W型火焰锅炉低氮燃烧技术改造研究进展

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　　【摘 要】综述了W型火焰锅炉应用较普遍的低氮燃烧技术，作为W型火焰锅炉低氮燃烧技术改造的基础理论方法。根据五家电厂不同型号的W型火焰炉低氮燃烧技术改造实例来介绍目前W型火焰炉低氮改造研究情况。利用空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术相配合，为原有锅炉增设燃尽风供应系统，适度下倾二次风的喷射角度，改进燃烧器等方法均可降低W型火焰锅炉的氮氧化物生成量。
　　【关键词】W型锅炉;低氮燃烧;技术改造
　　中图分类号： TQ534 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）17-0086-004
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.042
　　Research Progress of Low Nitrogen Combustion Technology for W-type Boiler
　　WANG Liang XU Yong-yi ZOU Peng WU Xiao-qin WANG Feng
　　（China Power Huachuang Electricity Research Co. Ltd， Shanghai 200086， China）
　　【Abstract】Low nitrogen combustion technology for W - type flame boiler are summarized， which are theoretical methods for modification on low nitrogen combustion technology. Five different examples of modification on low nitrogen combustion technology for W-type flame boilers introduce the current development of low-nitrogen combustion technology. Measures for reducing nitrogen oxide production can be classified into several categories， mainly， air classification combustion technology and fuel classification combustion technology， such as exhausted air supply system， improved burner and adjustment of secondary air injection angle.
　　【Key words】W-flame boiler; Low-nitrogen combustion; Technical transformation
　　我国大量使用煤炭来提供发展所需的能源，煤炭燃烧过程中排放了大量污染物，其中包括硫氧化物、烟尘、氮氧化物等。随着国内经济快速发展，燃煤过程污染物的排放量也迅速增加。研究表明，氮氧化物促进了酸雨和灰霾的形成，其排放量应严格控制。电厂锅炉燃烧煤产生的氮氧化物90%是NO，以及部分NO2和少量N2O。
　　我国40%的动力煤是难燃煤[1-4]，如无烟煤、贫煤等。难燃煤一般挥发分较低，灰分较多，含碳量高，着火相对困难[5-7]，如采用四角切圆固态排渣煤粉炉来燃烧难燃煤，容易出现燃烧工况不稳定，飞灰残碳含量高，常需投油助燃，有结渣严重等问题[8]。工程实践证实仅靠改进燃烧器，增改预燃室等方法不足以解决难燃煤燃烧应用中的问题。国际上倾向使用W型火焰锅炉来燃烧难燃煤。W型火焰锅炉为提高燃烧难燃煤时的效率，常用更细的煤粉，煤粉浓度更高的一次风，高温工况，高氧量送风等技术条件，加上炉膛结构和燃烧器布置造成煤粉在炉内停留时间较长的原因，造成烟气中NOx浓度高达1200～2000mg/Nm3。W型锅炉低氮燃烧改造，对于电力行业氮氧化物排放控制有着重要的意义。
　　目前用于控制电厂NOx排放的常用技术措施有两种[10-17]，一是炉内低氮燃烧，采用各种技术方法在燃烧过程中降低氮氧化物生成量;二是尾部烟气脱硝，使NOx反应生成N2来降低NOx的排放。本文主要关注W型锅炉低氮燃烧技术，阐述W型火焰锅炉低氮燃烧技术改造原理，分析了三个W型火焰锅炉低氮燃烧改造的工程实例，总结分析了目前W型火焰锅炉低氮燃烧改造技术现状。
　　1 W型火焰锅炉低氮燃烧技术理论进展
　　1.1 NOx生成机理
　　燃煤锅炉NO生成量的主要影响因素有火焰温度分布、过量空气系数、燃料含氮量和燃烧产物在高温高氧区停留时间等。锅炉内煤燃烧过程产生NOx一般有三种途径[18-20]：（1）快速型NOx，可用菲尼莫原理解释：燃料燃烧时产生活性强的CHi等碳化氢自由基，碳化氢自由基与空气中氮反应产生HCN，N和NH等中间产物，中间产物進一步被氧化为NO;（2）燃料型NOx，燃料型NOx是煤自身氮元素氧化生成。燃料型NOx生成量受燃烧过程中供给空气量影响，与炉内温度关系不大;（3）热力型NOx，热力型NOx生成过程可用泽利多维奇原理解释：加入燃烧的空气中的氮元素被高温氧化生成NOx。
　　N≡N键能很高，室温下的燃烧过程不会生成热力型NOx。温度超过1500K后，热力型NOx生成速率随温度升高按指数级规律增加。由于热力型NOx生成过程主要受温度影响，采用降低火焰温度或缩短煤在高温区域的停留时间就可以有效控制热力型NOX生成量。
　　无烟煤等难燃煤挥发分含量低，燃烧温度高，燃烧所需风量大，因此NOx排放量大。烟气中不仅有燃料型NOx，热力型 NOx排放量也较高，因此要降低W型火焰锅炉NOx排放量需同时控制风量和燃烧温度，这是W型火焰锅炉控制 NOx排放难度高的原因[21-22]。 　　1.2 空气分级燃烧技术
　　从NOx生成机理得知，燃烧区域空气量过高会导致NOx排放量增加。因此可通过分开供风来形成富燃料区域，把原先的二次风分为两股或多股来使一次燃烧区域空燃比下降[23-25]。燃烧开始阶段的区域加入少于理论空气量的空气，一次气流燃烧区会出现贫氧富燃料的工况，此时燃料部分燃烧，处于过量空气系数较小的还原性气氛中，NOx生成过程中的HCN，NHi等中间物质会被已生成的NOx还原，可减少燃料型NOx生成量。其余二次风及用于帮助煤完全燃烧的燃尽风喷射到二次燃烧区域[26-33]。
　　采用空气分级燃烧技术后，整个炉膛内的燃烧温度都比不采用空气分级燃烧技术时低，热力型NOx的生成量可得到控制。周中州等人研究显示一次燃烧区域的送风量须占总风量80%左右，不宜太低，否则会推迟煤粉着火，造成燃烧工况不稳定，NOx排放量也会上升[34]。合适的风量调节对锅炉燃烧和氮氧化物减排很重要。
　　采用空气分级燃烧技术后，主燃烧区域的燃烧强度下降，炉膛内燃烧温度下降，易发生腐蚀和结渣，有飞灰中未燃残碳量大等问题。因此低氮燃烧技术要和强化燃烧原则相互取舍，具体工程实践中具体选择最佳方案。
　　除调节配风外，还可通过调节燃料配给方法来调节燃烧区域的空燃比，即燃料浓淡分离燃烧技术。通常采用改造燃烧器的方法来实现燃料浓淡分离燃烧，通过区分出浓淡两股煤粉气流单独燃烧，可强化难燃煤的燃烧，控制NOx排放量。浓淡两股煤粉气流的燃烧过程都偏离了合适的化学当量比，在较低温度的还原性烟气中燃烧可抑制NOx的生成。
　　1.3 燃料分级燃烧
　　燃料分级燃烧技术是指将燃料分开从两个区域送入燃烧，来控制NOx生成量的技术[35]。主燃烧区域已生成的NOx会和未燃烧物质发生还原反应被还原，其中的反应机理可由如下方程式描述[12]。
　　炉膛按照燃烧工况的不同，通常会被分为三个区域：主燃区，再燃区和燃尽区。80%的燃料跟随煤粉气流送入主燃烧区域，此时燃烧环境中过量空气系数大于1，即弱氧化环境，煤高温燃烧产生大量NOx。将剩余燃料投入再燃区，此时投入的燃料细度大，过量空气系数小于1的还原性燃烧环境，可将已生成NOx还原为N2，NOx生成过程也到抑制。未燃尽煤粉随烟气到达燃尽区，此时氧气充足可充分燃烧，减少未完全燃烧损失，提高燃烧效率。燃料分级燃烧技术可保证燃烧初期的良好燃烧工况，还可以解决低挥发分煤燃烧困难的问题。
　　陈瑶姬和于明金等人的实验研究证实，采取6：1的燃料分级方案可有效降低NOx生成量。再燃区的配风比例和燃烧温度，燃料喷入速度等因素会影响燃料浓淡分离燃烧的效果。应在不影响燃烧效果的前提上，提高再燃区配风比例，合理选择燃料喷入位置，可有效控制NOx生成，降低飞灰含碳量和减少炉内腐蚀。Chen等人的研究表明[36]，燃料分级燃烧技术可以和SNCR技术结合，将氨和碱金属盐喷入再燃区，可进一步降低NOx的生成量。
　　1.4 其他W型火焰锅炉低氮燃烧技术
　　除了上述低氮燃烧技术外，还有些较少应用的低氮燃烧技术，如无氮燃烧技术[37-38]等。氮元素不参与燃烧过程，该技术可以非常有效地控制氮氧化物排放，但技术成本过高，且燃烧温度低，不能大规模应用。目前仅在钢铁工业等领域有所应用。
　　2 W型火焰锅炉低氮燃烧的改造工程实例和难点
　　目前国内所使用的W型火焰锅炉主要来自国外四家生产公司[39]，福斯特惠勒FW公司，巴威（B&W）公司，阿尔斯通—斯坦因公司和斗山巴布科克公司。国内也有少数中国厂家生产的W型火焰锅炉在运行，如东方锅炉股份有限公司生产的锅炉。由于四家公司配给自己W型火焰锅炉产品的燃烧系统和配粉系统各不同[40-41]，因此它们的W型锅炉产品各不相同。W型火焰锅炉的低氮排放燃烧器主要采用旋流燃烧器[42]。
　　2.1 FW型火焰锅炉低氮燃烧改造实例
　　福斯特惠勒公司开发生产W型火焰锅炉已有半个多世纪历史。这类W型火焰锅炉的特征是采用双进双出正压直吹的制粉系统和双旋风分离式的燃燒系统[40]。携带煤粉气流的一次风经过旋风筒后，就分为浓淡两股气流再进入炉膛燃烧。二次风分为两部分送入实现低氮燃烧。可提高锅炉稳燃性，抑制氮氧化物生成。
　　在福斯特惠勒炉的改造和研究实例中，哈尔滨工业大学的李争起，任枫等人针对阳泉第二发电厂的#2 炉进行了实验研究，发现该炉F层风会阻挡一次风，二次风配比不够完善，W火焰炉缺少燃尽风设计等原因导致了锅炉着火较晚，燃烧不完善和氮氧化物排放量较大[44-45]。
　　针对该#2福斯特惠勒W型火焰锅炉的特点，改造是在上炉膛拱上喉口处布置了燃尽风装置，加设两个风道，引出了部分二次风成为燃尽风。采用空气分级和浓淡分离燃烧技术，调节空燃比。工艺上使用双通道叶片式浓淡分离燃烧器来代替旋风分离式燃烧器。一次风粉分成浓煤粉和淡煤粉两股气流，由不同的喷口进入参与燃烧，浓煤粉气流在炉膛高温区域，淡煤粉气流则控制到墙壁附近。在拱下增加二次风倾斜装置，二次风流向向下倾斜。在侧墙和翼墙增加局部通风，送入部分二次风来形成空气层，可避免结渣。
　　在这些改造方案中，将部分二次风分到燃尽风中使燃尽区域保持还原性氛围，使部分生成的NOx还原为N2，降低NOx生成量。在挥发分燃烧区域，保持空气量供给不足使得挥发分氮元素燃烧的NH3、HCN等中间产物在还原气氛下转化为 N2。二次风混合煤粉的时间推迟后，还原反应时间增加，更多燃料型NOx被还原成了N2。二次风流向倾斜后，火焰下移，煤粉颗粒在炉内的时间增加，更易着火稳燃。后加入的燃尽风分两层送入，一层直流一层旋流，这类设计促进颗粒燃尽，提高效率。
　　汪华剑等人[46]还针对福斯特惠勒炉的改造研究实例中F层风下倾角度对改善炉内燃烧和低氮技术的作用进行了研究。研究发现适度下倾F层二次风角度可降低炉渣含碳量，使炉内的局部高温和锅炉的排烟温度降低，锅炉的煤粉射流行程增加都可使NOx生成减少。 　　2.2 巴威W型火焰锅炉低氮燃烧改造实例
　　巴威公司W型火焰锅炉的特点是拱上选用叶片式旋流燃烧器，可与各种制粉系统相配合，利用高温一次风粉来改善低挥发份难燃煤的着火和燃烧。拱下设计有三次风和分级风喷口，形成分级燃烧。
　　在巴威W型火焰炉的改造和研究实例中，选赵建芳，朱德明[47]和隋树波[48]等人的研究为例介绍巴威炉改造的特点。
　　改造的巴威炉是贵州黔北电厂的#1和#2W型火焰炉，采用的是双调风旋流燃烧器 ，燃烧器布置在下炉膛的前后拱上。其研究发现原锅炉没有设置SOFA风，二次风率太大，主燃烧区域出现富氧的工况，这样的工况下NOx生成量较大。
　　首先增加SOFA风系统，将SOFA风喷口设计为内外两层，内设直流层外设旋流层，引出总风量的20%为SOFA风高速喷入炉膛，可保证燃尽风和烟气的均匀混合。增设相应风箱，将通过合理设计各级风分配比率，保证风量和速度。更换燃烧器，增加稳燃环，调整分级风喷口，下移喷口倾角来提高燃烧效率。减少煤粉集中燃烧造成的局部高温区域来减少热力型NOx的生成，延缓一二次风混合，增加还原性氛围区域，控制燃料型NOx的生成。
　　隋树波等人研究的是一台单炉膛一次再热、亚临界参数的自然循环单汽包固态排渣W火焰煤粉炉，配有浓缩型双调风燃烧器和正压直吹式制粉系统。这台锅炉的改造过程也是先增加SOFA风，选用空气分级燃烧和燃料分级燃烧技术相配合的办法来降低NOx生成量。将部分风变为燃尽风，将炉膛主燃烧区域为贫氧燃烧，还原性氛围中部分NOx分解成N2。其余风为SOFA风，送入炉膛使煤粉燃尽。主要工作在于改造燃烧器和分级风喷口，这样可重新分配送入的风量。増设相应的SOFA喷口、风箱和分风道等相应配套系统，在适当位置增设一层水平布置的喷口，并控制好总风量和分风道的二次风流量。
　　2.3 其他公司（东方锅炉等）W型火焰锅炉低氮燃烧改造实例
　　其他公司也有W型火焰锅炉在运行，选择吕当振[49]等人研究的东方锅炉股份有限公司生产W型火焰锅炉的低氮改造实例来介绍其他公司生产W型火焰锅炉低氮燃烧技术改造情况。
　　该锅炉采用双旋风煤粉燃烧器。改造主要是为了改善燃烧和降低氮氧化物排放，通过实现空气分级燃烧来抑制NOx生成。将原有燃烧器乏气风管移至拱下水冷壁上，调整其风向向下倾斜20°。安装二次风喷嘴，将20%总风量作为燃尽风下倾后送入炉膛。
　　增设SOFA风与其他W型火焰锅炉改造相似，额外增加乏气风下移的改造策略，缩短着火距离改善燃烧，二次风煤粉引射流作用增强，使煤粉在炉内的停留时间延长，降低贫氧状态燃烧时NOx的生成量。吕当振等人研究表明，采用这些低氮改造方案后，可减少50%炉膛出口NOx排放量。
　　3 结语
　　W型火焰锅炉面临着氮氧化物排放量大的问题，本文首先介绍了目前采用较多的低氮燃烧技术。根据目前电厂W型火焰锅炉低氮燃烧技术改造实例来介绍目前我国W型火焰炉的低氮燃烧技术改造情况。目前都是利用空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术相配合，为原有锅炉增设燃尽风供应系统，适度下倾二次风的喷射角度，改进燃烧器等方法来降低锅炉的氮氧化物生成量。相信随着对W型火焰锅炉的燃烧特性和氮氧化物的生成机理越来越全面清楚，W型火焰锅炉的低氮燃烧技术定会获得更大进步。
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