术和炉后烟气脱硝技术两类，其控制机理见图1-1。炉内低NOx燃烧技术主要通过控制当地的燃烧气氛，利用欠氧燃烧生成的HCN与NH3等中间产物来抑制与还原已经生成的NOx。对于炉膛出口烟气中的NOx，可在合适的温度条件或催化剂作用下，通过往烟气中喷射氨基还原剂，将NOx还原成N2和H2O。

图1-1  NOx生成与控制途径示意图

经过多年研究与发展，适用于燃煤电站锅炉的氮氧化物控制技术主要有：1.低氮燃烧技术;2.选择性催化还原法（SCR）;3.选择性非催化还原法（SNCR）。其中低氮燃烧技术最主要采用方法有低氮燃烧器、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术等手段。根据NOx控制要求不同，这些技术既可单独使用也可组合使用。

后两类技术都是在锅炉燃烧生成NOX以后，用氨来还原NOX。这不仅增加设备投资和运行维护费用，还可能引起预热器等锅炉尾部受热面的堵塞等。因此，要降低NOX的排放量，更有效的方法是改进炉内燃烧状况。神华重庆万州港电公司燃烧系统采用前后墙对冲燃烧，采用低NOx新型的OPCC旋流煤粉燃烧器。

2、燃烧技术的改进措施

目前，锅炉燃烧技术的改进主要有：低NOX燃烧器;分段燃烧技术;炉膛内降低NOX技术和烟气再循环等。有关资料表明，综合考虑NOX值和成本两个方面，使用低NOX燃烧器和炉膛内降低NOX是既经济又最有效方法。

炉膛内降低NOX技术包括：

2.1 采用分级混合燃烧，降低氧浓度和燃烧温度以及将燃烧器喷嘴出口燃料分为浓稀两相。在主燃烧器实行低氧，低温燃烧降低NOX生成。在燃燒器顶部设置燃烬风喷嘴（OFA），配以不同的风量，燃尽在主燃烧区低氧条件下产生的未燃气体和碳份。分级燃烧主要使燃烧完全和降低NOX排放为最佳。

2.2 采用分级配风的方法有：

2.2 .1在配风方式上使煤粉气流与“二次风”气流的混合燃烧分为两个“区域”进行。在一次燃烧区内煤粉是在“缺氧”（一般控制空气系数n=0.7～0.75）的工况下进行着火燃烧。一次燃烧区中未燃尽的煤粉颗粒（焦碳）与余下的燃烧空气（分级二次风）在二次燃烧区进行混合、燃尽。

2.2 .2控制送入炉膛的燃料和风量分配均匀，通过测量把燃料偏差控制在5%以内，风量偏差在10%以内，达到优化燃烧，降低NOX的目的。

3、采用低NOX烧煤燃烧器

3.1 低NOx新型的OPCC旋流煤粉燃烧器

神华重庆万州港电公司采用低NOx新型的OPCC旋流煤粉燃烧器DBC-OPCC型），前后墙对冲燃烧。燃烧器分为中心风、一次风、二次风和三次风，中心风取自大风箱，手动风门调节;二次风采用轴向固定导叶、套筒式风门调节风量;三次风采用径向可调挡板调节旋流强度和风量;大风道总风门可以调节风箱压力。一次风采用撞击式二级浓缩形成外浓内淡的气流流态。出口处一次风设置12片齿块、二次风扩锥，二次风筒设置三次风扩锥体一次风采用撞击式二级浓缩形成外浓内淡的气流流态。

3.2 墙置式分级混合烧煤燃烧器

燃烧器为圆形墙置式，前后墙对冲布置的轴向旋流燃烧器，从燃烧器中心管圆形截面流出的是中心二次风。燃烧器烧油时才投入中心二次风，烧煤时其中心二次风挡板几乎处于关闭状态。煤粉一次风气流是由环行截面喷入炉膛。除中心风外，下剩的二次风分成周界风和分级风两部分。周界风的环行喷口处于煤粉喷口的外侧，两者同心。分级风的喷口布置在燃烧器外围，该喷口可以是圆形的也可以是缝隙式。分级风用挡板进行调节。煤粉一次风和周界风在燃烧器出口附近形成一个低于理论空气量运行的一次燃烧区。而分级风以分股射流的方式从一次火焰外部喷入燃尽区，保证了煤粉的完全燃烧。

3.3低NOX直流烧煤烧器。

低NOx 直流燃烧器：燃烧器首要任务是燃烧，浓淡偏差稳燃措施也有助于控制NOx。在煤粉喷嘴前，通过偏流装置（弯头、百叶窗、挡块）使煤粉浓缩分离成浓淡两股。喷嘴设扰流钝体，一方面可卷吸高温烟气回流，另一方面使浓相煤粉在绕流时偏离空气，射入高温回流烟气区域。这样，在燃烧器钝体下游，可形成高浓度煤粉在高温烟气中的浓淡偏差欠氧燃烧，从而有效控制燃烧初期的NOx 生成量。

4 用煤粉再燃降低NOX的技术

（1）煤粉再燃燃烧技术机理

燃料燃烧过程中，将燃烧分成3个区域：一次燃烧区，为氧化性或稍还原性气氛;在第二燃烧区，为还原性气氛，将二次燃料送入，则生成CH基团，这些基团与一次燃烧区内生成的NO反应，最终生成N2;这个区域通常成为再燃烧区，二次燃料别称为再燃燃料，最后送入二次风，使燃料完全燃烧，因此，成为燃尽区，这就是再燃烧技术的机理。

（2）再燃燃料的选取

根据再燃的原理，再燃区的还原性气氛中最利于NOX还原的成分是烃（CHi），因此，选择二次燃料时应采用能在燃烧时产生大量烃根而又不含氮类的物质。丙烷和其它燃料相比，能最有效地降低NOX，这是因为丙烷能产生大量烃根而没有额外的氮类成分。而在所有燃料中，氢气降低NOX的效果最差，因为它本身不能产生烃根是用天然气、油和煤作为二次燃料时降低NOX浓度效果的比较。显然，天然气是最有效的二次燃料。研究还表明，气态烃燃料还原NOX的能力随着烃分子中碳原子数目的增加而增加，因此，气态烃是最好的二次燃料。

再燃燃料作为二次燃料，一般是在还原性气氛中燃烧，对于锅炉炉膛来说，一般都是在炉膛的燃烧区的上部，因此，再燃燃料必须易着火，易燃尽。

（3）三次风煤粉作为再燃燃料的可能性分析，改进的成本的运行的安全性都不方便。根据测试发现，三次风煤粉粒度比一次风煤粉粒度明显要小（如表1所示），易着火，易燃烬，比较适合再燃燃料的要求。

另外，对于锅炉膛内的燃烧工况而言，当三次风投入时，相当于增设了顶部燃烧区，实行分级燃烧，在燃烧器区域形成富燃区，三次风喷嘴附近形成燃尽区，使排放量降低，此外，含粉三次风还可起到还原已生成NOX的作用，使NOX进一步下降。当然，使用三次风细粉再燃降低NOX的方法也会出现一定的问题，如磨煤乏气中煤粉燃烧火焰长度不足，飞灰可燃物含量增加，火焰中心上移，引起出口结渣，过热器超温等不良现象。

但是通过改造三次风将其作为再燃燃料送入炉膛，实行再燃烧技术还是值得研究的。由于三次风含粉量较少（占总粉量的10%-15%），为满足再燃区过量空气系数a2<1的要求，必须对三次风进行浓缩。只要浓缩后的三次风喷入炉膛后，形成富燃料的二次燃烧区（即再燃区），就可生成大量CH基团，这些基团与主燃烧区生成的NOX发生反应，最终生成N2，即可降低NOX的排放量。

5结束语

目前神华重庆万州港电公司氮氧化物控制技术主要有：1.低氮燃烧技术;2.选择性催化还原法（SCR）;SCR脱硝效率一般可达80%～90%以上，氮氧化物排放浓度可降至50mg/Nm3 以内，但是先进的低NOx燃烧技术也可以使排放浓度达到国家最新200mg/Nm3的排放标准，经济效益十分明显。

参 考 文 献：

[1] 火电厂SCR烟气脱硝技术. 北京：中国电力出版社，西安热工院 2012.12

[2] 燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术 北京：中国电力出版社，中国大唐集团科技工程有限公司 2009.04

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