锅炉燃烧调整对N0X排放量的分析

锅炉燃烧调整对N0X排放量的分析

刘欣

（中国电建甘肃能源巴基斯坦分公司甘肃省兰州市730010）

摘要：目的：通过锅炉燃烧调整降低NOx的生成，减少喷氨量，降低生产成本。方法：通过燃烧调整分别对燃烬风、氧量、磨煤机组合方式、配风方式等对NOX排放量进行分析。结论：降低过量空气系数有利于抑制NOx的生成：（1）采用水平浓淡燃烧技术和在燃烧器顶部布置二次风（OFA）的方法，可以降低锅炉的NOx排放量。（2）燃料型NOx影响比热力型NOx影响总排放量程度大。（3）合理选择制粉系统运行方式，在汽温允许情况下，尽量选择下层制粉系统运行，适当减少磨的运行台数和减少一次风量。（4）选用低NOx燃烧技术时，必须根据具体的条件进行技术经济比较，不仅要考虑降低NOx，还要考虑对火焰的稳定性、燃烧效率、蒸汽温度控制、受热面结渣和腐蚀等的影响。锅炉的NOx污染物排放量最低时，锅炉效率不一定最高。

关键词：燃烧调整；NOX；低氮燃烧；选择性催化还原技术(SCR)

1引言

在燃煤电厂排放的大气污染物中，NOX因对生态环境和人体健康的危害极大，且难以处理，所以成为重点控制排放的污染物之一，随着新《环保法》的实施，对NOX排放的要求更为严格，而多年来，我国对NOX的治理还很有限。我们知道，目前控制NOX排放的主要措施有燃烧中脱硝和燃烧后脱硝两种。如果在燃烧中采用低NOX燃烧器，加之通过合理的燃烧调整，可大大减少NOX的排放量，从而可大大减轻SCR运行成本，因此通过燃烧调整来减少燃煤电厂污染物的排放，具有积极的意义。

煤粉炉烟气中NOx形成分为燃料型、热力型和速度型。在燃用挥发分较高的烟煤时，燃料型NOx含量较多，快速型NOx极少。燃料型NOx是空气中的氧与煤中氮元素热解产物发生反应生成NOx，燃料中氮并非全部转变为NOx，它存在一个转换率，降低此转换率，控制NOx排放总量，可采取：(1)减少燃烧的过量空气系数；(2)控制燃料与空气的前期混合；(3)提高入炉的局部燃料浓度。

热力型NOx是燃烧时空气中的N2和O2在高温下生成的NOx，产生的主要条件是高的燃烧温度使氮分子游离增加化学活性，其次是高的氧浓度，要减少热力型NOx的生成，可采取：(1)减少燃烧最高温度区域范围；(2)降低锅炉燃烧的峰值温度；(3)降低燃烧的过量空气系数和局部氧浓度。

燃烧调整上，维持低氧量燃烧，以配风为主，兼顾其它问题。本文通过燃烧调整分别对燃烬风、氧量、磨组合方式、配风方式等对NOX排放量的试验并进行分析，并得出结论。

2设备概况

为分析锅炉燃烧调整对NOX排放的影响，以国内某发电厂330MW机组1025t/h锅炉为对象，进行了试验研究。该锅炉为上海锅炉厂设计制造的亚临界+一次中间再热+自然循环+平衡通风+煤粉固态排渣汽包炉，燃用煤种为烟煤，锅炉配用中速磨，冷一次风正压直吹式制粉系统，共有五台中速碗式磨煤机，其中四台运行1台备用。煤粉燃烧器布置在炉膛四角，切圆燃烧，四角燃烧器中心线与炉膛中心形成两个相切的假想切圆，采用摆动式水平浓淡分离燃烧器。

燃烧器喷口布置见图1，燃烧器的这种结构和布置应用了低NOX燃烧技术，具体地有：燃烧器设计上属于低NOx燃烧技术。该锅炉喷燃器射流设计为一、二次风同心反切，各层喷燃器四角的二次风射流与一次风射流都有一定程度的夹角，这种设计有利于减少NOx的产生。一是可以减小过剩空气系数。由于炉内煤粉与空气混合强烈，煤粉离开燃烧室的燃尽度增加，因而炉膛过剩空气系数可以减小，省煤器出口烟气含氧量可控制在2.5%（a=1.14）。二是降低烟气中NOx的含量。因二次风略迟后介入一次风气流，减少煤粉火焰根部的氧浓度，抑制了燃料型NOx的形成。

（2）采用WR煤粉燃烧器浓淡分离的技术

该种燃烧器在气粉混合物流经粉管与燃烧器连接的最后一个弯头时，由于离心的作用，大部分煤粉（60～70％）紧贴外沿进入粉管上半部，而煤粉气流中的约50％的空气进入上半部。由于浓侧煤粉气流的空气量少，故抑制了燃料型NOx供富足氧量加以燃尽，整个过程可减少NOx的生成。即使由于局部温度高，热力型NOx的生成有所增加，但因前者起主要作用，因而浓侧的NOx生成减少。淡侧煤粉气流因空气流量多，燃料型NOx生成增多，但因温度低，热力型NOx大大减少，因而NOx生成量也有所减少。所以WR煤粉燃烧器的应用在设计上减少了煤粉炉NOx的生成。

（3）设置并发挥燃烬风的作用

开大最上层的燃尽风开度，可以使燃料层高温区缺氧燃烧，在火焰上升过程温度相对较低时提供富足氧量加以燃尽，整个过程可减少NOx的生成。

3试验方法

按GB10184-1988，《电站锅炉性能试验规程》及《330MW机组集控运行规程》进行锅炉燃烧调整试验，锅炉燃烧调整每个工况，采用网格法在空气预热器的进、出口分别进行烟气取样，经混合器混合后送到烟气分析小车进行分析。

4试验结果与分析

4.1锅炉配风方式对NOx排放量的影响

保持锅炉负荷、氧量、风箱与炉膛的压差、磨煤机组合方式等不变，通过不同的配风方式进行试验，结果如表1所示。从表中可以看出：倒三角配风方式锅炉NOx排放量最低，而正三角配风方式NOx排放量最高，其它两种配风方式NOx的排放量居中。采用倒三角配风方式，在主燃烧区域，锅炉氧量相对较低，因此燃烧的火焰温度也要相对低一些，热力型NOx和燃料型NOx的生成量都减少,在燃烧器区域上部送入过量的空气，有助于燃料燃尽，该区域不是主燃烧区域，火焰温度比较低，即使该区域氧量比较大,NOx的生成量也不会增大，因此，总的NOx排放量比较低，这也说明顶部二次风的投入确实能减少NOx的生成量。但由于燃烧区域下部送入风量比较少，对进入炉膛的煤粉顶托能力不够，致使炉渣可燃物含量比较大。采用正三角配风方式，锅炉的主要风量都从炉膛燃烧区域下部送入，使得主燃烧区域氧量比较大，燃烧的火焰温度也相对较高，从而使热力型NOx和燃料型NOx的生成量增加，总的NOx排放量也就增大。

表1锅炉采用不同配风方式时的试验结果

4.2燃烬风风门挡板及运行磨燃料风门开度对NOX排放量的影响

保持锅炉负荷、氧量、风箱与炉膛的压差、磨煤机组合方式等不变，通过分别调节燃烬风门及运行磨燃料风门开度方式进行试验，结果如表2所示;运行中适当加大燃烬风风门开度有利于降低SCR进口的NOx含量。按上锅厂设备说明书规定，当负荷＞75％BMCR时，燃烬风风门挡板应开始有开度，负荷至100％保持全开。如在200MW负荷，SCR投入运行时，可适当保持一定的燃烬风风门挡板开度，以降低SCR进口NOx含量，在保证NOx排放合格的情况下，减少喷氨量。运行中燃料风量的大小对SCR进口NOx含量也有一定的影响，燃料风和一次风喷口角度相同且在其外沿，某一工况下开大燃料风门，燃料风量增加，在燃烧初期属于富氧燃烧，燃料型NOx升高，因此SCR进口NOx含量上升。同理，关小辅助风门，降低辅助风量在总风量不变的情况下相当增加燃料风量，降低了迟介入的风量，燃烧初期属于富氧燃烧，SCR进口NOx含量也是上升的。

表2200MW工况下调整OFA对NOX的影响

4.3氧量对NOX排放量的影响

一、二次风同心反切的燃烧器设计，有利于风粉混和物的充分混合，有利于适当降低氧量运行，而过高的省煤器出口烟气含氧量导致SCR进口NOx含量高。保持锅炉负荷、配风方式及磨煤机组合方式均不变，通过调节送风量来改变锅炉的氧量，进行试验分析。如表3所示。

从表3数据可以看出：随着O2%的增加，锅炉的NOX排放量也在增加。在O2%增加到一定程度以后NOX排放量的增加渐趋平缓。这是因为随着O2%的增加，炉内燃烧区域的供氧量加强，燃烧强度加强，炉膛火焰温度升高，热力型NOX的生成量增大。另外，燃烧区域氧浓度增加，为燃料中的氮化合物燃烧时的热分解产物进一步氧化成NOX提供了条件，从而使燃料型NOX的生成量也增加，因此总的NOX排放量增加。然而随着O2%的进一步增大，送入锅炉的风量已经过大，造成燃烧区域的火焰温度降低，从而使热力型NOX的生成量减少。因此总的NOX排放量的增加趋势平缓。若O2%进一步增大，NOX的生成量还会有降低的趋势。

表3300MW工况下降低氧量对NOX的影响

4.4磨煤机组合运行方式对NOX排放量的影响

保持锅炉负荷，过量空气系数和配风方式不变，通过不同的磨煤机组合运行方式进行试验。

表4上、下层制粉对NOX的影响

从表4可以看出BCDE磨组合运行方式的NOx排放量要比ABCD磨组合运行方式的NOx排放量高。其主要原因是：对于上层BCDE磨组合运行方式，高温区域沿炉膛高度方向比较长，而对于ABCD磨组合运行方式，高温区域主要集中在下部，沿炉膛高度方向就比较短，所以其热力型NOX的生成量就比BCDE磨组合运行方式少，从而使下四层磨组合运行方式总的NOX排放量要比上四层磨组合方式少。

4.5风粉混和物浓度对NOX排放量的影响

保持锅炉225MW负荷、氧量、风箱与炉膛的压差等不变，通过改变磨煤机运行方式：由四台变成三台运行进行试验，结果如表5所示。从表中可以看出：运行中某些负荷段风粉混合物的变化较大，

表5225MW负荷磨运行台数对NOX的影响

例如：当AGC投入时负荷指令从200MW左右开始上涨，启动第四套制粉系统，在负荷指令变化不大的情况下每台给煤机平均给煤量下降，一次风量上升，风粉混和物的浓度下降，燃烧区域处于相对富氧燃烧。燃料型NOx上升，导致SCR进口NOx含量升高，喷氨量升高。因此在日常运行中需尽量保持较高的平均给煤量，三台磨煤机能正常维持的负荷段尽量不启动第四台磨煤机运行。实践证明225MW负荷时三台制粉运行SCR进口的NOx含量远低于四台制粉运行时SCR进口的NOx含量。

4.6磨煤机进口风量调整对NOX排放量的影响

保持锅炉200MW负荷、氧量、风箱与炉膛压差、磨煤机组合方式等不变，通过调节运行磨一次风量进行试验，结果如表6所示。从表中可以看出：增加运行磨煤机一次风量，其风粉浓度发生变化时，会影响NOX的排放。一次风量增加，二次风速相应比较低，刚性也比较弱，二次风会很快与一次风混合。在煤燃烧初始阶段，大部分的挥发分氮（气相氮化合物）随煤中其它挥发物一起释放出来，形成中间产物，如NHi、CH和HCN，在含氧条件下，这些中间产物会氧化成NOx，使燃料型NOx的生成量增大，从而使总的NOx排放量增大。磨煤机负荷下降时如果不对磨煤机进口风量进行调整，将使风粉混和物浓度下降，燃料型NOx升高。因此日常运行中应根据磨煤机负荷调整磨煤机进口风量，调节风煤比在2.0左右，并根据煤质变化加以调节，在保障燃烧安全经济的同时降低SCR进口NOx含量，降低环保运营成本。

表6制粉运行总风量对NOX的影响

5小结

影响煤粉炉烟气NOx形成的因素有：煤种（挥发份、氮量、固定碳）、燃料温度、过量空气系数（a值）、反应区的烟气组成（O2、N2、CO等）、反应停留时间、煤粉细度，其中过量空气系数a为最重要的影响因素，降低过量空气系数有利于抑制NOx的生成。从以上调整试验结果可得出以下结论：

（1）采用水平浓淡燃烧技术和在燃烧器顶部布置二次风（OFA）的方法，可以降低锅炉的NOx排放量。本台锅炉采用该项技术，通过合理的燃烧调整可降低NOx的排放量，到达减小脱硝喷氨量的目的。

（2）燃料型NOx影响比热力型NOx影响总排放量程度大。机组负荷低时，由于过量空气系数有所增大，其NOx排放浓度反而比300MW满负荷时大。通过对锅炉的燃烧调整优化，可以在保证锅炉热效率比较高的情况下，减少NOx的排放量。

（3）合理选择制粉系统运行方式，在汽温允许情况下，尽量选择下层制粉系统运行，适当减少磨的运行台数和减少一次风量，对降低NOx的排放量影响明显。对减少SCR运行成本，大有益处。

（4）选用低NOx燃烧技术时，必须根据具体的条件进行技术经济比较，不仅要考虑降低NOx，还要考虑对火焰的稳定性、燃烧效率、蒸汽温度控制、受热面结渣和腐蚀等的影响。锅炉的NOx污染物排放量最低时，锅炉效率不一定最高。

参考文献:

[1]阎维平,洁净煤发电技术(M),北京,中国电力出版社,2002。

[2]温智勇,宋景慧,锅炉燃烧调整对氮氧化物排放的影响,广东电力,2004年8月,26-28。

[3]冯道显，燃煤电厂选择性催化脱硝工艺的实践与探讨，电力环境保护，2005年6月，第21卷第2期，23-26。