作者：刘晓云

　　摘要：根据NO_x生成原理及控制技术，拟定了低氮燃烧加SNCR的脱硝工艺路线。并结合某神木公司410t/h高温高压煤粉锅炉脱硝项目，分析了具体工艺流程和技术特点，并根据投运效果证明该路线的可行性。

　　神木发电有限公司共装有2台110MW燃煤汽轮机发电机组，所安装锅炉为北京巴威公司生产的B&WB-410/9.81-M型高压锅炉，燃煤按神府煤种设计，属于优质烟煤，灰含量只有11%，实际燃煤为神木烟煤，四角切圆布置直流煤粉燃烧器，空气预热器为管式空预器，分为上中下级布置，省煤器分为上下级并且与上下级空气预热器交错布置在尾部竖井烟道内部；

　　制粉系统采用中间储仓式、乏气送粉制粉系统；锅炉布置为单锅简，集中下降管，固态排渣、自然循环煤粉锅炉；除尘方式电除尘；脱硫方式为两炉一塔循环流化床干法脱硫系统。目前两台机组出口烟气SO₂排放浓度≤100mg/Nm³，烟气含尘量浓度≤30mg/Nm³，NO_x排放浓度为800～900mg/Nm³。

　　为遵从国家环保政策的要求，满足日益严格的环保排放标准，进一步减少NO_x排放总量，坚持科学发展观，实现可持续发展战略，更好地为集团公司的发展和神木县环境保护和生态城市建设贡献力量，拟为中电国华神木发电有限公司2×110MW燃煤机组配置脱硝装置。

　　1锅炉NO_x生成与控制

　　1.1 NO_x生成

　　燃煤锅炉排放的NO_x主要由NO、NO₂及微量N₂O组成，其中NO含量超过90%，NO₂约占5～10%，N₂O量只有1%左右。理论上NO_x的生成有三条途径，即：热力型、燃料型与瞬态型。其中，燃料型NO_x所占比例最大。

　　1.2 NO_x控制

　　燃煤锅炉的NO_x控制主要分为炉内低NO_x燃烧技术和炉后烟气脱硝技术两类，其控制机理主要为炉内低NO_x燃烧技术主要通过控制当地的燃烧气氛，利用欠氧燃烧生成的HCN与NH3等中间产物来抑制与还原已经生成的NO_x。对于炉膛出口烟气中的NO_x，可在合适的温度条件或催化剂作用下，通过往烟气中喷射氨基还原剂，将NO_x还原成无害的N₂和H₂O。

　　经过多年研究与发展，燃煤锅炉的NO_x控制技术已日趋成熟，国内外广泛采用的NO_x控制技术主要有：低NO_x燃烧器、空气分级、燃料分级、燃料再燃、选择性催化还原SCR、选择性非催化还原SNCR、SNCR/SCR混合法等。根据NO_x控制要求不同，这些技术既可以单独使用也可以组合使用。神木发电公司的两台燃煤锅炉均采用直流燃烧器，因此低NO_x燃烧器的技术分析只针对直流燃烧器。

　　（1）低NO_x燃烧器NO_x燃烧器采用特定机构将煤粉浓缩分离，在燃烧初期形成局部的煤粉浓淡偏差燃烧来控制NO_x生成。低NO_x燃烧器的脱硝效率约为20～40%。

　　（2）炉内空气分级煤粉燃尽前，在低NO_x燃烧器的火焰下游维持一定程度的还原性气氛，是进一步控制炉内NO_x生成的一个重要措施。常规手段是改变传统集中送风的方式，将部分助燃空气从主燃烧器区域分离出来，通过燃烧器上方的喷口送入炉内，在炉膛高度方向形成空气分级（SOFA）燃烧的模式。分级风主要用于后期的煤粉与CO燃尽。

　　分级风主要有紧凑型、单级分离型及多级分离混合型等三种。空气分级与低NO_x燃烧器相配合，可降低NO_x排放约40～60%。空气分级程度及分级风喷口与主燃烧器区域的距离，决定了燃烧器区域的还原性气氛程度及煤粉在欠氧条件下的停留时间，从而影响到NOx的生成浓度。

　　为改善早期低NO_x燃烧系统所存在的煤粉燃尽程度低、水冷壁结渣及高温烟气腐蚀等缺陷，现代低NO_x燃烧系统采取边界风、侧壁风、二次风大偏斜及浓淡偏差燃烧等措施，在燃烧器喷嘴附近或炉膛中央营造欠氧燃烧环境，并使水冷壁处于氧化气氛，提高煤粉初期的燃烧速度。此外，利用新型燃尽风喷口结构，强化分级风的穿透能力，提高分级风与烟气的混合程度，改善煤粉与CO的后期燃尽。

　　（3）燃料再燃炉内空气分级使煤粉燃烧初期处于欠氧环境，在一定程度上会延迟燃烧。为在控制NO_x生成的同时，还不降低煤粉燃尽。再燃技术将高效低NO_x燃烧器、燃料再燃及空气分级等技术结合在一起，利用再燃过程的中间产物还原已经生成的NO_x，在炉膛内形成主燃区、再燃区和燃尽区。约80～85%的一次燃料喷入主燃区，在氧化气氛（α=1.1～1.15）下剧烈燃烧；

　　约15～20%的二次燃料（天然气、油或高挥发分的超细煤粉）于再燃区喷入炉膛，在强还原气氛（α=0.7～0.9）条件下，二次燃料燃烧产生大量碳氢原子团（HCN），将来自主燃烧器区域的NO_x还原成N₂；剩余二次风由OFA喷口送入燃尽区，富氧（α=1.15）燃烧未燃烬碳与CO。

　　再燃技术在控制NO_x排放的同时，兼顾燃尽、结渣与腐蚀等锅炉性能，是目前最先进的低NO_x燃烧技术，NO_x降低率约为50～70%。该技术的NO_x控制能力与炉膛沿程上的氧量控制密切相关，对锅炉的运行操作方式及控制精度要求非常高。

　　（4）低NO_x燃烧优化系统炉膛内的煤粉燃烧是一个复杂的整体系统，通过低NO_x燃烧优化控制系统量化各参数之间的非线性内在关系，可充分挖掘现有燃烧装置的NO_x控制潜力。

　　燃烧优化系统利用多变量非线性回归学习方法，将热力试验数据与历史数据相结合，在控制变量（锅炉效率、空气系数、过热汽温、再热汽温、烟气成分等）、操作变量（风量、小风门开度、风箱与炉膛差压等）以及扰动变量（煤质组成、负荷要求、大气环境变化等）之间，构造出一种对应关系。当扰动变量发生变化时，燃烧优化系统操作变量进行精确调节，以维持控制变量处于良好状态。

　　低NO_x燃烧优化系统是通过精确调节运行方式来实现NO_x控制的，可降低NO_x排放约10～30%。其NO_x控制能力受到現有硬件设备性能的制约，且难以兼顾隐性模糊变量（结焦程度与腐蚀等），易导致锅炉燃烧方式走向极端，影响锅炉其它性能。

　　（5）选择性非催化还原技术（SNCR）在炉膛出口与屏式过热器附近烟气温度约850～1150℃区间，向炉内喷射氨水或尿素溶液，将高温烟气中的NO_x直接还原成无害的N₂和H₂O。SNCR技术的脱硝效率约为30～50%，氨逃逸浓度可控制在10μL/L以下，适用于NO_x减排要求相对较低的情况。SNCR系统的脱硝效果受到炉膛内温度场、速度场以及脱硝还原剂喷射均匀性等因素影响，其中如何将还原剂送入炉内合适的位置起决定性作用。

　　2锅炉设计参数及煤种

　　2.1锅炉设计参数

　　2.2设计煤种

　　神木发电有限公司2×110MW锅炉燃煤为混烟煤，主要使用周边大柳塔煤矿生产的原煤与部分小窑煤生产的烟煤的混合。单台锅炉燃煤量约为47t/h，两台锅炉每天燃煤约2256t/d。

　　3低NO_x燃烧改造方案

　　3.1性能要求

　　综合分析国内外相关的低NO_x燃烧技术，对于本工程通过燃烧技术的升级改造，要求达到如下性能要求：

　　（1）NO_x排放浓度控制在350mg/Nm³；

　　（2）锅炉效率降低绝对值不超过0.5%；

　　（3）不引起锅炉结渣与高温烟气腐蚀；

　　（4）不改变锅炉最大出力，保证主汽温及压力在正常范围。

　　3.2工艺方案

　　针对中电国华神木发电有限公司锅炉的燃烧技术与锅炉性能现状，燃烧技术改造方案（如图1）。

　　低NO_x燃烧器改造方案的思路是在保持锅炉原四角切圆直流燃烧器设计原则不变的前提下，充分利用原燃烧器的优点，合理增加布置SOFA风，改进其它燃烧器喷口结构，以达到基本保持原有飞灰含碳量、炉渣含碳量、锅炉效率不变、锅炉蒸汽参数稳定、NO_x排放量下降的目的，具体如下：

　　（1）沿高度方向上二次风进行重新分配，增设三层高位燃尽风，燃尽风总量在30%左右，燃尽风取自左右侧两个大风箱。这三层燃烬风分隔布置，逐步进入炉内燃烧。燃烬风结构上可实现上下左右摆动，运行时通过喷口摆动角度的调整，达到一最佳效果。

　　（2）对一次风喷口进行调整，采用水平浓淡燃烧技术。煤粉浓淡分离器将大部分煤粉分离到浓侧，实现燃烧前期的氧量控制，使得挥发份氮转化为N₂，从而降低挥发分NO_x的生成；淡侧煤粉量很少，空气系数较高，煤粉热解过程温度相对较低，挥发份N向NO_x的转化率也将降低。

　　（3）对一、二次风切圆直径进行优化，实现径向空气分级燃烧。合理的一、二次风射流夹角除了可以控制NO_x生成，还可以在炉内形成“风包粉”的燃烧效果，既可以保证稳定燃烧，又能降低水冷壁高温腐蚀风险，并防止水冷壁结渣。

　　（4）在一次风喷口周围新增周界风喷口，并且偏置周界风喷口，向火侧周界风量较小，背火侧周界风量较大，可以在水冷壁附近形成局部富氧环境，降低水冷壁结焦风险。同时周界风喷口与一次风煤粉射流成一定夹角，可以起到防止煤粉冲刷水冷壁、保护喷口，调节着火距离以及实现细部空气分级的作用，对控制NO_x排放有利。

　　通过以上技术措施，保证锅炉NO_x排放达到改造要求，同时锅炉效率不降低，蒸汽参数正常，锅炉运行稳定。

　　3.3电气、仪表及控制系统

　　（1）电气系统。低氮燃烧改造系统用电负荷主要包括新增风门执行机构及仪表。现场从DCS间铺设电源线，为新增加的设备提供电源。压力变送器、电动执行器反馈信号、分析仪表采用4-20mA信号送至电厂原DCS系统。执行器给定信号接受原电厂DCS4-20mA信号。

　　（2）控制系统。低氮燃烧改造控制系统的自动监测与控制进入电厂DCS系统，可以在DCS上面实现对风门执行机构和SOFA喷口上下摆动的自动调节，运行参数自动检测和储存，使系统实现自动控制。操作人员通过键盘、鼠标就能完成风门执行系统的开关操作，并实时监视烟气分析数据。整个系统受电厂原DCS系统控制。

　　4 SNCR改造方案

　　4.1性能要求

　　通过低NO_x燃烧器将NO_x降低到约350mg/Nm³基础上，可采用SNCR装置将NO_x降低到约200mg/Nm³，脱硝效率约43%，同时要求氨逃逸浓度小于10μL/L，对锅炉效率的影响低于0.5%。

　　4.2工艺设计参数

　　针对中电国华神木电厂2台锅炉的NOx排放现状与NOx控制要求，SNCR装置与低NO_x燃烧器相结合时的初步设计参数（如表3）。

　　4.3工艺布置

　　考虑到炉膛截面尺寸为9.98×9.98m，SNCR只采用墙式喷枪就能有效保证还原剂与烟气的充分混合，SNCR合适的反应温度在870～1150℃之间，根据炉膛温度分布的特点，合适的温度区间大概在锅炉折焰角附近，同时为了满足锅炉负荷变化时炉膛温度的变化，SNCR墙式喷枪应多层布置（SNCR喷枪布置示意图3）

　　根据SNCR喷枪布置示意图，可分3层布置，以满足不同负荷下SNCR反应所需，实际投运时，一般只投运1层，喷射层的高度要根据低NO_x燃烧器改造后的炉膛温度场再决定。根据现场勘查，折焰角上下的炉壁安装条件较好，前后左右侧均可以布置喷枪，每层建议布置9～15支喷枪，单台锅炉约布置34支喷枪。

　　SNCR采用墙式喷枪就能有效保证还原剂与烟气的充分混合，SNCR合适的反应温度在870～1150℃之间，根据炉膛温度分布的特点，合适的温度区间大概在锅炉折焰角附近，同时为了满足锅炉负荷变化时炉膛温度的变化，墙式喷枪采用气力雾化方式，雾化粒径的大小可通过调整雾化介质的压力进行调整，雾化介质既可以采用压缩空气，也可以采用低压蒸汽。通过调整喷枪的喷枪动量、流量及雾化压力来实现不同负荷工况下粒径的穿透深度，从而促进还原剂与烟气的混合，提高脱硝率，降低NH³逃逸。

　　SNCR烟气脱硝系统主要还原剂为工业尿素，由还原剂储存供应系统、稀释水系统、流量控制系统和喷射系统四个系统满足要求。

　　5实际运行效果

　　神木公司于2014年10底完成了两台锅炉NO_x燃烧改造和SNCR改造，根据机组不同运行工况分析：在110MW时，锅炉低氮燃烧投运，喷氨系统停运时，空预器入口处平均烟气温度为410.5℃，NO_X平均浓度为181.0mg/Nm³（标态、干基、6%O₂）；

　　喷氨系统投运后，实测空预器入口处平均烟气温度为431.9℃，NO_X平均浓度为124.1mg/Nm³（标态、干基、6%O₂），脱硝效率为31.4%，NH₃逃逸率2.10mg/m³。在100MW时，锅炉低氮燃烧投运，喷氨系统停运时，实测空预器入口处平均烟气温度为410.5℃，NO_X平均浓度为195.0mg/Nm³（标态、干基、6%O₂）；

　　喷氨系统投运后，实测空预器入口处平均烟气温度为418.8℃，NO_X平均浓度为123.3mg/Nm³（标态、干基、6%O₂），脱硝效率为36.8%，NH₃逃逸率0.76mg/m³在。80MW时，锅炉低氮燃烧投运，喷氨系统停运时，实测空预器入口处平均烟气温度为363.2℃，NO_X平均浓度为189.5mg/Nm³（标态、干基、6%O₂）；

　　喷氨系统投运后，实测空预器入口处平均烟气温度为418.8℃，NO_X平均浓度为104.6mg/Nm³（标态、干基、6%O₂），脱硝效率为44.8%，SNCR退出运行。

　　6结语

　　通过对神木公司两台锅炉低NO_x燃烧加SNCR脱硝技术改造，从三个工况测试结果看，锅炉效率较前有所提高，正常运行下空预器入口的浓度基本被控制在200mg/Nm³以内，各工况下出口NOX排放浓度均满足国标和设计指标要求（设计不大于190mg/Nm³），脱硝效率基本达到设计要求，NH3逃逸率2mg/m³左右，脱硝改造总体达到设计要求。

　　参考文献：

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　　[2]朱江涛，王晓晖，田正斌，闕勇明.SNCR脱硝技术在大型煤粉炉中应用探讨[J].能源研究与信息，2006（01）.

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