三次風(fēng)布置方式對鍋爐出口氮氧化物排放影響

周楊軍

（中國華電集團(tuán)公司浙江分公司，杭州 310015）

三次風(fēng)布置方式對鍋爐出口氮氧化物排放影響

周楊軍

（中國華電集團(tuán)公司浙江分公司，杭州 310015）

中儲式乏氣送粉系統(tǒng)的三次風(fēng)總體風(fēng)量、濕度較大，煤粉濃度、溫度較低，布置方式不僅對鍋爐燃燒、飛灰影響較大，也對鍋爐NOx排放起著舉足輕重的作用。針對不同低氮燃燒技術(shù)改造案例，分析了三次風(fēng)布置方式對鍋爐燃燒和NOx排放的影響，提出了中儲式乏氣送粉、四角切圓燃燒鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造的優(yōu)選方案，為同類型機(jī)組低氮改造提供有益借鑒。

三次風(fēng)；低氮燃燒；氮氧化物

0 引言

對煤電機(jī)組而言，從燃燒源頭控制氮氧化物的生成是脫硝改造的首選方向。我國上世紀(jì)末投運(yùn)的670 t/h以下電站鍋爐普遍采用中間儲倉式乏氣送粉系統(tǒng)。乏氣亦稱為三次風(fēng)，因其總體風(fēng)量、濕度較大，且煤粉濃度、溫度較低，對鍋爐燃燒影響較大。三次風(fēng)的噴口一般在燃燒器的最上部，以降低對主煤粉氣流著火與燃燒的影響。三次風(fēng)攜帶大量風(fēng)粉高速噴入鍋爐主燃區(qū)末端，形成局部高溫，富氧燃燒造成NOx生成量較大，因此三次風(fēng)的布置對降低因鍋爐燃燒排放的NOx起著舉足輕重的作用。

本文以420 t/h鍋爐在低氮燃燒改造中的三次風(fēng)布置方案為例，分析、比較不同的三次風(fēng)布置方式對因鍋爐燃燒排放的NOx的影響，為中間儲倉式乏氣送粉鍋爐的低氮燃燒改造方案提供有益借鑒。

1 鍋爐簡況

上海鍋爐廠420 t/h鍋爐采用固定式直流燃燒器，四角布置，雙假想切圓，切向燃燒，每角燃燒器沿高度自上而下排列為二、三、二、一、二、一、一、二，共布置有8層噴口，其中一次風(fēng)噴口3層，三次風(fēng)噴口1層，其余4層為二次風(fēng)噴口。制粉系統(tǒng)為鋼球磨中間倉儲式溫風(fēng)送粉，三次風(fēng)率18%，三次風(fēng)含粉量10%～15%。案例電廠燃用煤種為煙煤，干燥無灰基揮發(fā)分在30%～38%，低氮燃燒改造前NOx排放質(zhì)量濃度在600～700mg/m3。

2 氮氧化物生成機(jī)理與影響因素

煤炭燃燒過程中產(chǎn)生的NOx，按照燃燒溫度和排放量的大小，主要分為燃料型、熱力型、快速型3種，如圖1所示。

圖1 NOx的煤炭燃燒分類圖

燃料型NOx是指燃料中含氮化合物在燃燒過程中熱分解產(chǎn)生N，CN，HCN等中間產(chǎn)物基團(tuán)，然后氧化成NOx。燃料型NOx的生成機(jī)理非常復(fù)雜，根據(jù)研究［1］，其生成轉(zhuǎn)化率與煤的含氮量、揮發(fā)分、過剩空氣系數(shù)、燃燒時(shí)的最高溫度以及氧的濃度有關(guān)，是燃煤鍋爐NOx的主要來源，占NOx總體含量的60%～80%。

熱力型NOx是煤炭燃燒時(shí)，空氣中的N在高溫下氧化產(chǎn)生。其生成與溫度、壓力、N濃度、O濃度以及停留時(shí)間有關(guān)，其中反應(yīng)溫度、過?？諝庀禂?shù)和停留時(shí)間對熱力型NOx的生成有決定性的影響。如圖1所示，當(dāng)T＜1 500 K時(shí)，NOx的生成量很少，而當(dāng)T＞1 500 K時(shí)，NOx的生成量隨著反應(yīng)溫度的升高而快速增加。一般占燃煤鍋爐NOx總體含量的25%～30%。

快速型NOx是指在碳?xì)浠衔锶剂显诟蝗既紵龝r(shí)，在反應(yīng)區(qū)附近快速生成的NOx，其生成量受溫度影響不大，而與爐膛壓力的0.5次方成正比。在燃煤鍋爐中，其生成量占NOx總體含量的5%以下，一般在燃用不含氮的碳?xì)漕惾剂蠒r(shí)才予以考慮。

3 低氮燃燒技術(shù)改造主要措施

由NOx的生成機(jī)理可以看出，NOx的生成主要與燃料燃燒溫度、煤種特性（煤的含氮量、揮發(fā)分含量等）、爐膛內(nèi)反應(yīng)區(qū)煙氣的氣氛（煙氣內(nèi)氧氣、氮?dú)狻Ox和CHi含量）以及爐內(nèi)停留時(shí)間等有關(guān)。燃料中的含氮化合物和N在氧化條件下生成NOx，遇到還原性氣氛，如缺氧燃燒時(shí)，則還原成分子氮。因此低氮燃燒技術(shù)改造主要從抑制NOx的生成和還原已生成的NOx著手，一般采用低氮燃燒器（濃淡分離）、低氧燃燒（控制燃燒溫度）、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒（燃料再燃）、煙氣再循環(huán)等措施，控制燃燒與空氣的前期混合，提高入爐的局部燃燒濃度，減少過量空氣系數(shù)，并利用還原反應(yīng)降低NOx排放，最終排放濃度取決于NOx的生成反應(yīng)和還原反應(yīng)的綜合結(jié)果。

在低氮燃燒改造工程應(yīng)用中，各廠對一次風(fēng)、二次風(fēng)及燃盡風(fēng)的總體布置差別不大，主要用來滿足低氧燃燒、防止結(jié)焦、穩(wěn)燃、燃盡等方面的需要。根據(jù)需要的不同，三次風(fēng)的布置方式可以對鍋爐燃燒的穩(wěn)定性、控制NOx的生成以及鍋爐經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

4 三次風(fēng)布置方式對鍋爐出口NOx排放影響

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，停役制粉系統(tǒng)可以顯著降低鍋爐出口NOx。通過消除或減少三次風(fēng)的影響，可以達(dá)到降低NOx目的。下面簡要介紹各廠在低氮燃燒改造中三次風(fēng)布置方式及改造效果，具體布置如圖2所示。

4.1 方案1三次風(fēng)位置不變

早期的低氮燃燒技術(shù)改造，主要從低氮燃燒器+空氣分級燃燒的角度進(jìn)行NOx控制。如浙江A廠在低氮燃燒改造中，在保持一、二、三次風(fēng)原有標(biāo)高的基礎(chǔ)上，一次風(fēng)采用了濃淡分離燃燒器，加上部分二次風(fēng)與一次風(fēng)氣流偏置形成貼壁風(fēng)，實(shí)現(xiàn)爐膛水平方向的空氣分級燃燒；二次風(fēng)噴口面積適當(dāng)縮小，降低主燃區(qū)二次風(fēng)量配比，并在燃盡區(qū)增加兩層分離式燃盡風(fēng)（SOFA）噴口，實(shí)現(xiàn)爐膛高度方向的空氣分級燃燒，即在主燃燒區(qū)中心形成有較高煤粉濃度、較高溫度、合適氧濃度、較高燃燒強(qiáng)度的富燃料燃燒區(qū)，同時(shí)在燃盡區(qū)送入燃盡風(fēng)，形成富氧燃燒區(qū)，使未燃盡成分充分燃燒。主燃區(qū)從高氧燃燒轉(zhuǎn)為低氧燃燒，燃燒強(qiáng)度受限、溫度降低，局部出現(xiàn)的還原性氣氛抑制了燃燒初期的燃料氮向NOx轉(zhuǎn)化過程，同時(shí)燃燒中心溫度降低也減小了熱力型NOx的生成速率，兩者共同實(shí)現(xiàn)了爐膛出口低NOx排放，低氮改造效果良好，鍋爐出口NOx在350mg/m3左右。

該改造整體變動較小，雖然主燃區(qū)燃燒溫度降低，但燃燒穩(wěn)定性較好；因燃盡區(qū)補(bǔ)入SOFA風(fēng)燃燒，火焰中心有所抬高，減溫水量有所增大，飛灰增大不明顯，排煙溫度有所增加，鍋爐效率小幅降低。

圖2 各方案三次風(fēng)噴嘴布置示意圖

4.2 方案2三次風(fēng)濃稀相設(shè)置，濃相緊貼主燃區(qū)，稀相作SOFA風(fēng)

隨著低氮改造要求的提高，減少三次風(fēng)對低氮燃燒的影響成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。浙江B廠在低氮燃燒器+空氣分級燃燒改造的基礎(chǔ)上提出了對三次風(fēng)進(jìn)行濃淡分離，濃相降低高度布置到上一次風(fēng)與上二次風(fēng)之間，緊貼主燃區(qū)有利于燃盡，并起到上二次風(fēng)的作用；稀相作為SOFA風(fēng)的一部分，緊鄰下SOFA風(fēng)布置，形成SOFA風(fēng)2+1配置，同時(shí)濃、稀相三次風(fēng)噴口均向下傾斜10°，以降低三次風(fēng)運(yùn)行對氮氧化物的影響。

該改造工程量較A廠稍大，三次風(fēng)的分離布置，降低了三次風(fēng)一次大量進(jìn)入對鍋爐燃燒的影響，而布置高度的降低有利于燃盡，也減少了主燃區(qū)的二次風(fēng)量，增強(qiáng)了控制主燃區(qū)氧量的能力，低氮改造效果較優(yōu)，鍋爐出口NOx能達(dá)到300mg/m3左右。

改造后火焰中心有所抬高、減溫水量有所增大、飛灰增大不明顯、排煙溫度略有升高、鍋爐效率小幅降低。

4.3 方案3三次風(fēng)部分引入一次粉管，其余緊貼主燃區(qū)布置

浙江C廠為耦合選擇性非催化還原（SNCR）煙氣脫硝對溫度窗口的要求，在改造中將部分三次風(fēng)引入一次粉管，即在兩臺排風(fēng)機(jī)出口分別引一路三次風(fēng)管路到給粉層下方，按上下分層，中層對角分流各自接入六支一次粉管；其余三次風(fēng)保留一層噴口，緊貼主燃區(qū)布置在上一次風(fēng)與上二次風(fēng)之間。部分三次風(fēng)并入一次粉管，一定程度上提高了一次風(fēng)粉濃度，有利于燃燒初期的富燃料燃燒，降低燃料氮的轉(zhuǎn)化率；同時(shí)實(shí)質(zhì)減少了三次風(fēng)總量，降低了火焰中心，便于二次風(fēng)、SOFA風(fēng)的調(diào)節(jié)和氧量控制，因此低氮改造效果非常好，鍋爐出口氮氧化物能達(dá)到220mg/m3左右?？紤]溫度較低的三次風(fēng)混入一次粉管降低了進(jìn)入爐膛的一次風(fēng)溫度，對鍋爐燃燒穩(wěn)定性有一定影響，因此本方案只是分流部分三次風(fēng)進(jìn)入一次粉管，一次風(fēng)粉溫度降低50℃左右。

改造后系統(tǒng)運(yùn)行相對復(fù)雜，制粉系統(tǒng)啟停需要開關(guān)三次風(fēng)與各一次粉管的聯(lián)通閥；同時(shí)三次風(fēng)聯(lián)通管如有積粉，在聯(lián)通閥開啟后會造成鍋爐主汽壓力波動，因此聯(lián)通管的設(shè)置應(yīng)避免煤粉沉積。該改造降低了爐膛火焰中心，減溫水量明顯減少，飛灰降低不明顯，排煙溫度降低，鍋爐效率有所升高。

4.4 方案4三次風(fēng)濃稀相設(shè)置，濃相布置到主燃區(qū)中下部，稀相緊貼主燃區(qū)布置

對燃用煙煤的鍋爐來說，燃燒穩(wěn)定性較好。為此可以把三次風(fēng)濃相布置到主燃區(qū)中部，作中二次風(fēng)利用（對于只有二層一次風(fēng)噴嘴的鍋爐可布置到主燃區(qū)下部作下二次風(fēng)，具體布置位置應(yīng)根據(jù)燃煤情況及鍋爐燃燒穩(wěn)定性來確定：濃相三次風(fēng)布置到主燃區(qū)中部，因三次風(fēng)溫度較二次風(fēng)為低，將對鍋爐燃燒穩(wěn)定性造成較大影響；布置到主燃區(qū)下部，因缺少二次風(fēng)托底且接近冷灰斗，部分煤粉顆粒可能直接跌落，爐渣大灰含碳量會有一定的增加），稀相緊貼主燃區(qū)作上二次風(fēng)布置。三次風(fēng)進(jìn)入主燃區(qū)，有利于煤粉燃盡；同時(shí)其在主燃區(qū)生成的NOx，由于還原氣氛的作用，被還原為N，有助于減少NOx的最終生成量；另外還可以減少主燃區(qū)的二次風(fēng)量，增強(qiáng)空氣分級燃燒效果。

王偉平等［2］在130 t/h鍋爐上將三次風(fēng)分成濃稀相兩股氣流，濃相煤粉氣流從下二次風(fēng)噴口噴入，稀相煤粉氣流從上三次風(fēng)噴口噴入，改造后大灰含碳量輕微上升，鍋爐出口NOx降至300mg/m3左右。根據(jù)王偉平等的試驗(yàn)，考慮小鍋爐受空間限制，空氣分級燃燒效果相對較差，預(yù)計(jì)方案4低氮改造效果應(yīng)該在方案2與方案3之間，接近于方案2的效果，鍋爐出口NOx能達(dá)到250mg/m3以下，具體有待實(shí)際驗(yàn)證。

4.5 方案5三次風(fēng)作超細(xì)粉再燃布置

由于三次風(fēng)煤粉粒度遠(yuǎn)小于一次風(fēng)煤粉，易著火燃盡，是非常理想的再燃燃料，將其送入主燃區(qū)與燃盡區(qū)之間的再燃區(qū)燃燒可以減低排放。為此須對三次風(fēng)進(jìn)行濃縮，將濃縮后的三次風(fēng)噴入再燃區(qū)，形成富燃料燃燒；通過大量生成CH基團(tuán)的還原性氛圍，使在主燃區(qū)生成的NOx發(fā)生還原反應(yīng)生成N，從而減低鍋爐出口NOx。斯東波等在某200MW四角切圓燃燒煤粉爐上實(shí)施了三次風(fēng)再燃技術(shù)［3-6］，采用煙氣再循環(huán)將三次風(fēng)的超細(xì)粉送入爐內(nèi)進(jìn)行再燃，在20%帶粉量情況下，該三次風(fēng)再燃方案可以獲得50%以上的脫硝率并基本不影響鍋爐正常運(yùn)行。該方案系統(tǒng)采用空預(yù)器入口煙氣替代熱風(fēng)作為制粉系統(tǒng)干燥劑，改造工程量較大，同時(shí)實(shí)際運(yùn)行中受制于三次風(fēng)帶風(fēng)量不足，降氮效果不及預(yù)期，故實(shí)際應(yīng)用案例較少。

表1為5種不同類型的三次風(fēng)布置方案的結(jié)果比較。

表1 各種三次風(fēng)布置方案結(jié)果比較

5 結(jié)論

低氮燃燒器+空氣分級燃燒技術(shù)改造是當(dāng)前低氮燃燒改造的主流方案之一：一次風(fēng)燃燒器采用濃稀相分離燃燒器，在燃燒初期抑制NO生成。二次風(fēng)采用與一次風(fēng)偏置、反切等技術(shù)防止?fàn)t膛結(jié)渣和高溫腐蝕，滿足分級配風(fēng)要求。三次風(fēng)分離成兩部分，作為一次風(fēng)、二次風(fēng)或SOFA風(fēng)補(bǔ)入，解決了鍋爐燃燒對三次風(fēng)穩(wěn)燃、低氮與燃盡的要求，有效控制爐內(nèi)過量空氣系數(shù)。

綜上，對于420 t/h中儲式乏氣送粉四角切圓燃燒鍋爐的低氮改造優(yōu)選方案首推方案3，次選方案4。要追求更好的低氮效果，應(yīng)結(jié)合煤種及鍋爐燃燒穩(wěn)定性情況，對方案3和方案4進(jìn)行組合應(yīng)用，即三次風(fēng)部分引入一次風(fēng)，其余三次風(fēng)進(jìn)入主燃區(qū)中部作二次風(fēng)布置。各廠在實(shí)際運(yùn)行過程中存在操作習(xí)慣、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及煤種差異，對低氮燃燒運(yùn)行的效果均會有一定影響。

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（本文責(zé)編：劉炳鋒）

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1674-1951（2016）11-0069-03

周楊軍（1975一），男，浙江東陽人，工程師，從事電廠生產(chǎn)管理方面的工作（E-mail：zyjvip＠163.com）。

2016-07-26；

2016-09-14