當前，我國霧霾防治形勢逼人，盡管霧霾產生的成因尚未完全研究清晰，但在社會輿論的壓力和國家日益嚴格的節(jié)能減排政策面前，電力行業(yè)節(jié)能減排的壓力不斷增大，而燃煤發(fā)電機組在相當長的一段時期內仍然是我國發(fā)電行業(yè)中的主力，對于環(huán)保部*新頒布的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011），即從2014年7月1日起，現(xiàn)有火力發(fā)電鍋爐要達到標準規(guī)定的排放限值，燃煤發(fā)電企業(yè)紛紛進行環(huán)保設施的改造，如鍋爐低氮燃燒器的改造，改造后降低NOx的排放取得較好效果，但也給鍋爐安全、穩(wěn)定和經濟運行帶來了一定的影響。

 

 

國內外已對NOx的危害、燃煤發(fā)電燃燒過程中NOx的生成機理和降低NOx技術進行了較為充分的研究，可分為三種[1]：熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx；其中，燃料型NOx約占80-90%，是各種低NOx技術控制的主要對象；其次是熱力型，主要是由于爐內局部高溫造成，快速型NOx生成量很少。NOx的控制方法可分為燃燒前處理、燃燒中處理和燃燒后處理。燃燒前脫氮主要是在燃燒前將燃料轉化為低氮燃料，技術復雜，難度大，成本高，目前僅限于研究階段；燃燒中脫氮主要有：一是抑制燃燒中NOx的形成，二是還原已形成的NOx；燃燒后脫氮主要是指煙氣脫硝：包括選擇性催化還原法、選擇性非催化還原法等。

 

目前被大家公認，并已在各燃煤機組鍋爐上廣為應用的降NOx方法，主要是燃燒中脫氮的低氮燃燒技術加燃燒后脫氮的煙氣脫硝技術；燃燒中脫氮是根據(jù)NOx的生成機理采取的低氮燃燒技術主要是：低氧燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)等，該技術的主要機理就是將燃燒器通過縱向布置形成氧化還原、主還原、燃盡三區(qū)，對于四角切圓燃燒鍋爐還可通過橫向雙區(qū)布置形成近壁區(qū)和中心區(qū)兩個區(qū)域，從而實現(xiàn)燃料與配風在爐膛內分區(qū)、分級、低溫、低氧燃燒，降低煤粉燃燒過程中NOx生成量。從2011年至今，該低氮燃燒技術在全國的燃煤鍋爐上大范圍應用，通過改造和運行優(yōu)化，NOx減排量可達30%—70%，對于四角切圓燃燒鍋爐NOx的排放濃度可由原來的400-600mg/m3降為200mg/m3以內，對沖燃燒鍋爐NOx的排放濃度可由原來的500-700mg/m3降為370mg/m3以內，“W”火焰燃燒鍋爐NOx的排放濃度[3]可由原來的1100-1300mg/m3降為800mg/m3以內。目前，局限于低氮燃燒技術研究和發(fā)展，且該技術很短時期內在在運鍋爐上快速、集中、大量的應用后，其技術尚未來得及進行消化吸收、優(yōu)化改進等，筆者針對產生的問題和應對措施進行探討。

 

 

從低氮燃燒技術在大量電站燃煤鍋爐應用實踐證明，降NOx有效且明顯，但鍋爐由于燃用煤種不同，其爐型也不同，NOx的排放水平也不同，低氮燃燒技術在不同爐型上應用后減排效果和產生的問題也不同；其中，四角切圓燃燒鍋爐其本身的NOx的排放水平*低，改造后NOx減排效果*好，產生的其它影響也*小，對沖燃燒鍋爐次之，“W”火焰燃燒鍋爐*差。具體產生的問題和原因分析如下：

 

3.1灰、爐渣可燃物增加，爐效下降

 

低氮燃燒器改造后，雖然NOx降幅很大，但即使在燃用同一煤種時，飛灰可燃物升幅也較大。主要是低氮燃燒技術采用低溫、低氧燃燒，主燃區(qū)的溫度下降較多，控制和推遲煤粉的著火,并降低著火區(qū)的氧量，使煤粉燃燼能力下降，燃燒過程延長，飛灰和爐渣可燃物增大。有的改造時，改變了燃燒器一、二次風噴口和燃盡風噴口的面積，造成二次風與一次風的混合延遲，不利于煤粉氣流的著火和燃燒。根據(jù)已改造鍋爐試驗數(shù)據(jù)表明，對于四角切圓燃燒鍋爐飛灰可燃物升幅為0.5—1個百分點，對沖燃燒鍋爐飛灰可燃物升幅為1—1.5個百分點，“W”火焰燃燒鍋爐飛灰可燃物升幅為2—4個百分點，影響鍋爐效率下降0.4—1.6個百分點。

 

3.2蒸汽參數(shù)偏離設計值，過、再熱減溫水量增加，屏過或再熱器超溫

 

鍋爐采用空氣分級低氮燃燒技術改造后，一方面，燃燒延遲，火焰中心上移，爐膛出口煙溫上升，鍋爐的過熱汽溫、再熱汽溫上升，對于原來存在過熱汽溫、再熱汽溫超設計值的問題則加劇，過、再熱減溫水量增加。而另一方面，主燃區(qū)溫度降低，爐內溫度分布更加均勻，對于原來爐膛水冷壁的沾污結渣情況嚴重的則會改善，水冷壁吸熱增加，爐膛出口煙溫降低，過熱器溫升、再熱器溫升下降，對于原來存在過熱汽溫、再熱汽溫低的問題則更達不到超設計值。

 

低氮燃燒技術改造后，產生鍋爐過熱器減溫水量增大的問題較多，因為煤粉燃燒過程延長，加之采用的燃盡風，爐膛出口煙氣溫度升高；同時爐膛溫度下降，爐膛水冷壁輻射吸熱量減少，對流受熱面的吸熱份額增加，導致過熱器減溫水量增加。

 

3.3爐內燃燒工況變差，配煤、配風、穩(wěn)燃性能下降

 

因采用低溫、低氧燃燒，爐膛溫度下降，煤粉在低溫缺氧情況下著火推遲,同時燃燼能力下降，爐內燃燒工況較改造前變差，改造前原采用的配煤、配風方式很大程度上不適用，對鍋爐的蒸汽參數(shù)、飛灰爐渣、排煙溫度、熱工品質等指標產生新的影響，同時鍋爐低負荷穩(wěn)燃能力下降。

 

3.4熱工自動控制性能下降，蒸汽參數(shù)波動大，機組AGC響應速率慢

 

低氮燃燒器改造后，在同一煤種下同負荷下，由于燃料在爐內燃燒反應減緩，各級受熱面的煙溫分布和吸熱量發(fā)生變化，具體表現(xiàn)有，熱工自動控制遲緩和過調現(xiàn)象明顯增加，導致蒸汽參數(shù)波動大；對于一些區(qū)域，對機組AGC響應速率要求較高，往往出現(xiàn)AGC響應速率遲緩，不能滿足電網的要求。主要原因是熱工的控制系統(tǒng)定值、控制曲線沒有進行相應的優(yōu)化調整，如：原靜態(tài)、動態(tài)負荷—煤量控制曲線，制粉系統(tǒng)冷、熱風門解耦控制系統(tǒng)，減溫水自動控制系統(tǒng)；一次調頻鍋爐主控前饋系統(tǒng)。

 

3.5燃燒器上部水冷壁區(qū)域高溫腐蝕加劇，過熱器產生結焦

 

鍋爐水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象在對沖燃燒和“W”火焰燃燒鍋爐上較為突出，主要是燃燒器區(qū)水冷壁存在著較強的還原性氣氛如CO、H2S等，燃燒區(qū)域氧含量在2%以下會產生大量CO，由于低氮燃燒其中采用了低氧燃燒，勢必會使增加CO的產生，加劇水冷壁區(qū)域高溫腐蝕。

 

因增加了高位燃盡風，在總風量不變的情況下，二次風量減小，導致煤粉缺氧燃燒，一次風與二次風摻混時間都發(fā)生推遲,使得爐內煤粉燃燒過程拉長，爐膛火焰中心上移,相應爐膛出口煙溫升高，未能燃燼的成分隨氣流上升到上部區(qū)域與燃盡風等強烈混合，在此區(qū)域開始劇烈燃燒，造成此區(qū)域溫度高，容易引起過熱器超溫、結焦和積灰。

 

3.6鍋爐煤種適應性變差

 

低氮燃燒器改造后，經過燃燒優(yōu)化調整，在一定程度上能使NOx的排放水平和鍋爐經濟性取得較好匹配，但鍋爐燃用煤種發(fā)生變化后，原先鍋爐經濟指標和環(huán)保指標的平衡關系旋即被打破，如：高熱值、高揮發(fā)分煤種時，NOx的排放濃度雖略有增加但較易調整控制，也伴隨著出現(xiàn)燃燒器噴口易結焦、過熱器易超溫、過熱減溫水量增加等現(xiàn)象；當燃用劣質煤或水分偏大的煤種時,NOx的排放濃度雖略有降低但調整控制較困難，特別是上層燃燒器煤質較差時,再熱器超溫情況明顯增加等。

 

 

目前，燃煤電廠鍋爐低氮燃燒技術尚未全部完成改造，同時該技術的應用中出現(xiàn)的問題正逐漸暴露，根據(jù)已發(fā)現(xiàn)問題，研究對策如下：

 

4.1改造前的充分評估

 

鍋爐的排放指標尤其是NOx的排放濃度與煤種、鍋爐選型、燃燒器型式密切相關，對于在運鍋爐，爐型已確定，但由于近年來，燃煤電廠為了增加營利能力和應對多變電煤的市場，鍋爐燃用的煤質大多進行摻混且劣于原設計煤種，因此低氮燃燒技術改造前，首先應充分評估鍋爐現(xiàn)有主要燃用煤種和常用煤種，在改造可行性論證中由于煤種選定不當造成改造后NOx減排效果不明顯并產生新的問題的不乏其數(shù)，其次是對在運鍋爐進行摸底試驗，充分評估鍋爐運行中存在的燃燒性能、蒸汽參數(shù)、受熱面壁溫、結焦結渣、運行調整、熱工自動等方面的問題，提出科學合理改造預期目標，權衡鍋爐經濟指標和環(huán)保指標，并通過改造有效改善現(xiàn)有存在的問題。

 

4.2科學的燃燒運行優(yōu)化調整

 

鍋爐低氮燃燒技術改造后，燃燒器的型式已確定，但對于不同的煤種，燃燒條件的不同、鍋爐負荷的不同、燃燒溫度的變化、所需的空氣量不同，NOx的生成量將會變化，所以鍋爐運行方式將起主導作用，因此降低NOx排放量的主要措施是燃燒優(yōu)化調整，并且在滿足環(huán)保排放要求的前提下要*大程度兼顧運行經濟性。具體措施如下：

 

4.2.1爐內分層配煤混燒

 

結合鍋爐的配煤摻燒，在兼顧排放濃度、穩(wěn)燃等方面條件下*大程度消化經濟煤種，建議煙煤宜在配置下層燃燒器保鍋爐穩(wěn)燃；褐煤揮發(fā)分高宜配置在中間層燃燒器低氧燃燒可控制NOx的產生；貧煤宜配置在上層燃燒器有利于著火和二次分級燃燒。同時各磨煤機應根據(jù)不同煤種確定其合理的經濟煤粉細度。

 

4.2.2根據(jù)煤種、負荷配風

 

額定負荷工況下，煙煤揮發(fā)分高在下層燃燒器主要用于穩(wěn)燃，宜配中等風，如配以大風量則不利于控制NOx的產生和整個爐內的低氧燃燒；褐煤若配以大風量則NOx的生成量較大，宜少配風；貧煤、無煙煤揮發(fā)分低，為確保燃燼宜多配風?？紤]穩(wěn)燃、低氧、分級，配風方式宜采用縮腰倒寶塔型，即：下層風門開度30-50%，中間風門開度不宜小于10%，上層風門開度50-70%，不建議SOFA風門開度長期在100%。當負荷降低時，在保證穩(wěn)燃的基礎上經濟煤種摻配比例可增大，對控制NOx的產生有利。

 

4.2.3優(yōu)化控制鍋爐運行氧量

 

燃料在鍋爐燃燒中氧量的大小的控制，不僅影響鍋爐運行的經濟性，更為重要的是對NOx產生的控制起著決定性作用；鍋爐低氮燃燒技術改造后，更應對低氧燃燒有明確

 

的認識，額定負荷工況下，燃用貧煤、無煙煤爐膛氧量宜控制在3.5-4%，燃用煙煤爐膛氧量宜控制在2.5-3%，燃用褐煤爐膛氧量宜控制在2%，低負荷運行時爐膛氧量宜在基礎上增加1%。

 

4.2.4優(yōu)化熱工自動控制

 

鍋爐低氮燃燒技術改造后，燃料在爐內燃燒過程相對延緩和延長，熱工的控制系統(tǒng)定值、控制曲線應做相應的優(yōu)化調整。在改造后鍋爐實際運行情況中發(fā)現(xiàn)，在機組增加負荷時，風量調節(jié)明顯滯后于煤量的變化，汽溫快速升高；減負荷時，煤量調節(jié)明顯滯后于風量的變化，汽溫快速下降；存在主汽壓力和主再熱汽溫大幅波動的現(xiàn)象，氧量自動的投入明顯不協(xié)調。因此，應優(yōu)化原靜態(tài)、動態(tài)負荷—煤量控制曲線，優(yōu)化制粉系統(tǒng)冷、熱風門解耦控制，優(yōu)化減溫水自動控制系統(tǒng)，增加一次調頻鍋爐主控前饋，優(yōu)化負荷響應能力。

 

4.2.5水冷壁噴涂防結焦、腐蝕材料

 

鍋爐低氮燃燒技術改造后，原先結焦嚴重的鍋爐，因主燃區(qū)的溫度下降較多，爐內溫度分布更加均勻，水冷壁的沾污結渣情況會有很大改善；另外通過配煤摻燒、優(yōu)化磨煤機組合方式也可有效改善水冷壁的沾污結渣情況；在爐底噴灑防結焦劑在一些鍋爐上應用也較好。

 

對于對沖燃燒和“W”火焰燃燒鍋爐的高溫腐蝕，可將側墻部分水冷壁鰭片去掉,通入一定量的二次風,降低側墻水冷壁附近的氧化性氣氛,高溫腐蝕得到緩解。目前，在水冷壁上噴涂防腐蝕材料也可起到有效防腐作用。

 

4.2.6持續(xù)燃燒優(yōu)化調整

 

鍋爐低氮燃燒技術改造后，除與燃用煤種有關外，主要與鍋爐的運行方式有關，鍋爐運行氧量、配風方式、磨煤機運行組合方式等在煤種變化和負荷變化后都要進行摸索優(yōu)化，根據(jù)鍋爐燃燒優(yōu)化調整試驗，當煤質有較大變化后，一般需近兩個月的調整，才能摸索出環(huán)保排放指標和運行經濟指標均兼顧的規(guī)律，因此持續(xù)燃燒優(yōu)化調整是必不可少。

 

 

由于鍋爐低氮燃燒器改造投運時間不長，問題暴露的還不完全，同時我們對問題的認識還不充分，對處理問題的經驗還不足，為緩解燃煤發(fā)電廠的環(huán)保壓力，降NOx的減排技術沿需進一步研究和發(fā)展，環(huán)保設施的水平需進一步提升，更為重要的是在新的減排技術和環(huán)保設施應用后產生的問題處理能力要進一步提升，為燃煤發(fā)電廠的可持續(xù)發(fā)展爭取更大的環(huán)保效益。