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[摘 要]本文介绍的低氮燃烧器的改造，可以在炉内降低部分NOx的生成，在满足新排放标准的情况下可以降低尾部脱硝设施的投资及运行费用，为火电机组污染物达标排放提供有意的参考。
[关键词]低氮燃烧；燃煤锅炉；NOx生成；控制
中图分类号：TK323 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）21-0176-01
1 引言
火电厂大气污染物排放控制问题，已越来越受到世界各国政府的关注和重视。国家对污染物排放控制标准也逐步提高，火电厂普遍应用了脱硫、脱硝装置和低氮燃烧技术。因此，根据环境保护部的火电厂氮氧化物防治技术政策的技术路线要求，低氮燃烧技术应作为燃煤电厂氮氧化物控制的首选技术。
神宁烯烃动力中心6×460t/h机组锅炉在正常运行工况下烟气NOx排放浓度约为400～550mg/m3，锅炉现有燃烧系统的NOx控制技术水平较低。为满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）、国务院关于大气污染防治“十二五”规划的批复（国函〔2012〕146号）和当地环保要求，神宁烯烃动力中心必须在2015年12月31日前先后完成6台机组低氮燃烧改造，控制NOx排放浓度不大于50mg/Nm3。此外，该公司锅炉排烟温度（修正后）存在着较设计值偏高20℃左右的情况。因此，神宁烯烃动力中心计划对锅炉进行降低NOx和排烟温度的技术改造，并以项目总承包的形式进行实施，由承包方根据锅炉实际运行状况，研究制定符合实际需求的低氮燃烧器改造方案，承包方负责设计、设备和材料采购、制造、供货、安装（含拆除和恢复）、系统调试、试验及检查、试运行、消缺、培训和最终交付投产等全过程。项目总体要达到的指标如下：改造后烟囱出口的NOx排放浓度全负荷段（最低稳燃负荷至BMCR）均不大于50mg/Nm3。介绍了改造方案及取得的效果，以期为其他电厂的同类机组改造提供参考。
2 燃煤电站锅炉炉内N0x生成机理与分级燃烧
2.1 N0x生成机理
煤炭燃烧过程中产生氮氧化物的途径有三种：热力型、燃料型和快速型。在燃煤锅炉中NOx的生成主要依赖于燃料型和热力型，在炉温比较高的情况下热力型NOx的生成量急速上升是NOx主要生成源，快速型NOx生成量通常很少。燃煤电站锅炉煤炭在炉内空间燃烧炉内温度通常很高，在高温下NOx的生成机理是根据捷里多维奇理论来分析的，NOx的生成过程经过许多中间反应最终而形成，在各中间反应期间受反应分解平衡常数，活化能、煤粉与空气的流动和混合状况等因素的影响。
因此对于燃煤火力发电厂。降低氮氧化物生成量的途径在于控制02、N2的浓度以及燃烧过程中的温度，其中控制温度与02的供给量，对降低由燃烧而产生的氮氧化物生成量具有显著的实际应用价值，是实施炉内分级燃烧控制氮氧化物生成的理论基础。
2.2 炉内分级燃烧原理
根据氮氧化物生成机理，炉内分级燃烧是通过调整燃烧器及其附近区域或是整个炉膛区域内空气和燃料的混合状态，使燃料经过空气过量系数小于1的贫氧区和大于l的富氧区两个阶段，实现NOx生成量下降的燃烧控制技术。在空气过量系数小于1的燃烧阶段，由于氧气浓度较低，抑制了热力型NOx的生成，同时不完全燃烧使部分中间产物如HCN和NH3将部分已生成的NOx还原成N2，减少燃料型NOx的生成。然后在空气过量系数>l的富氧燃烧阶段，并燃尽。但由于此区域的温度已经降低，新生成的NOx量十分有限，因此总体上NOx的排放量明显减少。分级燃烧技术的实际应用主要有顺烟气流向分级燃烧和沿炉膛断面分级燃烧两种方式，本试验采用顺烟气流分级燃烧。顺烟气流向分级燃烧是将燃烧所需的二次风分两部分进入炉膛：一部分为主二次风，约占二次风总量的70%～85%，另一部分为火上风，约占二次风量的15%～30%。如此，炉膛内形成三个燃烧区域，即热解区、贫氧区和富氧区。在热解区中煤粉和一次风混合燃烧，会生成少量的热力型NOx，在贫氧区中燃料不完全燃烧，抑制了燃料性NOx的生成，在富氧区中火上风促进了燃料的完全燃烧。整个过程减少了热力型NOx的生成，同时抑制了燃料型NOx的生成，实际应用效果良好。
3 方案优化研究
3.1 影响锅炉NO，排放的因素
研究表明，在煤的燃烧过程中生成N0，主要有燃料型NOx、热力型NOx、快速型NOx，3种，其中燃料型N0x：含量约占75%～95%，其他为热力型N0x，和快速型NOx，快速性N0x含量小于5%。实施低氮燃烧改造受煤种因素影响较大，一般来说燃用高挥发分煤种的锅炉更适合采用低氮燃烧技术，而燃料含氮量越高，在相同燃烧条件下NOx排放也相应越高。在确定煤种之后，分析N0x排放主要受主燃区过量空气系数、炉膛温度、主燃区气氛、煤粉在还原区停留时间等几个因素的影响，其他如燃烧器结构形式、煤粉细度、炉内流场、燃烧配风方式等也会对锅炉NOx排放产生一定的影响。
3.1.1 过量空气系数
锅炉运行中过量空气系数增加会导致主燃烧区过量空气系数的增加，促进生成燃料型NOx，这样导致总的NO排放量增加。另外，总的过量空气系数增加，也将导致N0。排放量修正到O2=6%系数时发生变化。
3.1.2 煤粉在还原区停留时间
煤粉颗粒在还原区停留时间越长，越有利于NO还原为N。的反应，相应可以降低NOx排放量。工程经验表明设计增加分离燃尽风与上排一次风喷嘴间距，则NOx排放量要明显降低。
3.2 主要优化措施
根据基础条件，制定了低氮燃烧器改造优化方案，其中分离燃尽风设计基本不变，可上下摆动30。及左右水平摆动，主要是调整了六层一次风煤粉喷嘴的间距。
3.2.1 增加高负荷下煤粉在还原区停留时间
锅炉在高负荷下烟气量较大、烟气流速较快，所以煤粉在还原区内停留时间较短。优化措施为更换全部主燃烧器并调整各层煤粉燃烧器标高：燃尽风占总风率比、距屏底距离、高低位燃尽风距离保持不变，主要是压缩了主燃区高度，增加了主燃区壁面热负荷。最下层煤粉燃烧器喷嘴标高保持不变，调整六层一次风煤粉燃烧器间距。原煤粉喷嘴各层间距均等布置，根据数值模拟计算结果，优化方案调整为各层间距自下向上的不均等布置。改造后六层煤粉喷嘴的标高改变，且一次风/煤粉喷嘴间距下方小、上方大的布置是为了炉内温度场分布相适应，目的是减少炉膛结渣的风险并提高锅炉的稳燃能力。
在保证燃烧稳定性的同时，减少上下一次风/煤粉喷嘴间距，相应还原区长度延长了一定数量，延迟煤粉在还原气氛里的停留时间。
3.2.2 减少低负荷下锅炉燃烧器漏風
锅炉在低负荷下燃烧器的漏风占总风量的比例较大，同时炉膛出口氧量往往较高，导致主燃烧器区域无法达到较低的过量空气系数。因此根据炉内热负荷/温度场分布，对二次风门挡板结构进行进一步优化，减少低负荷时燃烧器喷口的漏风。调整两层一次风之间的喷口的数量和尺寸，进一步减少了喷口和箱壳之间的漏风。从而提高低负荷下锅炉降低NOx排放的性能。
3.2.3 锅炉适应性优化措施
二次风喷嘴采用偏转二次风技术。两层煤粉喷嘴之间的二次风分为两部分：一部分二次风与一次风煤粉喷嘴偏转方向相同；另一部分二次风相对一次风煤粉喷嘴正切一定角度。偏置风的采用可形成水平方向上的空气分级，提升还原反应效率。两部分二次风由2个二次风门挡板分别控制，可通过风门挡板的开度来调整两部分二次风的比例，从而调整炉内切圆直径、旋转强度及贴壁气氛，提高锅炉对煤种的适应性。一次风煤粉喷管采用新型的浓淡分离结构，进一步提高浓淡分离效果，从而降低锅炉的NOx排放及稳燃能力。
对二次风道进行优化，在大风箱风道上增加挡板门，增大主燃烧器二次风阻力，从而保证足够的分离燃尽风风量。
4 结语
我国是一个以煤为主的国家，在较长时间内以煤为主的能源结构不会改变。本文介绍的低氮燃烧器的改造，可以在炉内降低部分NOx的生成，在满足新排放标准的情况下可以降低尾部脱硝设施的投资及运行费用，为火电机组污染物达标排放提供有意的参考。
作者简介
陈冲（1987-），辽宁人，助理工程师，现供职于神华宁夏煤业集团烯烃一分公司，研究方向为火电系统运行管理。
[关键词]低氮燃烧；燃煤锅炉；NOx生成；控制
中图分类号：TK323 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）21-0176-01
1 引言
火电厂大气污染物排放控制问题，已越来越受到世界各国政府的关注和重视。国家对污染物排放控制标准也逐步提高，火电厂普遍应用了脱硫、脱硝装置和低氮燃烧技术。因此，根据环境保护部的火电厂氮氧化物防治技术政策的技术路线要求，低氮燃烧技术应作为燃煤电厂氮氧化物控制的首选技术。
神宁烯烃动力中心6×460t/h机组锅炉在正常运行工况下烟气NOx排放浓度约为400～550mg/m3，锅炉现有燃烧系统的NOx控制技术水平较低。为满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）、国务院关于大气污染防治“十二五”规划的批复（国函〔2012〕146号）和当地环保要求，神宁烯烃动力中心必须在2015年12月31日前先后完成6台机组低氮燃烧改造，控制NOx排放浓度不大于50mg/Nm3。此外，该公司锅炉排烟温度（修正后）存在着较设计值偏高20℃左右的情况。因此，神宁烯烃动力中心计划对锅炉进行降低NOx和排烟温度的技术改造，并以项目总承包的形式进行实施，由承包方根据锅炉实际运行状况，研究制定符合实际需求的低氮燃烧器改造方案，承包方负责设计、设备和材料采购、制造、供货、安装（含拆除和恢复）、系统调试、试验及检查、试运行、消缺、培训和最终交付投产等全过程。项目总体要达到的指标如下：改造后烟囱出口的NOx排放浓度全负荷段（最低稳燃负荷至BMCR）均不大于50mg/Nm3。介绍了改造方案及取得的效果，以期为其他电厂的同类机组改造提供参考。
2 燃煤电站锅炉炉内N0x生成机理与分级燃烧
2.1 N0x生成机理
煤炭燃烧过程中产生氮氧化物的途径有三种：热力型、燃料型和快速型。在燃煤锅炉中NOx的生成主要依赖于燃料型和热力型，在炉温比较高的情况下热力型NOx的生成量急速上升是NOx主要生成源，快速型NOx生成量通常很少。燃煤电站锅炉煤炭在炉内空间燃烧炉内温度通常很高，在高温下NOx的生成机理是根据捷里多维奇理论来分析的，NOx的生成过程经过许多中间反应最终而形成，在各中间反应期间受反应分解平衡常数，活化能、煤粉与空气的流动和混合状况等因素的影响。
因此对于燃煤火力发电厂。降低氮氧化物生成量的途径在于控制02、N2的浓度以及燃烧过程中的温度，其中控制温度与02的供给量，对降低由燃烧而产生的氮氧化物生成量具有显著的实际应用价值，是实施炉内分级燃烧控制氮氧化物生成的理论基础。
2.2 炉内分级燃烧原理
根据氮氧化物生成机理，炉内分级燃烧是通过调整燃烧器及其附近区域或是整个炉膛区域内空气和燃料的混合状态，使燃料经过空气过量系数小于1的贫氧区和大于l的富氧区两个阶段，实现NOx生成量下降的燃烧控制技术。在空气过量系数小于1的燃烧阶段，由于氧气浓度较低，抑制了热力型NOx的生成，同时不完全燃烧使部分中间产物如HCN和NH3将部分已生成的NOx还原成N2，减少燃料型NOx的生成。然后在空气过量系数>l的富氧燃烧阶段，并燃尽。但由于此区域的温度已经降低，新生成的NOx量十分有限，因此总体上NOx的排放量明显减少。分级燃烧技术的实际应用主要有顺烟气流向分级燃烧和沿炉膛断面分级燃烧两种方式，本试验采用顺烟气流分级燃烧。顺烟气流向分级燃烧是将燃烧所需的二次风分两部分进入炉膛：一部分为主二次风，约占二次风总量的70%～85%，另一部分为火上风，约占二次风量的15%～30%。如此，炉膛内形成三个燃烧区域，即热解区、贫氧区和富氧区。在热解区中煤粉和一次风混合燃烧，会生成少量的热力型NOx，在贫氧区中燃料不完全燃烧，抑制了燃料性NOx的生成，在富氧区中火上风促进了燃料的完全燃烧。整个过程减少了热力型NOx的生成，同时抑制了燃料型NOx的生成，实际应用效果良好。
3 方案优化研究
3.1 影响锅炉NO，排放的因素
研究表明，在煤的燃烧过程中生成N0，主要有燃料型NOx、热力型NOx、快速型NOx，3种，其中燃料型N0x：含量约占75%～95%，其他为热力型N0x，和快速型NOx，快速性N0x含量小于5%。实施低氮燃烧改造受煤种因素影响较大，一般来说燃用高挥发分煤种的锅炉更适合采用低氮燃烧技术，而燃料含氮量越高，在相同燃烧条件下NOx排放也相应越高。在确定煤种之后，分析N0x排放主要受主燃区过量空气系数、炉膛温度、主燃区气氛、煤粉在还原区停留时间等几个因素的影响，其他如燃烧器结构形式、煤粉细度、炉内流场、燃烧配风方式等也会对锅炉NOx排放产生一定的影响。
3.1.1 过量空气系数
锅炉运行中过量空气系数增加会导致主燃烧区过量空气系数的增加，促进生成燃料型NOx，这样导致总的NO排放量增加。另外，总的过量空气系数增加，也将导致N0。排放量修正到O2=6%系数时发生变化。
3.1.2 煤粉在还原区停留时间
煤粉颗粒在还原区停留时间越长，越有利于NO还原为N。的反应，相应可以降低NOx排放量。工程经验表明设计增加分离燃尽风与上排一次风喷嘴间距，则NOx排放量要明显降低。
3.2 主要优化措施
根据基础条件，制定了低氮燃烧器改造优化方案，其中分离燃尽风设计基本不变，可上下摆动30。及左右水平摆动，主要是调整了六层一次风煤粉喷嘴的间距。
3.2.1 增加高负荷下煤粉在还原区停留时间
锅炉在高负荷下烟气量较大、烟气流速较快，所以煤粉在还原区内停留时间较短。优化措施为更换全部主燃烧器并调整各层煤粉燃烧器标高：燃尽风占总风率比、距屏底距离、高低位燃尽风距离保持不变，主要是压缩了主燃区高度，增加了主燃区壁面热负荷。最下层煤粉燃烧器喷嘴标高保持不变，调整六层一次风煤粉燃烧器间距。原煤粉喷嘴各层间距均等布置，根据数值模拟计算结果，优化方案调整为各层间距自下向上的不均等布置。改造后六层煤粉喷嘴的标高改变，且一次风/煤粉喷嘴间距下方小、上方大的布置是为了炉内温度场分布相适应，目的是减少炉膛结渣的风险并提高锅炉的稳燃能力。
在保证燃烧稳定性的同时，减少上下一次风/煤粉喷嘴间距，相应还原区长度延长了一定数量，延迟煤粉在还原气氛里的停留时间。
3.2.2 减少低负荷下锅炉燃烧器漏風
锅炉在低负荷下燃烧器的漏风占总风量的比例较大，同时炉膛出口氧量往往较高，导致主燃烧器区域无法达到较低的过量空气系数。因此根据炉内热负荷/温度场分布，对二次风门挡板结构进行进一步优化，减少低负荷时燃烧器喷口的漏风。调整两层一次风之间的喷口的数量和尺寸，进一步减少了喷口和箱壳之间的漏风。从而提高低负荷下锅炉降低NOx排放的性能。
3.2.3 锅炉适应性优化措施
二次风喷嘴采用偏转二次风技术。两层煤粉喷嘴之间的二次风分为两部分：一部分二次风与一次风煤粉喷嘴偏转方向相同；另一部分二次风相对一次风煤粉喷嘴正切一定角度。偏置风的采用可形成水平方向上的空气分级，提升还原反应效率。两部分二次风由2个二次风门挡板分别控制，可通过风门挡板的开度来调整两部分二次风的比例，从而调整炉内切圆直径、旋转强度及贴壁气氛，提高锅炉对煤种的适应性。一次风煤粉喷管采用新型的浓淡分离结构，进一步提高浓淡分离效果，从而降低锅炉的NOx排放及稳燃能力。
对二次风道进行优化，在大风箱风道上增加挡板门，增大主燃烧器二次风阻力，从而保证足够的分离燃尽风风量。
4 结语
我国是一个以煤为主的国家，在较长时间内以煤为主的能源结构不会改变。本文介绍的低氮燃烧器的改造，可以在炉内降低部分NOx的生成，在满足新排放标准的情况下可以降低尾部脱硝设施的投资及运行费用，为火电机组污染物达标排放提供有意的参考。
作者简介
陈冲（1987-），辽宁人，助理工程师，现供职于神华宁夏煤业集团烯烃一分公司，研究方向为火电系统运行管理。