罗银河
本文介绍了氮氧化物产生的原理,通过燃煤电厂进行低氮改造，从配风、氧量控制、燃烧器摆角等方面进行运行优化调整，从而达到降低氮氧化物排放。
2013年，我国雾霾面积最高达143万平方公里，波及15%国土面积，我国平均雾霾天数35.9天，部分地区超过100天。而2015年雾霾更是过之而不及，大气雾霾成为重大民生问题。按照绿色发展要求，落实国务院大气污染防治行动计划，加快燃煤电厂升级改造，2020年前，对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造，改造完成后，实行新的排放标准：粉尘10mg/Nm³、二氧化硫35mg/Nm³、氮氧化物50mg/Nm³。截止2016年1月，全国近1亿千瓦煤电机组已经进行了超级排放技术改造，正在改造超过8000万千瓦，占煤电装机容量10%。将大大改善我国大气质量。
1.氮氧化物产生机理
煤燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO(约占氮氧化物总量的95%)和NO2(约占氮氧化物总量的5%)，一般统称NOx。大气中的NOx有90%来自燃烧产物，其中火力发电厂的排放量约占总量的50%。
产生机理一般分为如下三种:
1.1.热力型
燃烧时，空气中氮在高温下氧化产生，其中的生成过程是一个不分支连锁反应。其生成机理可用捷里多维奇反应式表示。随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。当T<1500℃时,NO的生成量很少,而当T>1500℃时，T每增加100℃,反应速率增大6-7倍。
1.1.1.热力型氮氧化物生成机理:
O2+N=2O+N
O+N2=NO+N
N+O2=NO+O
1.1.2.在高温下总生成:
N2+O2=2NO
2NO+O2=NO2
1.2.瞬时反应型(快速型)
在碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会快速生成NOx。由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成，其形成时间只需要60ms，所生成的与炉膛压力0.5次方成正比,与温度的关系不大。
上述两种氮氧化物都不占NOx的主要部分，不是主要来源。
1.3.燃料型NOx
由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600~800℃时就会生成燃料型，它在煤粉燃烧NOx产物中占60~80%,。
在生成燃料型NOx过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N、CN、HCN和等中间产物基团，然后再氧化成NOx。由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型的形成也由气相氮的氧化(挥发份)和焦炭中剩余氮的氧化(焦炭)两部分组成。
2.我厂低氮燃烧改造方案及成效
2.1.改造前现状：
2.1.1.珞璜电厂二期#3、4锅炉与360MW汽轮发电机组配套，是由法国STEIN公司制造。
2.1.2.锅炉型式：亚临界、一次中间再热、强制循环、双拱炉膛、固态排渣、燃煤汽包炉。其结构为单炉体、π型露天布置。
2.1.3.使用燃料：松藻无烟煤，#0轻柴油。
2.1.4.燃烧方式：直流燃烧器，双拱布置，“W”火焰。
2.1.5.通风方式：平衡通风。
2.1.6.燃烧设备：在炉膛标高30.8米处分前、后拱分别布置有18油枪（14支大油枪，4支小油枪），每拱各9支（7支大油枪，2支小油枪）。总容量30%MCR。18台给粉机供36个煤粉燃烧器，每台给粉机供两个煤粉燃烧器，36个煤粉燃烧器分前后布置，每拱18个煤粉燃烧器。本炉将原C/G组油枪拆除，增设有C/G组共4套小油枪及小给粉机辅助燃烧器。设计燃煤最低稳燃负荷为40%MCR。燃烧区的水冷壁敷设有卫燃带，用以提高燃烧区温度，从而改善煤粉的着火条件。
2.1.7.风烟系统：锅炉的风烟系统由两台两级动叶可调轴流式引风机，有两台高/低速送风机，两台空预器，SCR，炉膛及尾部烟道，静电除尘器，两台油枪冷却风机和交、直流火焰扫描冷却风机各一台组成。
空气分为二次风和一次风，送风机出来的二次风经暖风器预热后，送到空预器加热，然后大部分二次风从两侧进入前后墙燃烧器上部的二次风箱，通过A/B/C挡板控制到38个二次风口，（每拱19个），一部分形成上、下三次风供每侧上36个，下18个三次风口作助燃风，另一部分二次风供制粉系统作调温风。一次风机出来的一次风经暖风器，空预器加热后，经由一根热一次风汇集管，进入一次风箱，然后将煤粉分别输送到36个煤粉燃烧器。
在目前燃煤情况下，锅炉正常负荷范围内NOx排放浓度约900~1200mg/m³，NOx排放浓度较高。通过对锅炉现有燃料、制粉系统、燃烧器系统及锅炉配风等边界条件综合分析，NOx排放高的原因有以下几点：
a)炉内沿高度方向空气分级程度不够；
b)燃烧系统配风不合理，拱上一二次风布置间距过小，没有拉开相应的距离，燃烧用风在燃烧初期过早与一次风混合，燃烧器区域空气分级效果较差。
c)拱下燃烧用风未实现分级送风，拱上二次风风量过大。
2.2.改造思路：
a)炉拱上布置燃尽风，使炉膛沿高度方向实现空气分级燃烧。
b)对燃烧器进行优化改造，一次风管增加分离分离器，提高燃烧器的燃煤适应性。
c)对拱上配风进行调整，避免空气与煤粉的过早混合，降低NOx生成；
d)局部优化拱下配风，实现下炉膛分级送风。
2.3.低氮燃烧改造方案
采用“新型分离型低NOx燃烧器+燃尽风”系统，通过低氮燃烧设备、燃烧系统的改造和现有炉膛的匹配来实现降低NOx生成量、低负荷稳定燃烧、充分燃尽。低氮燃烧改造主要分为主燃烧系统改造、燃尽风改造及相关设备等的改造。
新燃烧器前端采用耐高温耐磨铸件喷口，出口设置有稳焰齿，燃烧器喷口外侧设周界风，周界风由各一次风单元两侧的二次风道引出，并通过手动挡板加以控制，从喷口外侧送入炉膛。通过周界风口的翻边导向扩锥设计，为燃烧器提供运行冷却风，防止喷口结焦，同时可延迟空气与煤粉的混合时间，对控制NOx的生成有利。
2.3.1.燃烧器一次风管改造：一次风管内布置煤粉离器。，一次风管入口段布置楔形体煤粉离器将煤粉管道煤粉分离，并通过入口弯头和喷口出口的导向扩锥，实现燃料分级，部分较高浓度煤粉面向炉内中心高温火焰，并与回流的高温烟气混合，其余在背火侧送入炉膛。
2.3.2.二次风改造：后拱上二次风采用分离布置，在燃烧器两侧位置布置分离式二次风喷口。燃烧器喷口的冷却主要由布置在喷口外的周界风控制，煤粉着火阶段所需风量主要来自拱上分离式二次风喷口，油枪的点火和燃烧供风也由拱上二次风
2.3.3.控制。同时，火检布置在拱上二次风喷口内，使之能得到冷却保护。
2.3.4.燃尽风改造：，通过燃尽风风量的调节，可自动控制拱上、拱下的二次风风量分配，以形成全炉膛分级燃烧，降低锅炉的NOx排放量。同时，在燃尽风风管上设置手动调节蝶阀，控制沿炉膛宽度上风量及直流风/旋流风的分配。
3.总结语
低氮燃烧改造后性能试验收集数据得出如下结论：
3.1.各个负荷段下NOx都没有超过保证值800mg/m3，且余量较大；
3.2.从飞灰取样结果看，飞灰含碳量低；
3.3.锅炉效率优于改造前，各工况为91.3~92%之间；
3.4.省煤器出口氧量在2.4%以上CO排放低于200ppm；
3.5.送风阻力增加，在310MW以上负荷氧量偏低；
3.6.改造后主汽温度、再热汽温度都能达到额定值；
达到新的排放标准：粉尘10mg/Nm³、二氧化硫35mg/Nm³、氮氧化物50mg/Nm³。
