摘要：借鉴国内外主流低氮减排技术，通过对原有技术优化升级，摸索出新一代煤粉锅炉NOx联合控制技术，进一步发掘了煤粉燃烧器的低氮潜力，并将煤气化空气无级分级低氮燃烧与空气分级燃烧。经试验对比，应用后锅炉尾气NOx排放可达200mg/m3以下，结合SCR烟气脱硝技术，NOx排放可降到50mg/m3以下。通过以上低氮措施，煤粉锅炉系统NOx控制水平得到提升，满足并优于国家最新环保标准。
关键词：氮氧化物；低氮燃烧；烟气再循环；煤粉锅炉
近年来，随着我国逐步与世界上先进国家接轨和国民环保意识的不断增强，我国将出台严格的NOx排放标准。这对发电厂如何降低锅炉的NOx排放提出了相当高的要求。氮氧化物的排放对公众健康、城市细粒子、臭氧和区域酸沉降产生严重影响。氮氧化物排放量的增加使得我国酸雨污染已经由硫酸型主导，向硫酸和硝酸复合型转变，这表明氮氧化物排放已经成为我国酸雨控制的又一重要污染物。同时，氮氧化物还是臭氧和酸沉降等二次污染的重要前体物，灰霾的形成与氮氧化物有很大关系。目前，国内新建的大型电站燃煤锅炉的燃烧系统中普遍采用了低氮燃烧技术，这些技术大多是随锅炉主设备一起引进的，也有一些是属于借鉴国外先进技术自行设计开发的。经过国内电力生产企业和科研院所的消化吸收，目前低氮燃烧技术大都取得了良好的应用；同时国内的锅炉生产厂家在低氮燃烧系统设计领域也正逐步由以前的单纯模仿向自主设计方向迈进。但不可否认，国内低氮燃烧领域依然缺乏独立知识产权的产品；技术的实施领域主要是改造，设计领域存在计算模型简单、中间试验不完备、商业运行缺乏系列数据积累、模型验证过程不严密等诸多问题，致使这些技术尚不能成为制造标准，无法全面地进行商业化运作。
氮氧化物生成机理
NOx是NO和NO2的统称，燃煤电厂烟气中的NOx主要是煤燃烧产生的。通常，燃烧生成的NOx由超过90%的NO和小于10%的NO2组成。依据氮氧化物生成机理，可分为热力型、燃料型和快速型NOx三类，其中燃料型NOx占总生成量的75 %～85%，热力型NOx达15～25 %，快速型NOx生成量很少，可以忽略不计。
1.几种常见NOx减排技术
NOx控制主要分为燃烧中处理和燃烧后处理。燃烧中处理即低氮燃烧技术，包括空气分级燃烧、烟气再循环、燃料分级燃烧和低氧燃烧法等技术。燃烧后脱氮主要是指烟气脱硝，包括选择性催化还原法（SCＲ）、选择性非催化还原法（SNCR）等。
1.1低氮燃烧技术
国外低氮燃烧技术起步早，技术成熟。20世纪50年代，美国首先开发出了空气分级燃烧技术，随后日本和德国相继研制出了低NOx燃烧器，经过多年的优化改进，形成了多种产品，各公司的低NOx燃烧器各具特色，相互交叉和渗透。我国的NOx减排技术在20世纪八九十年代就已起步，当时着眼点是投资少而又易于加装改造的措施，各式各样的低氮燃烧器和炉膛设计陆续研制完成，取得了一定的效果。
空气分级燃烧技术是将空气分成一级或多级加入，在前段燃烧区（一级燃烧区）只加部分空气，形成过量空气系数a＜1的富燃料区并制造还原性气氛，抑制NOx的形成并还原已经形成的NOx。在后段燃烧区内加入充足的空气，形成a＞1的贫燃料区使煤粉燃烬提高燃烧效率。Babcock公司的第二代燃烧器WB型燃烧器（双调风燃烧器）、WSF型燃烧器，到第三代DS型燃烧器均是空气分级燃烧器的典型代表。
1.2烟气脱硝技术
SCR烟气脱硝是当前主流烟气脱硝技术，主要用于电站锅炉。其工艺原理是在有催化剂存在的条件下，将还原剂（氨气）喷入一定温度下（290～430℃）的烟气内，使NOx还原成N2和H2O的方法。催化剂是SCＲ工艺的重要部分，成本占到总投资的25%～30%，成本很高。在理想状态下，SCＲ法NOx脱除率可达90%以上，但实际脱除率仅达65%～80%。脱除性能的好坏取决于催化剂的活性、用量以及NH3与废气中的NOx的比率。
SNCR是用NH3、尿素等还原剂喷入炉膛为850～1100℃的区域，还原剂可与烟气中的NOx进行选择性反应生产N2。SNCR技术是把燃烧室作为反应器，脱硝效率较为30%～60%，与SCＲ相比，SNCR技术具有投资少、运行费用低、回收周期短的优点。
随着新的NOx排放标准出台，在2020年前，对燃煤机组全面实施超低排放，要求现役燃煤机组的大气主要污染物排放标准达到天然气燃气机组的排放标准，即在基准氧含量6%条件下，烟尘10mg/m3，二氧化硫35mg/m3，氮氧化50mg/m3。东、中部地区要提前至2017年和2018年达标。综上所述，低氮燃烧技术的运用势在必行。
二、低氮燃烧改造
2.1锅炉概况
珠江电厂现装机容量4×300MW，型号为HG1021/18.2-YM3型锅炉和N320-16.67/538/538型亚临界、中间再热、单轴、两缸两排汽、冷凝式汽轮机机组，锅炉整体Π型布置，全钢构架悬吊紧身全封闭结构。锅炉设计压力17.4MPa，再热器设计压力3.31MPa。最大连续蒸发量为1021t/h，额定蒸发量为923t/h，额定蒸汽温度540℃。设计主燃料为神府东胜烟煤。炉膛燃烧方式为正压直吹四角喷燃切圆燃烧，设6层直流水平浓淡摆动式燃烧器，燃烧器上方布置二层OFA燃尽风。经过优化燃烧调整，锅炉尾气NOx排放维持在400mg/m3左右。2014年四台炉先后采用了SCR烟气脱硝技术，采用尿素热解制氨。设备投用后NOx脱除率可达85%以上，SCR出口NOx 浓度可以长期维持在50mg/m3以下，排放符合国家环保标准。但运行中尿素用量巨大，氨逃逸结晶使各台炉不同程度出现空预器压差大，导致多次送风机、一次风机喘振事故，影响设备安全和机组出力。
2.2改造思路
锅炉为CE燃烧技术：一次风垂直浓淡分离，二次风喷嘴出口气流与一次风同心反切。此技术虽然降低了四角布置切圆燃烧锅炉的烟温偏差，但是，由于二次风喷口的出口气流有反切，对于炉膛中心则为相对多氧区域，此种燃烧配风对深层降低NOx的生成不利。锅炉原设计燃尽风OFA喷嘴紧贴上层煤粉燃烧器（基本处于炉膛主燃区域），此风参与锅炉主燃区的燃烧，使主燃区域做不到欠氧运行，也使已生成的NOx无还原空间和时间。就现在现有设备结构状态，若进行低NOx燃烧调整（减少煤粉燃烧区域供风）做到欠氧运行，NOx排放虽然可以降低，但是将严重影响锅炉的经济性，机械和化学不完全燃烧损失会大大增加。针对珠江电厂#1、2锅炉燃烧设备布置及技术存在的问题，在安全、经济、稳定、可靠等基础上进行低NOx 燃烧改造。去除最上两层OFA二次风喷口，对OFA风室进行封堵。在锅炉四角距离最上层燃烧器上方约8米处新增设置三层燃尽风喷口，三层全开其风量为全炉总风量的30%左右；喷嘴反切5－8°，可垂直气动摆动正负20°和水平手动摆动正负10°，可有效的调整燃尽风区域高度（防屏过超温）和有效的消除四角布置切圆燃烧锅炉的左右烟温偏差。采用现代优化燃烧和低NOx排放燃烧技术，
2.3燃烧器型式选择
对于低氮燃烧改造方案，燃烧器型式的选择是一项关键技术之一。总体来讲，被广泛应用的燃烧器型式，主要集中在水平浓淡燃烧器和垂直浓淡燃烧器这两大类。水平浓淡燃烧器能实现水平方向的煤粉浓淡分离，具有射流偏向炉膛中心、径向卷吸能力强、“风包煤”效果明显等特点；垂直浓淡燃烧器能实现垂直方向的煤粉浓淡分离，在燃烧组垂直方向布置上，可实现“浓浓-淡淡-浓浓”的布置方式，能够形成燃烧区宏观的浓淡分离效果。对于燃烧器型式的选择，还要注意浓淡分离效果。能否实现燃烧器喷口处的浓淡分离，以及合理的分离比例与相关参数，是确保低氮燃烧的关键所在。本工程采用水平布置的对置丘体式高浓缩比燃烧器。
2.4具体改造概括如下：
2.4.1燃烧器采用水平布置的对置丘体式高浓缩比燃烧器。
2.4.2炉内纵向高度方向预留大空间还原区间。
2.4.3主燃区域上方角水冷壁管屏开孔，增设三层SOFA燃尽风喷嘴。
2.5工艺原理
煤粉锅炉低氮燃烧区域分布如图1所示。在预燃室内分级送风，一、二次风的合计送入量小于燃烧所需空气量，煤粉在缺氧条件下发生（半）煤气化反应，形成以CO为主的还原性气氛，抑制NOx的生成；通过特殊设计的燃烧器结构及改变通过燃烧器的风煤比例，以达到在燃烧器着火区空气分级、燃烧分级。在保证煤粉着火燃烧的同时，有效抑制NOx 的生成。如燃烧器出口燃料分股：浓淡煤粉燃烧。在煤粉管道上的煤粉浓缩器使一次风分成水平方向上的浓淡两股气流，其中一股为煤粉浓度相对高的煤粉气流，含大部分煤粉；另一股为煤粉浓度相对较低的煤粉气流与顶部增设三层SOFA燃尽风混合燃烧，进一步抑制NOx 的生成。煤粉燃烧器采取空气分级低氮燃烧技术，通过在预燃室内低氧气氛的反应，很好地抑制了挥发分氮和一部分焦炭氮向NOx的转化。
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图1 炉内低氮燃烧区域示意图
3.改造效果
通过SCR烟气脱硝与低NO燃烧技术联合使用，整个燃烧过程中NOx的生成量可得到有效抑制，SCR入口NOx浓度降到200mg/m3以下。即减少了尿素使用量，又实现燃烧系统低NOx排放。经热力性能试验，比优化前的脱硝成本节约40%以上。取得了显著的经济效益。
结论
氮氧化物的排放效果与锅炉的设计因素紧密相关，锅炉炉结构参数、低氮燃烧系统所采用的综合技术和燃烧设备布置方式等对NOx的排放起决定性作用。而NOx的实际排放则将受燃烧系统及设备的可控性的影响，并可能为锅炉其他被控参数的调节要求所限制。通过将SCR烟气脱硝与空气分级燃烧和低NOx燃烧技术联合使用，即实现燃烧系统低NOx排放，又大幅降低运行费用，取得了良好的经济和环保效益。在役燃煤机组氮氧化物控制应通过经济性管理分析来确定是否应进行低氮燃烧技术改造。从低氮燃烧技术改造经济性管理角度看，燃煤电厂进行低氮燃烧技术改造是有必要的。但应尽可能的控制改造部分的设计、安装成本，保证低氮燃烧技术改造的技术水平。
参考文献：
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[3]刘孜.关于我国NOx污染指标及控制措施等有关问题的探讨[M].国家环境保护总局。
论文作者:李建东
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/5
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