摘要:低氮燃烧技术对控制NOx排放量起到十分重要的作用。本文对低氮燃烧技术在煤粉锅炉上的应用进行了分析，结合实例，对基于低氮燃烧技术的煤粉锅炉改造方案进行了设计，改造后的调试结果表明，该改造方案取得了良好的成效，对在煤粉锅炉中低氮燃烧技术应用方面具有一定的参考价值。
关键词:低氮燃烧；煤粉锅炉；应用
引言
改革开放以来，我国的经济得到了迅速的发展，工业也取得了极大的进步，同时也伴随着火电厂建设的不断增加。而随着火电厂建设的不断增加和规模的不断扩大，使得生产中NOx的排放量持续增长，严重影响到了生态环境的发展以及人类的健康，并对我国经济的可持续发展造成了不良的影响。而低氮燃烧技术作为控制NOx排放量的重要技术，其在火电厂煤粉锅炉中的应用对改善环境质量、促进经济的可持续发展具有十分重要的作用。
1 设备概况
某热电公司锅炉采用中储式制粉系统，四角切圆燃烧，单炉膛、平衡通风、固态排渣、倒U型露天布置、全钢架、全悬吊结构，为高温高压自然循环汽包炉。锅炉具体设计参数见表1。
本文以锅炉近年来实际燃用的煤种作为低氮燃烧改造设计的煤质依据，详细的煤质分析见表2。
2 改造方案
针对该型煤粉锅炉结构特点，以分级燃烧技术为基础，优化炉内配风，重新配置各级燃烧器，采用WR宽调节比低氮燃烧器及SOFA燃烧器更换旧火嘴，实现炉内分级燃烧，从而实现降低NOx排放量的目标。
2.1 改造机理
分级燃烧机理的核心在于将燃烧所需要的热风沿炉膛高度方向分级送入，从而在炉内依次形成主燃区、还原区及燃尽区三个燃烧反应区域。在主燃区，控制过量空气系数α=0.85～0.9，在此条件下将燃料送入炉内燃烧并生成NOx。随后含NOx的烟气沿炉膛上升至炉内的还原区，此时因其处于α＜l条件下的强还原性气氛，使已生成的NOx在遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时，会发生NOx还原反应，这样就把主燃区产生的NOx还原成N2。同时，由一定比例的热风从炉膛上部送入而形成的燃尽区将保证在主燃区中生成的未完全燃烧产物得以燃尽。
炉膛燃烧分区及各区主要燃烧化学反应见图1。
图1 低氮改造原理示意图
2.2 改造措施
依据上述基本原理，采取重新布置新型的WR低氮煤粉燃烧器，加装分离式火上风(SOFA)等技术手段，以此实现炉膛纵向上的燃烧区域划分。
具体改造措施如下:
(1)采用WR型低氮燃烧器。中小型煤粉锅炉燃烧系统多采用双通道自稳式燃烧器或均等配风火嘴，设计理念老旧，不利于NOx排量控制。有鉴于此，本次改造在标高12919mm、12304mm及11454mm处采用WR型低氮燃烧器替换老旧火嘴。因该型燃烧器喷嘴设计有“V”形扩流锥，可形成稳定回流区，卷吸高温烟气，加热火炬根部，强化燃烧。同时，其具有一定浓淡分离效果，故可在一定程度上减少热力型NOx和燃料型NOx生成量。
(2)采用同心圆燃烧系统。将原燃烧系统中的上、中、下三层二次风改造为偏置风喷嘴，即CFS喷嘴，借以形成“风包粉”的燃烧格局，使得炉膛水冷壁四周形成氧化性气氛，改变水冷壁附近灰渣结焦特性，减轻炉膛结焦倾向。
同时，需要指出，“风包粉”的燃烧格局实际上是浓淡分级燃烧。浓煤粉气流是富燃料气流，含氧量少，燃烧过程中由于着火稳定性得到改善，使挥发分析出速度加快，同时造成挥发分析出区域缺氧，使已形成的NOx与中间产物NHi反应生成N2，并使NHi与其它NHi反应，从而达到降低NOx排放的目的。淡煤粉气流是贫燃料燃烧，由于空气量偏大，使燃烧温度降低，抑制了热力型NOx的生成，而且在火焰缺氧的条件下，含氮基团和NO、H反应生产N2分子，燃料型NOx生成量也将减少。
(3)三次风的处理。考虑到该锅炉采用中储式制粉系统，其产生的乏气作为三次风被送入锅炉燃烧。因三次风尚含有10%～15%的细粉，故为避免改造后主燃区壁面热负荷过高而引起结焦，本次改造将三次风由原标高14189mm提高至15500mm，且将其圆形喷口改造为带有周界风的方形喷嘴，借以提高三次风工作可靠性。
(4)增设分离式火上风(SOFA燃烧器)。在炉膛标高19500mm和17500mm处分别增加一层SOFA燃烧器。将部分热风由炉膛上部分级供入，使主燃区实际空气量与理论空气量的比值由原来α=1.2变为α=0.85～0.9。此外，SOFA燃烧器喷口可以垂直摆动±30°，水平摆动±15°，即可根据锅炉运行状态对喷口角度适当调整以此合理组织燃烧。
(5)燃烧器主要设计参数的选择。因该锅炉投运多年，实际所用燃煤已偏离原设计要求，故需要根据实际所用煤种的燃料特性，重新选择炉内各级配风的设计参数。燃烧器设计参数见表3。
3 低氮燃烧改造后的调试
在低氮燃烧改造实施中，后期调试工作是决定最终实际改造效果是否达标的关键因素之一。本次改造以改造前划线试验为基础，按标准GB10148—1988《电站锅炉性能试验规程》进行锅炉燃烧调整试验，以期找出该型锅炉最佳运行方式，实现低氮排放目标。
同时，为全面考核该型锅炉改造后排放性能，本次改造结合电厂日常生产实际需求，确定锅炉负荷210t/h(80%负荷)及250t/h(95%负荷)作为性能考核工况。
3.1 划线试验
划线试验是低氮燃烧改造前必不可少的技术环节，通过划线试验，摸清该型锅炉实际运行状况，为确定改造后各项指标保证值奠定基础。试验要求保持锅炉运行状态稳定，基本维持在考核出力附近。
具体方案如下:
采用等截面网格法在上级省煤器的出口进行烟气取样，经混合器混合后送到烟气分析仪进行分析，借以测量该处NO、O2浓度分布。空气预热器进口温度和排烟温度用网格法进行测量，在静电除尘器入口前烟道采集飞灰；同时，炉渣在捞渣机出口取样。锅炉的效率用反平衡法进行计算。NO的浓度折算为O2=6%条件下的浓度。划线试验数据见表4。
由此可见，该型锅炉改造前，NOx排放量较高，为732～809mg/m3(标态)。
3.2 风箱与炉膛压差对NOx排放量的影响
风箱与炉膛压差是锅炉燃烧状态调整的重要参考指标，其实际表征的是二次风速对锅炉燃烧性能的影响。本文试验保持锅炉负荷、配风方式、氧量、制粉系统运行方式均稳定不变，通过改变二次风箱与炉膛压差Δp来考察其对锅炉NOx排放量的影响。试验结果详见图2。
如图4所示，在锅炉负荷210t/h时，锅炉NOx排放量随着二次风箱与炉膛压差Δp增大而逐渐降低，当压差超过1500Pa后，NOx排放量变化趋缓。
图2 锅炉出力210t/h时压差Δp对NOx排放量影响
如图2所示，在锅炉负荷250t/h时，锅炉NOx排放量随着二次风箱与炉膛压差Δp增大而逐渐降低，当压差超过1800Pa后，NOx排放量变化趋缓。
由此我们可以推断，在锅炉负荷一定的情况下，锅炉NOx排放量随压差Δp增大而降低是由于此时送入炉膛的二次风风速随之增加，而二次风速的提高，使其获得了较大动量，导致入炉后二次风与一次风混合推迟，进而使一次风所携带的煤粉在弱氧化性气氛下燃烧，这样燃烧所产生的NOx得到一定抑制，因此NOx排量降低。需要指出的是，当压差Δp增大到一定程度后，虽然入炉二次风风速仍会有所提高，但此时其延迟混合的效果因二次风的偏置而有所减弱，故NOx变化趋于平缓；当压差Δp比较低时，二次风速比较低，刚性也比较弱，二次风很快就与一次风混合，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，在氧气存在条件下，这些中间产物会进一步氧化成NOx，使燃料型NOx的生成量增大，从而使总的NOx排放量增大。
3.3 氧量对NOx排放量影响
图3给出了氧量与NOx排放量的变化关系。
图3 锅炉出力210t/h时O2对NOx排放量影响
从图中以看出，随着氧量O2的增加，锅炉的NOx排放量也在增加，特别是当系统单磨运行时，锅炉NOx排量随O2变化较敏感，平均O2每变化1%，NOx排量变化42.3～50.2m3/mg(标态)。这主要是因为随着O2的增加，炉内燃烧区域的供氧量加强，燃烧强度随之增强，使炉膛火焰温度升高，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。当系统双磨运行时，需注意到在O2增加到一定程度以后，NOx排放量的增加渐趋平缓，平均O2每变化1%，NOx排量变化10.7～21.8m3/mg(标态)。这是由于双磨运行时，系统制粉风量大，故炉内O2水平较高，当O2进一步增大时，送入锅炉的过大风量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。根据文献，若此时O2进一步增大，NOx的生成量还可能会有降低的趋势。
3.4 锅炉配风方式对NOx排放量的影响
锅炉燃烧系统四角分别增设两层SOFA燃烧器后，炉内配风方式较改造前发生较大变化，其对锅炉燃烧后NOx排放量影响如表5所示。
由此可见，在锅炉负荷210t/h和250t/h时，采用倒三角形配风方式锅炉NOx排放量最低，此时上下两层SOFA风开度最大，使得锅炉燃尽风率占入炉总风量的20%左右，同时各层二次风自下往上逐渐开大，使炉内燃烧后期所需要的氧气渐次混入，从而实现分级燃烧。此外，在炉膛主燃区形成暂时缺氧的还原性气氛，且该区域温度水平较低，这都有利于NOx排放量的降低；而随着二次风依次送入，烟气中可燃物继续燃烧所需的氧气得到有效补充，从而使得飞灰可燃物水平较低，为3.71%～3.76%。但由于炉膛底部送入的二次风较少，对下一次风火炬托举能力不足，致使底渣可燃物高达8.54%～10.4%。
采用正三角配风方式时，SOFA风开度较小，大量二次风从炉膛底部送入，虽然此时底层二次风对主燃区火球托举能力强，使底渣可燃物较低，但是由于在主燃区形成富氧环境，这一方面造成主燃区温度水平较高，热力型NOx产生较多；另一方面，炉内煤粉燃烧后产生的大量中间产物大大地被富余的氧气进一步氧化成NOx，使燃料型NOx也大大增加，从而使总的NOx排放量增加，此时NOx水平最高。
采用缩腰形配风方式时，炉膛底部二次风和顶部SOFA风开大，中部二次风关小。这样，在底部对炉内火焰托举能力充足，有利于减少底渣可燃物含量，同时炉膛中部形成还原性气氛，使得底部一次燃烧所产生的NOx中间产物随烟气沿炉膛上升时得到还原，最终在顶部SOFA后期补入的氧气作用下，烟气中可燃物得到充分燃烧，使得飞灰含碳降低。因此，在保证NOx排放较低的情况下，飞灰及底渣可燃物均得到有效控制。
3.5 制粉系统运行方式对NOx排放量的影响
有关研究表明，在中储式制粉系统中，制粉系统运行方式对锅炉NOx排放量具有显著影响。
从图4～图7来看，在相同工况下，单磨运行较双磨运行时NOx排放量明显降低，约减少12%。这主要是因为制粉系统中磨煤机的启停引起了制粉系统中干燥乏气，即三次风量的增减，进而影响锅炉燃烧后NOx的排量。需要指出，三次风含10%～15%细粉，且含湿率较高，温度较低，虽然入炉后使锅炉燃尽区温度降低，使得热力型NOx有所降低，但其本身因强氧化性气氛，使入炉细粉燃烧后产生大量燃料型NOx，从而使总NOx排放量增加。因此，在大量装备中储式制粉系统的中小型煤粉锅炉中，应优化制粉系统运行方式，提高单磨运行小时数，以便减少三次风量，进而降低NOx排放水平。
4 结语
综上所述，低氮燃烧技术在煤粉锅炉上的应用能够有效降低NOx的排放量，对保护生态环境，促进国民经济的可持续发展具有十分重要的意义。因此，在火电厂煤粉锅炉燃烧中，相关技术人员要合理应用低氮燃烧技术进行改造，从而降低NOx的排放量，促进火电厂的可持续发展。本次改造通过在煤粉锅炉中应用低氮燃烧技术，取得了良好的成效，其改造方案对类似火电厂煤粉锅炉改造具有重要的参考价值。
参考文献
[1]黄敏,吴晓烽,王楚玉.浅析低氮燃烧技术在燃煤锅炉中的应用[J].能源与环境.2014(02)
[2]朱永华.低氮燃烧技术在煤粉锅炉上的应用研究[J].科技传播.2014(06)
论文作者:郑炳奎
论文发表刊物:《基层建设》2016年24期8月下
论文发表时间:2016/12/6
标签：锅炉论文; 排放量论文; 炉膛论文; 制粉论文; 煤粉论文; 可燃物论文; 系统论文; 《基层建设》2016年24期8月下论文;