600MW“W”火焰锅炉NOx偏高的成因及治理

　　根据聊城600MW"W"火焰锅炉的NOx特性及测试结果，分析认为炉膛热负荷偏高，卫燃带结焦形成大量高温区，局部火焰温度高等是造成NOx偏高的主要原因，其NOx的生成以热力型为主，卫燃带布置数量和方式欠妥是生成热力型NOx的主要因素。采取改进卫燃带布置面积及方式等措施后， NOx排放量由改进前的1500mg/Nm3以上下降到了1000mg/Nm3左右，同时解决了炉膛结焦问题，取得了较好的综合效果。图5，表2、参3。

关键词：W火焰锅炉　NOx特性　成因分析　改进措施

     0　前言
     聊城电厂600MW锅炉为英国Mitsui  Babcock（简称"MBEL"）设计生产，目前是"MBEL"设计单机容量最大的"W"型火焰锅炉。锅炉运行实绩表明，该型锅炉具有热效率高、适合燃用低挥发份煤种等特点，具有一定的优越性。但也不同程度地存在着NOx排放偏高、燃用灰熔点偏低的煤种时炉膛结焦严重等问题。尤其是NOx排放指标达不到性能试验的验收保证值（1100mg/Nm3），明显高于具有降低NOx措施的常规燃烧方式锅炉。如何降低该种燃烧方式锅炉的NOx排放量，是机组性能试验验收前需要解决的问题。
     1　燃烧系统设计特点
　　锅炉设计煤种为无烟煤+贫瘦煤，设计混合煤质如表1所示。锅炉的燃烧系统由磨煤机及分离装置、燃烧器、烟风系统及辅机、炉膛及燃烧室等组成。其炉膛在中部炉拱处分为上、下两部分，作为燃烧室的下炉膛呈八角形，以燃尽为主的上炉膛为长方形。狭缝式喷燃器分组布置在前后炉拱上，三次风在下炉膛前后墙的下腹部引入（如图1所示），利用分级燃烧原理降低NOx的生成。炉膛前后炉拱处布置了直流下射狭缝式喷燃器，每组燃烧器由4只煤粉喷口、4只乏气喷口、8条狭缝式二次风喷口等组成。二次风喷口设在主煤粉喷口和乏气喷口的两侧，每组燃烧器设有二支油枪。在炉膛后墙的炉底处设置了炉底注入热风，用以负荷改变时调整汽温。下炉膛四周敷设大量卫燃带。制粉系统为直吹式，由双进双出滚筒式磨煤机、拱部旋风子、狭缝式燃烧器等组成。每台磨煤机两端分离器出口各连接一根主煤粉管道，主煤粉管道后分为两根支煤粉管道，每根分支煤粉管道连接1个旋风子，并通过旋风子连接的主煤粉和乏气喷口射入下炉膛燃烧。

注：表中ST为软化温度℃，HGI为哈氏可磨度。

     2　测试方法及结果
　　烟气中的NOx 测量采用进口烟气成分分析仪, 试验仪器经过标准气体标定，仪器前带有过滤及干燥器件,可以分别测量NO、NO2、NOx、O2、CO、CO2等烟气成分。测量NOx 时可分别显示单位体积的质量浓度（mg/Nm3）或显示百分比浓度（PPm），试验结果换算到O2=6%。为取样方便，烟气取样采用安装在预热器出口的笛形管取样装置（测试结果与电除尘器出口测量结果基本一致）。试验是在满负荷运行工况下，分别控制和测量省煤器、预热器出口氧量，进行烟气成分分析。

图2　聊城＃1炉改造前Nox特性　　　　　   图3　聊城＃1炉改进后Nox特性

　　聊城#1炉在满负荷，炉底热风投入工况下，改进前测试的NOx 平均值为1500mg/Nm3以上，其NOx 值远远超过常规煤粉炉的650 mg/Nm3排放标准。改进后测试的NOx 平均值为1000mg/Nm3左右。虽然理论上改变二、三次风的比例可以改变NOx，但在调试中发现，三次风挡板开度在10%～30%的范围内变化时，NOx变化较小，难以实现大幅度降低NOx排放量，但氧量变化对NOx影响较大。图2为改进前测试结果，图3为改进后测试结果。
     3　NOx的生成机理与控制措施
     3.1　NOx的生成机理
　　较多的研究认为：发生于燃料燃烧过程的NOx来源于以下3个方面[1]：
　　⑴热力型NOx即燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物，热力NOx的生成量与火焰温度、氧浓度和高温区停留时间有关，不受燃料组成的影响。燃烧温度越高，生成NOx越多。实际燃烧中，炉内温度分布并不均匀，即使火焰的平均温度不高，但局部高温处仍然产生大量NOx，并起着决定性作用。理论上在α＜1的区域内氧浓度越高，则生成的热力NOx越多。当α＞1时（如图4），氧浓度增高，炉膛温度下降，在燃烧产物及过剩空气量稀释的双重作用下，反而使热力NOx降低。

图4　扩散燃烧中NOX的生成

　　⑵燃料型NOx的生成机理复杂，与燃料的组成特性有关。燃料型NOx的生成，与过剩空气系数成单值递增函数关系（如图4中的燃料型曲线）。过剩空气系数大，剩余氧量多，NOx的生成就越多。燃料型NOx的生成，大致包括由挥发份中均相生成的NOx和残碳中异相生成的NOx两部分组成（见图5）。随挥发份一起从燃料中析出的有机化合物（包括热分解产生的HCN、NH3、CN等），称之为挥发N，仍残留在焦碳中的氮化合物称之为焦碳N。在通常的燃烧温度下，燃料型NOx主要来自挥发N(占60%～80%)，由焦碳氮N所生成的NOx(占20%～40%)[2]。挥发份高的煤种，其挥发N较高，反之，焦碳N较高。燃料中氮的含量增加时，生成的燃料型NOx量增加，但NOx的转化率减小。煤的燃料比FC/V（固定碳/挥发份）越高，NOx的转化率越低。在氧化性气氛中生成的NOx当遇到还原性气氛（富燃料燃烧或贫氧状态）时，会还原成氮分子N2，即NOx被还原。影响燃料型NOx生成浓度和转化率的主要因素是燃煤特性FC/V、过剩空气系数等。燃料型NOx受炉膛温度的影响较小，但受氧量的影响较大。过剩空气量大，一般产生的燃料型NOx多。

　　⑶快速NOx即碳化氢系列燃料在燃烧时分解，其分解的中间产物N2生成氮氧化物，其生成机理复杂，在CH较多，氧浓度较低时发生，一般认为燃煤炉中的快速NOx较小。
     3.2　控制 NOx的常用措施
　　理论上空气燃料混合越均匀，扩散燃烧越好，其NOx 生成量的峰值在过剩空气系数α接近1时产生,否则NOx 生成量的峰值会推迟。由于实际锅炉燃烧时，燃料和空气的混合并不均匀，其生成特性和理论情况有差异。在供给理论空气量时（α=1），NOx 一般达不到峰值。NOx 的峰值将发生α＞1的区域里，如果混合情况更差，峰值将移向更大的α值转移（图4），也就是说其峰值产生点取决于燃料与空气混合的均匀程度。因而提高风煤混合的均匀性，相对减少了过剩空气量，亦是减少NOx 的技术措施之一。
　　较多的研究还表明，采用分级燃烧可以降低NOx的生成量。使第一燃烧区内过剩空气系数α＜1，使燃料在贫氧的富燃料条件下燃烧，不但能够延迟燃烧过程，降低燃烧区内的燃烧速度和温度水平，而且在还原性气氛中能够降低生成NOx的反应率，抑制NOx在这一区域中的生成量。完全燃烧所需的空气量在后期（第二燃烧区）送入，然后在α＞1的条件下完成全部燃烧过程，即通常所说的分级配风燃烧方式也是常用措施。
     4　聊城锅炉 NOx偏高的成因与治理方案
     4.1　NOx偏高的成因分析
　　对多数常规燃烧方式的燃煤固态排渣锅炉而言，煤粉火焰温度相对于"W"火焰锅炉要低，其热力型NOx的生成量较少。但由于该炉膛结构上的原因，具备热力型NOx大量生成的条件（富氧燃烧，结渣的卫燃带温度超过1800K）。如：下炉膛热负荷较常规炉型大（是同类型常规燃烧方式锅炉的1.6～2.0倍），炉膛温度水平高，局部高温区域多，卫燃带部位容易结渣挂焦，渣层表面几乎处于准绝热状态；每组燃烧器的燃烧火焰集中，火焰温度高，燃烧所需的氧量大，燃料在高温区的停留时间长等，均会使热力型NOx生成量增多。
　　锅炉NOx的特性，主要与热力型NOx和燃料型NOx生成因素有关，并取决于热力与燃料型中谁占主导地位。该"W"火焰锅炉布置有大量卫燃带，结渣的卫燃带区域，会产生大量局部高温区域，对总的NOx生成将起决定性作用。
　　该锅炉下炉膛腹部处布置有一级三次风，作为分级燃烧配风，设计满负荷下的三次风率、炉底注入热风率均为7.3%,一次燃烧区的过剩空气系数α=1.084,虽然尚达不到理想状态α＜1的配风要求。但实际上由于该炉汽温偏低，运行中需投入炉底热风以提高汽温，炉底热风一般占到入炉总风量的10%～15%。按此估算，对应的一次燃烧区的过剩空气系数α=1.05～0.98,相当于增加了一级三次风，从而提高了分级燃烧效果，抑止了燃料型NOx的生成。另外，由于该炉实际入炉燃料山西阳泉煤的FC/V较高，其燃料型NOx生成量相对较小，使得燃料型NOx在总的NOx中只占次要成分。
不同的燃烧条件及燃料所生成NOx并不尽相同，应根据具体情况分析。一般来说，其挥发份越高，生成的挥发N越多，燃料型NOx的生成就越高。分级配风越合理，则燃料型NOx的生成就越低。如菏泽300MW"W"火焰锅炉实测的NOx随O2的增加而增加，其NOx随预热器出口氧量的变化关系[3]为：NOx=998.76×e0.0644×O2，与本锅炉测试的NOx 与O2的变化趋势相反。菏泽实际的入炉燃料的挥发份较高，其FC/V较低，加上由于汽温偏高，运行中炉底热风关闭，造成分级燃烧不够，从而使菏泽锅炉的NOx 生成中以燃料型NOx为主导的可能性大。而聊城锅炉NOx随02的增加而减小，其特性说明该锅炉热力型NOx占主导地位的可能性较大。
     4.2　治理方案探讨
　　综上所述，不同的燃烧条件及运行参数，不同的燃料下所生成NOx的原因不尽相同，需要根据锅炉的具体情况进行分析，因而减少NOx生成的技术措施亦不尽相同。基于上述分析，聊城600MW"W"火焰锅炉热力型NOx排放可能占主导地位，NOx排放偏高的主要原因是卫燃带布置位置欠佳，布置数量数量过多，导致炉膛局部高温区域增加，对总的NOx生成起着决定性作用。因此，降低NOx排放应从卫燃带布置数量及方式上着手，采取减少卫燃带数量及改变其布置方式应为首选方案。  
     4.3　降低NOx排放改进措施及效果
　　聊城锅炉沿前后墙全膛宽度从燃烧器向下布置了高度为11.694m的耐火砖结构的卫燃带，四角处沿整个水冷壁高度上布满卫燃带，共616 m2，占下炉膛辐射受热面积的25%。运行中主要存在的问题有两个，一是NOx排放偏高，超过验收值，二是掺烧灰熔点稍低的煤种时，结焦严重。为了解决聊城锅炉的结焦及NOx 偏高等问题，将聊城锅炉卫燃带由原设计的616 m2减少到346 m2，角偶处的四面水冷壁上的卫燃带打掉270 m2，仅保留上部约2.5m的高度。改进后，占下炉膛辐射受热面积的14%。采取上述措施后NOx下降到了1000 mg/Nm3左右，同时解决了下炉膛严重结焦问题，取得了良好的综合效果。
　　一般情况下，炉膛结焦、Nox排放、燃料燃尽之间存在相互矛盾问题，减少卫燃带数量，炉膛温度水平会降低，进而会影响燃料的燃尽度。但由于该锅炉的一次燃烧区高，加上燃烧优化及设备改进效果好，煤粉的燃尽度并未因卫燃带的减少而降低，飞灰含炭量仍保持在5%左右（满负荷运行）。
     5　结论
　　该型锅炉的NOx中以热力型NOx生成占主导。卫燃带布置位置欠佳，布置数量过多，结焦导致炉膛局部高温区域增加，对总的NOx生成起着决定性作用。其中卫燃带布置数量及方式是影响NOx排放的主要因素。对聊城#1炉采取改进卫燃带布置方式，减少卫燃带数量等措施后，NOx 排放值由原来的1500 mg/Nm3以上，降低到了目前的1000 mg/Nm3左右，同时也解决了炉膛的严重结焦问题，取得了良好的改造效果。