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中图分类号：TK 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）20-0029-02
一、概述
我国是一个煤炭资源十分丰富的国家，是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上仅有的几个以煤炭为主要能源的国家之一。传统火力发电厂燃煤过程中会排放大量的NOx等大气污染物，煤燃烧排放的NOx约占总NOx排放量的70%，对环境造成极大的危害。近几年全国各地多发的雾霾天气，更是把火力发电站排放的NOx推向风头浪尖。
根据中国环境监测总站提供的数据，2013年我国氮氧化物排放总量为2227万吨。电力行业的氮氧化物排放约占45%，占各种燃烧装置NOx排放总量的一半以上，而电力行业排放的氮氧化物80%以上由燃煤锅炉排放。2011年，我国颁布了GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》，新标准明确规定新建燃煤火力发电锅炉NOx（以NO2计）排放浓度必须低于100mg/m3，这一标准已经达到了国际领先水平， 从中不难看出了国家治理大气污染的决心。
近年来新建的大型火力发电机组已普遍使用了低NOx燃烧技术同时加装或预留SCR脱硝系统。与传统的燃烧技术相比较，低NOx燃烧技术可以在炉内通过燃烧的方式将电站锅炉排放的NOx浓度直接降低50%以上。然而对于投产时间较长的机组来说，要达到GB13223—2011标准中的排放浓度难度还较大。
现以后石电厂#5～#7，3×660MW超临界机组中所使用的由ALSTOM公司设计制造的具有国际领先水准的TFS-2000型低NOx燃烧系统在NOx减排方面的成功应用情况予以分析。
二、NOx生成机理
化石类燃料在锅炉内的燃烧过程中，NOx主要由空气中N以及燃料中的N被氧化而成，即“热力型”NOx和“燃料型”NOx。
“热力型”NOx 主要由空气中的氮气在高温环境下生成，且其生成速率与反应环境温度成指数性关系，并与反应环境的氧气浓度的平方根成正比。故限制燃料反应环境内部的氧气浓度或降低反应环境的温度均可降低热力型NOx的生成速率。
“燃料型”NOx 主要由燃料中所含的含N化合物生成，且燃用的煤质将对燃料型NOx的生成产生直接影响。煤粉颗粒的燃烧过程主要分为两个阶段：第一个阶段为煤炭的挥发阶段，煤炭内部所含的挥发分（如一些分子量较小的碳氢化合物）从煤粉内部释放出来并被氧化。这个反应过程很快，并由此成为燃烧的第一个阶段（着火）。在此期间形成的这部分燃料NOx有时也被成为快速型NOx。第二个阶段是煤粉颗粒的燃尽阶段，这个过程发生在煤粉挥发分挥发完成以后，并主要发生在煤粉颗粒在炉膛内部的运动过程中，该过程的反应速度相应较慢。煤粉挥发分中含有的N以及燃尽过程中含N化合物的燃烧过程都将有助于NOx的生成。
在整个燃烧过程中，煤炭中仅有一小部分N转化为NOx，但燃料型NOx可占NOx总浓度的60%到80%。燃料N转换为NOx的反应机理较为复杂，但相关研究表明煤的化学成分以及燃烧系统的设计可对NOx的生成产生影响。在同等条件下，高强度、快速的燃料与空气的反应过程将会增加NOx生成；相反，有效的控制整个燃烧过程的氧气浓度将直接降低NOx的生成。
三、低NOx燃烧系统特点
大量的实际应用及试验表明，煤粉气流在缺氧状态下的快速挥发以及提早着火将非常显著地降低NOx的生成。煤粉气流在脱离喷嘴后的快速着火后，将在初步燃烧阶段形成一个缺氧区域，且其配风量可得到较为有效的控制，因该缺氧燃烧的过程提前了燃烧反应的时间，故不会对整个燃烧效率产生负面影响。虽然这一燃烧理论与传统燃烧理论相背离，但通过大量的实践证明，该燃烧方式确实可大幅降低NOx浓度。上述缺氧燃烧可通过使用燃尽风（OFA – Over Fire Air，图2）及特别设计的燃烧器喷嘴来实现。
OFA的原理相对较为简单，主要方法是将主风箱区或主燃烧区的一部分二次风空气引至主燃烧区上方，从而减少主燃烧区的燃料型NOx和热力型NOx生成时氧气的浓度。空气分级燃烧效果示意图如图1所示。此种分级燃烧的方式并未减少或改变燃烧过程中的总风量，而只是通过分级的方式将风量重新分配。
空气分级燃烧在降低NOx浓度的同时也会在一定程度上提高飞灰UBC含量以及烟气CO浓度。设计合理的低NOx燃烧系统应能在降低NOx的同时将飞灰UBC含量及CO浓度降至最低水平，从而将燃烧系统对机组效率的影响降至最低。同时，提高煤粉细度也可在低NOx燃烧的同时改善飞灰UBC含量。
四、TFS 2000燃烧系统及动态分离器系统
1、TFS 2000特点
后石电厂#5～#7超临界锅炉使用的TFS 2000系统具有深度分级燃烧的特點，其将紧凑式燃尽风（CCOFA风）与两层分离式燃尽风（SOFA风，布置于燃烧器上方，图3）结合使用，SOFA风量最大可达二次风量的55%，明显高于目前国内同类型机组中常见的30%～40%的分级水平。
与传统四角切圆燃烧系统相比，该系统在主燃烧区的布置基本相同。点火器及油枪布置在煤粉燃烧器之间；二次风喷嘴与煤粉燃烧器间隔布置。不同的是各层油风及辅助风喷嘴均布置有两层小CFS风（偏置二次风）喷嘴，该喷嘴可减轻水冷壁结焦及高温腐蚀（详见2中介绍）。
该系统SOFA喷嘴除可与煤粉燃烧器同步上下摆动外还具有水平摆动±15°的功能（图4、5）。这一摆动功能可有效改善燃尽风与炉膛内部烟气混合效果，从而改善分级燃烧效率。现场试验结果表明，具有水平摆动功能的SOFA喷嘴可在大幅降低NOx浓度的同时，可将CO和UBC的含量也降至最低，改善炉内烟气分布的均匀状态。水平摆角的设定可在机组正常运行时，根据炉膛内部实际燃烧情况，手动调整。SOFA喷嘴水平摆角调整完毕后便可锁定于某一位置，无需连续调整。各SOFA喷嘴水平摆动调整机构均为独立，SOFA风箱内部的任何一个喷嘴都可根据实际运行需要调整至不同角度。此外，将部分SOFA风水平摆角调至反切，可有效减轻切圆燃烧锅炉中普存在的炉膛出口烟温分布不均的问题，从而提高锅炉受热面的安全性。 2、CFS偏置风系统特点
典型切圆燃烧系统通常是将燃料和二次风通过一定角度喷入炉膛，形成假想切圆。CFS则将部分二次风与原有切角进行偏置，形成另外一个（通常是更大的）与原切圆同心的假想切圆。
CFS偏置风可在水冷壁附近形成氧化性环境，改变水冷壁附近灰渣结焦特性，减轻炉膛结焦倾向，并改变传统燃烧系统的炉内空气动力场。同时，该系统还可减轻炉膛在还原性环境下运行时所可能产生的其他问题。对于水冷壁有发生高温腐蚀倾向的机组，使用CFS可增加水冷壁沿面的氧化性，减轻其发生水冷壁腐蚀的倾向。
3、HP1003配动态分离器的制粉系统
根据NOx的生成机理不难看出，NOx的生成跟煤粉周围的氧化环境有着密切的联系。要减少NOx的生成，煤粉颗粒就不能在充分氧化的环境下燃烧，因此在降低NOx生成的同时，难免会在一定程度上提高锅炉尾气中CO浓度以及飞灰中未燃碳含量。为保持锅炉以最为理想的燃烧效率的同时保证以较低的水平排放NOx，后石电廠的HP1003制粉系统配置了ALSTOM公司的动态分离器。设计煤粉细度200目筛孔通过率85%。实际运行煤粉细度可达到 200目筛孔91%-92%的通过率。
与传统静态分离器不同的是当煤粉气流接近分离器叶轮时，气流内部颗粒与分离器叶轮相互作用，旋转的叶轮将较大颗粒的煤粉挡出，允许较小颗粒的煤粉通过并进入煤粉管。被挡出的大颗粒煤粉将重新回到磨碗进行磨制，并在磨煤机内部形成了煤粉的再循环。由于该分离器系统使用外接电源对煤粉气流进行筛选，提高了分离效率，并在一定程度上降低了制粉系统的通风阻力。
五、后石电厂TFS 2000燃烧系统实际运行情况
后石电厂#5～#7锅炉先后于2005年至2008年投产。投产后一直高效、环保地运行，各项指标在国内同类机组中一直保持着领先地位。
如图8所示，后石电厂#7炉炉膛出口NOx浓度在SCR系统前侧约185 mg/m3（@6%O2），炉膛出口烟气O2约4.2%，CO约20ppm。在SCR系统后侧NOx浓度约为103 mg/m3（@6%O2）
该厂实际运时燃用煤种波动也很大，但由于这三台炉的设计煤种为神华煤，故选用了较小的容积热负荷。#5-#7炉在实际运行中，炉内结焦很少，炉内短吹很少使用，即使进行吹灰，也仅为对吹灰器进行例行性操作，以确保吹灰器能够可靠动作。从该厂长期的运行数据及现场观察来看，该厂TFS2000燃烧系统运行性能稳定，在控制NOx排放浓度的同时，将了CO和飞灰UBC含量控制在较低水平。
六、结论
TFS-2000型燃烧系统与配备有动态分离器的制粉系统搭配使用有效地解决了NOx减排和锅炉燃烧的经济型之间的矛盾，可以说将这两项指标的协调发挥到了极致，在很大程度上为SCR系统的运行减小了压力，节约了运行成本。
虽然NOx的排放浓度受燃用煤质、锅炉燃烧情况影响波动较大，TFS-2000型燃烧系统搭配装有动态分离器的制粉系统的这种组合的NOx减排效果显著，值得国内尚未配备低NOx燃烧系统的机组借鉴学习。
一、概述
我国是一个煤炭资源十分丰富的国家，是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上仅有的几个以煤炭为主要能源的国家之一。传统火力发电厂燃煤过程中会排放大量的NOx等大气污染物，煤燃烧排放的NOx约占总NOx排放量的70%，对环境造成极大的危害。近几年全国各地多发的雾霾天气，更是把火力发电站排放的NOx推向风头浪尖。
根据中国环境监测总站提供的数据，2013年我国氮氧化物排放总量为2227万吨。电力行业的氮氧化物排放约占45%，占各种燃烧装置NOx排放总量的一半以上，而电力行业排放的氮氧化物80%以上由燃煤锅炉排放。2011年，我国颁布了GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》，新标准明确规定新建燃煤火力发电锅炉NOx（以NO2计）排放浓度必须低于100mg/m3，这一标准已经达到了国际领先水平， 从中不难看出了国家治理大气污染的决心。
近年来新建的大型火力发电机组已普遍使用了低NOx燃烧技术同时加装或预留SCR脱硝系统。与传统的燃烧技术相比较，低NOx燃烧技术可以在炉内通过燃烧的方式将电站锅炉排放的NOx浓度直接降低50%以上。然而对于投产时间较长的机组来说，要达到GB13223—2011标准中的排放浓度难度还较大。
现以后石电厂#5～#7，3×660MW超临界机组中所使用的由ALSTOM公司设计制造的具有国际领先水准的TFS-2000型低NOx燃烧系统在NOx减排方面的成功应用情况予以分析。
二、NOx生成机理
化石类燃料在锅炉内的燃烧过程中，NOx主要由空气中N以及燃料中的N被氧化而成，即“热力型”NOx和“燃料型”NOx。
“热力型”NOx 主要由空气中的氮气在高温环境下生成，且其生成速率与反应环境温度成指数性关系，并与反应环境的氧气浓度的平方根成正比。故限制燃料反应环境内部的氧气浓度或降低反应环境的温度均可降低热力型NOx的生成速率。
“燃料型”NOx 主要由燃料中所含的含N化合物生成，且燃用的煤质将对燃料型NOx的生成产生直接影响。煤粉颗粒的燃烧过程主要分为两个阶段：第一个阶段为煤炭的挥发阶段，煤炭内部所含的挥发分（如一些分子量较小的碳氢化合物）从煤粉内部释放出来并被氧化。这个反应过程很快，并由此成为燃烧的第一个阶段（着火）。在此期间形成的这部分燃料NOx有时也被成为快速型NOx。第二个阶段是煤粉颗粒的燃尽阶段，这个过程发生在煤粉挥发分挥发完成以后，并主要发生在煤粉颗粒在炉膛内部的运动过程中，该过程的反应速度相应较慢。煤粉挥发分中含有的N以及燃尽过程中含N化合物的燃烧过程都将有助于NOx的生成。
在整个燃烧过程中，煤炭中仅有一小部分N转化为NOx，但燃料型NOx可占NOx总浓度的60%到80%。燃料N转换为NOx的反应机理较为复杂，但相关研究表明煤的化学成分以及燃烧系统的设计可对NOx的生成产生影响。在同等条件下，高强度、快速的燃料与空气的反应过程将会增加NOx生成；相反，有效的控制整个燃烧过程的氧气浓度将直接降低NOx的生成。
三、低NOx燃烧系统特点
大量的实际应用及试验表明，煤粉气流在缺氧状态下的快速挥发以及提早着火将非常显著地降低NOx的生成。煤粉气流在脱离喷嘴后的快速着火后，将在初步燃烧阶段形成一个缺氧区域，且其配风量可得到较为有效的控制，因该缺氧燃烧的过程提前了燃烧反应的时间，故不会对整个燃烧效率产生负面影响。虽然这一燃烧理论与传统燃烧理论相背离，但通过大量的实践证明，该燃烧方式确实可大幅降低NOx浓度。上述缺氧燃烧可通过使用燃尽风（OFA – Over Fire Air，图2）及特别设计的燃烧器喷嘴来实现。
OFA的原理相对较为简单，主要方法是将主风箱区或主燃烧区的一部分二次风空气引至主燃烧区上方，从而减少主燃烧区的燃料型NOx和热力型NOx生成时氧气的浓度。空气分级燃烧效果示意图如图1所示。此种分级燃烧的方式并未减少或改变燃烧过程中的总风量，而只是通过分级的方式将风量重新分配。
空气分级燃烧在降低NOx浓度的同时也会在一定程度上提高飞灰UBC含量以及烟气CO浓度。设计合理的低NOx燃烧系统应能在降低NOx的同时将飞灰UBC含量及CO浓度降至最低水平，从而将燃烧系统对机组效率的影响降至最低。同时，提高煤粉细度也可在低NOx燃烧的同时改善飞灰UBC含量。
四、TFS 2000燃烧系统及动态分离器系统
1、TFS 2000特点
后石电厂#5～#7超临界锅炉使用的TFS 2000系统具有深度分级燃烧的特點，其将紧凑式燃尽风（CCOFA风）与两层分离式燃尽风（SOFA风，布置于燃烧器上方，图3）结合使用，SOFA风量最大可达二次风量的55%，明显高于目前国内同类型机组中常见的30%～40%的分级水平。
与传统四角切圆燃烧系统相比，该系统在主燃烧区的布置基本相同。点火器及油枪布置在煤粉燃烧器之间；二次风喷嘴与煤粉燃烧器间隔布置。不同的是各层油风及辅助风喷嘴均布置有两层小CFS风（偏置二次风）喷嘴，该喷嘴可减轻水冷壁结焦及高温腐蚀（详见2中介绍）。
该系统SOFA喷嘴除可与煤粉燃烧器同步上下摆动外还具有水平摆动±15°的功能（图4、5）。这一摆动功能可有效改善燃尽风与炉膛内部烟气混合效果，从而改善分级燃烧效率。现场试验结果表明，具有水平摆动功能的SOFA喷嘴可在大幅降低NOx浓度的同时，可将CO和UBC的含量也降至最低，改善炉内烟气分布的均匀状态。水平摆角的设定可在机组正常运行时，根据炉膛内部实际燃烧情况，手动调整。SOFA喷嘴水平摆角调整完毕后便可锁定于某一位置，无需连续调整。各SOFA喷嘴水平摆动调整机构均为独立，SOFA风箱内部的任何一个喷嘴都可根据实际运行需要调整至不同角度。此外，将部分SOFA风水平摆角调至反切，可有效减轻切圆燃烧锅炉中普存在的炉膛出口烟温分布不均的问题，从而提高锅炉受热面的安全性。 2、CFS偏置风系统特点
典型切圆燃烧系统通常是将燃料和二次风通过一定角度喷入炉膛，形成假想切圆。CFS则将部分二次风与原有切角进行偏置，形成另外一个（通常是更大的）与原切圆同心的假想切圆。
CFS偏置风可在水冷壁附近形成氧化性环境，改变水冷壁附近灰渣结焦特性，减轻炉膛结焦倾向，并改变传统燃烧系统的炉内空气动力场。同时，该系统还可减轻炉膛在还原性环境下运行时所可能产生的其他问题。对于水冷壁有发生高温腐蚀倾向的机组，使用CFS可增加水冷壁沿面的氧化性，减轻其发生水冷壁腐蚀的倾向。
3、HP1003配动态分离器的制粉系统
根据NOx的生成机理不难看出，NOx的生成跟煤粉周围的氧化环境有着密切的联系。要减少NOx的生成，煤粉颗粒就不能在充分氧化的环境下燃烧，因此在降低NOx生成的同时，难免会在一定程度上提高锅炉尾气中CO浓度以及飞灰中未燃碳含量。为保持锅炉以最为理想的燃烧效率的同时保证以较低的水平排放NOx，后石电廠的HP1003制粉系统配置了ALSTOM公司的动态分离器。设计煤粉细度200目筛孔通过率85%。实际运行煤粉细度可达到 200目筛孔91%-92%的通过率。
与传统静态分离器不同的是当煤粉气流接近分离器叶轮时，气流内部颗粒与分离器叶轮相互作用，旋转的叶轮将较大颗粒的煤粉挡出，允许较小颗粒的煤粉通过并进入煤粉管。被挡出的大颗粒煤粉将重新回到磨碗进行磨制，并在磨煤机内部形成了煤粉的再循环。由于该分离器系统使用外接电源对煤粉气流进行筛选，提高了分离效率，并在一定程度上降低了制粉系统的通风阻力。
五、后石电厂TFS 2000燃烧系统实际运行情况
后石电厂#5～#7锅炉先后于2005年至2008年投产。投产后一直高效、环保地运行，各项指标在国内同类机组中一直保持着领先地位。
如图8所示，后石电厂#7炉炉膛出口NOx浓度在SCR系统前侧约185 mg/m3（@6%O2），炉膛出口烟气O2约4.2%，CO约20ppm。在SCR系统后侧NOx浓度约为103 mg/m3（@6%O2）
该厂实际运时燃用煤种波动也很大，但由于这三台炉的设计煤种为神华煤，故选用了较小的容积热负荷。#5-#7炉在实际运行中，炉内结焦很少，炉内短吹很少使用，即使进行吹灰，也仅为对吹灰器进行例行性操作，以确保吹灰器能够可靠动作。从该厂长期的运行数据及现场观察来看，该厂TFS2000燃烧系统运行性能稳定，在控制NOx排放浓度的同时，将了CO和飞灰UBC含量控制在较低水平。
六、结论
TFS-2000型燃烧系统与配备有动态分离器的制粉系统搭配使用有效地解决了NOx减排和锅炉燃烧的经济型之间的矛盾，可以说将这两项指标的协调发挥到了极致，在很大程度上为SCR系统的运行减小了压力，节约了运行成本。
虽然NOx的排放浓度受燃用煤质、锅炉燃烧情况影响波动较大，TFS-2000型燃烧系统搭配装有动态分离器的制粉系统的这种组合的NOx减排效果显著，值得国内尚未配备低NOx燃烧系统的机组借鉴学习。