燃煤锅炉低氮燃烧系统优化实验研究及实践

燃煤锅炉低氮燃烧系统优化实验研究及实践
发布时间：2022-01-05T08:03:13.014Z 来源：《中国科技人才》2021年第21期作者：方志仕[导读] 我国当前的大气环境形势依然严峻，区域性大气污染问题突出，直接影响经济社会可持续发展和人民群众身体健康。

大唐彬长发电有限责任公司陕西省咸阳市 713602
摘要：脱硝系统运行中影响 NOx 排放的因素有很多，其主要因素包括炉膛氧量、锅炉负荷、烟气在高温区停留时间、燃尽风（ SOFA ）配风方式、二次风配风方式、制粉系统运行方式等。

而控制 NOx 排放的关键是低氮燃烧技术，即以实验为依据，通过燃烧优化实验研究，来确定最佳燃烧工况。

关键词：氮氧化物；节能环保；低氮燃烧
引言
我国当前的大气环境形势依然严峻，区域性大气污染问题突出，直接影响经济社会可持续发展和人民群众身体健康。

２０１０年我国二氧化硫、氮氧化物排放总量位居世界第一位，重点区域城市的二氧化硫、可吸入颗粒物年均浓度是欧美发达国家的２至４倍。

“十二五”期间是我国全面建设小康社会的关键时期、工业化、城镇化将继续快速发展，为了切实改善
定期环境质量，降低大气中氮氧化物的排放，国家规定加快燃煤机组低氮燃烧技术改造及脱硝设施建设、单机容量２０万千瓦及以上、投运年限２０年内的现役燃煤机组全部配套脱硝设施。

1 低氮燃烧系统介绍
3 号锅炉燃烧器改造采用“分拉垂直亲和浓淡煤粉燃烧”立体分级低氮燃烧专利技术，即燃料分级与空气分级同步进行，利用垂直煤粉浓淡分离技术将同一股煤粉气流分离成上下布置的浓相和淡相两股射流，结合燃烧器顶部大间距布置 5 层顶部燃烬风，顶部燃烬风量增加到 30%。

通过采用上述技术，实现降低 NOx 生成及排放的目的。

主燃烧器采用 CE 公司传统的大风箱结构，由隔板将大风箱分隔成若干风室，主燃烧器有 6 层煤粉风室、9 层二次风室，
4 个油风室组成。

在各风室的出口处布置数量不等的燃烧器喷嘴，油风室可做上下各30°摆动，一次风煤粉喷嘴可上下摆动各 20°，二次风空气喷嘴可做上下各 30°的摆动。

主燃烧器上下两部分由两组执行器单独控制。

以此来改变燃烧中心区的位置，调节炉膛内各辐射受热面的吸热量，从而调节再热汽温；燃烬风燃烧器参照 CE 的风箱结构，由隔板将风箱分隔成若干风室，燃烬风风室喷嘴，既能做左右 10°的摆动，也可做上下 30°的摆动，以此来改变反切动量矩，达到最佳平衡动量矩效果的同时，通过改变燃烬风同主燃烧器的间距，达到降低 NOx 排放及提高燃烧效率的目的。

为了保证顶部燃烬风的风量，在原有大风箱上加装分风挡板。

2 燃煤锅炉低氮燃烧系统优化实验研究及实践
2.1SOFA 配风方式实验研究及实践
燃尽风是锅炉在竖直方向上分级燃烧的重要体现，燃尽风引自热二次风母管，其风量占总风量的 30%。

投用燃尽风的目的在于使得主燃烧区未燃尽的煤粉进一步燃烧，有效改善结焦并控制 NOx 排放，同时下层燃尽风风室反向切圆的设计来抵消主燃烧区的旋转动量矩，从而减少炉膛出口烟温偏差。

另外燃尽风的挡板开度调节可以一定程度的控制火焰中心的位置，进而影响主汽温度变化。

为掌握SOFA 风对 NOx 排放浓度影响，首先进行 SOFA 挡板特性曲线实验。

在锅炉 80%负荷工况下，保持入炉风量不变，上层 SOFA 挡板开度0%，下层 SOFA 挡板开度分别在 25%、 50%、 75%、 100% 工况下对 SCR 入口 NOx 浓度（LSOFA 挡板特性）；下层 SOFA 挡板开度0%，上层 SOFA 挡板开度分别在 25%、50%、75%、100%工况下对 SCR 入口 NOx 浓度（HSOFA 挡板特性）。

在 80%负荷、对应入炉风量保持不变工况下，随着 SOFA 挡板开度增加， NOx 排放浓度均呈下降趋势（折算到 O2=6%，下同），且下层燃尽风对 NOx 明显优于上层燃尽风，单独下层燃尽风全开时最低降至 289mg/m3。

可见，通过控制 SOFA 挡板开度，可以将 SCR 入口 NOx 控制在较低范围内，减少 SCR 喷氨量、延长催化剂使用寿命。

炉膛出口温度在低负荷时因总烟气量较小随着 HSOFA 挡板开度增大呈略下降趋势，因此为确保主汽温度在安全范围内并不是 NOx 降至越低越好。

2.2 降氮脱硝系统的选型
控制 NOx 排放的两种最有效的技术就是低氮燃烧技术和烟气脱硝技术，前者的原理是在工艺上来减少 NOx 的生成，用较低的成本来实现对 NOx 的减排。

因此，在我们最初开始对 NOx 采取减排措施时，通常都应采用低氮燃烧技术的，常见的低氮燃烧方法有烟气再循环、低氧燃烧、燃料分级燃烧和空气分级燃烧，低燃烧技术的投资和运行成本较低，并且操作简单
方便，然而其能够减少的 NOx 的排放量也是有限的，现阶段只能减排 NOx 大概 40%左右，还达不到降氮脱硝的目标值 200mg/Nm3。

要想进一步的降低 NOx 的排放量，就应采用烟气脱硝技术。

我们通常将烟气脱硝技术分为选择性催化还原法和选择性非催化还原法以及综合法三种，其中，第一种方法的是不需要催化剂并且成本较低的，但其对反应温度有着严格的要求，脱硝的实际效率约为 40%，而选择性催化还原法的脱硝效率则能够达到 80%以上。

所以，为了最大限度地保证燃煤锅炉的经济运行，取得理想的降氮脱硝的效果，就应采用低氮燃烧和 SCR 相结合的技术方法。

2.3 低氮燃烧和脱硝系统优化规定
(1)试验证明将 5 层燃尽风挡板全部关至 10%，送风机电流会上升 2～ 3A，同时低氮改造时将原有的顶部反切风 OFA1、OFA2 堵了挡板，不再具有反切风的功能，不利于汽温偏差的调整。

为了降低对送风机电流的影响，同时保留汽温偏差的调整手段，低氮退出运行期间规定:上四层燃尽风 SOFA(2－5)关至 10%，最底层燃尽风(SOFA1)可以根据汽温偏差以及脱硝入口 NOx 情况进行调整，原则上开度不应过大。

(2)机组低负荷 350MW 以下，应避免最上层磨煤机运行，同时降低氧量运行(空气预热器入口氧量不得低于 2.0%)、适当关小主燃烧区二次风门(不得小于 25%)，保持大风箱差压大于 0.3kPa 以上有利于降低脱硝入口 NOx。

(3)正常运行中脱硝入口标态 NOx 应维持在 400～500mg/Nm3 之间，超过 500mg/Nm3(按 80%效率计算，此时对于脱硝出口 NOx 为 100mg/Nm3)时，可以适当投入顶部燃尽风，维持脱硝系统达标运行。

(4)脱硝系统安装边界效率方式运行，在保证出口 NOx 不超过 100mg/Nm3 前提下，脱硝效率保证大于 80%且接近于 80%运行。

(5)当脱硝入口 NOx 长时间偏高，喷氨调整门开度已经大于 90%时，如果脱硝效率或出口 NOx 接近要求值而调整无效时，可就地手动开启喷氨调整门旁路手动门以增大喷氨量。

(6)由于脱硝系统投入， SCR 区域、空气预热器差压增长速度加快，送风机抢风、引风机喘振可能性增大，运行中严格执行防止送风机抢风、引风机喘振及处理的相关措施。

(7)随着脱硝催化剂活性的降低，脱硝无法满足 NOx 达标排放时，根据实际情况对低氮系统运行进行调整，必须保证烟气达标排放。

2.4 定负荷变氧量实验研究及实践
过量空气系数的调整与控制是降低 NO x 排放浓度的有效措施之一，低氧燃烧能降低炉内燃烧温度，抑制并还原 NO x 进而降低 NOx 排放。

但从燃烧角度考虑，增加氧量有利于飞灰燃尽，降低固体不完全燃烧热损失、提高锅炉热效率，因此存在优化问题。

在 80%锅炉负荷、下层 SOFA 挡板全开、上层 SOFA 挡板开 50% 、摆角保持不变工况下：氧量在 2.8%~5.1%， NO x 排放浓度、q 2 随着运行氧量增加明显增加， q 4 随着运行氧量增加而减小；当运行氧量增加至 5.1%以上时，NO x 排放浓度明显升高，达到 526 mg/m 3 ，锅炉热效率因q 2 +q 4 升高而开始下降；80%负荷（104 t/h）下散热损失 q 5 可计为 1.2%，由于其他热损失相对很小，热效率 η 可按 1-q 2 -q 4 -q 5计。

实验研究建议 4 台锅炉运行氧量控制在 3.0%~4.5%，即可保证锅炉 NO x 排放达标，又能保证锅炉在较高运行效率下减轻水冷壁结焦。

2.5 NO x 的控制方法
要想有效地控制 NO x ，我们一般都会采取燃烧前处理、燃烧中处理和燃烧后处理这三种方法。

（1）燃烧前处理。

其控制的原理就是在还是燃料时就采取相应的方法将燃料转化成为低氮燃料，其实现难度较大，并且会耗费大量的成本。

因此，在我国燃烧前处理仍处于研究阶段；（2）燃烧中处理。

应用这一方法时应重点做好燃烧过程中抑制 NO x 的产生以及还原已经生成的 NO x 这两项内容，我们已经掌握的 NO x 的生成机理，
我们知道降低 NO x 生成的有效对策就是缩短燃料在高温区域的停留时
间、降低反应区内氧的浓度以及控制燃料区的温度等，那么我们就应以此为技术原理来制定各类低氮燃烧技术；（3）燃烧后处理。

这种方法就是指烟气脱硝技术，主要有选择性非催化还原法和选择性催化还原法两种，其工作原理为将含氮的还原剂加入到烟气中， NO x 会发生相应的还原反应，反应的产物为没有危害的水和氮气，在此过程中是要具备催化剂的，其能够大幅度的降低反应温度，并且也提升了反应的效率。

结语
对于普通的燃煤锅炉来说，采用空气分级燃烧技术可以大大的降低 NOx 的排放量，对其的减排超过了 40%，而采用 SCR 脱硝技术也可实现 NOx 减排超过 50%，其综合的脱硝率超过了 81%，最终 NOx 的排放浓度是要低于 100mg/Nm3。

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