W型火焰锅炉低氮燃烧技术改造研究进展

1、W型火焰锅炉低氮燃烧技术改造研究进展W型火焰锅炉低氮燃烧技术改造讨论进展2457202117-0086-004DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2021.17.042Research Progress of Low Nitrogen Combustion Technology for W-type BoilerWANG Liang XU Yong-yi ZOU Peng WU Xiao-qin WANG FengChina Power Huachuang Electricity Research Co. Ltd， Shanghai 200086， China【Abst

2、ract】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 develop

3、ment 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 o

4、f 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进展所需的能源，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。随着国内经济快速进展，燃煤过程污染物的排放量也快速增加。讨论说明，氮氧化物促进了酸雨和灰霾的形成，其排放量应严格操纵。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

5、高，着火相对困难5-7，如接受四角切圆固态排渣煤粉炉来燃烧难燃煤，简单出现燃烧工况不稳定，飞灰残碳含量高，常需投油助燃，有结渣严峻等问题8。工程实践证明仅靠改良燃烧器，增改预燃室等方法缺乏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缘由，造成烟气中NOx浓度高达12002000mg/Nm3。W型锅炉低氮燃烧改造，对于电力行业氮氧化物排放操纵有着重要的意义。目前用于操纵电厂NOx排放的常用技术措施有两种10-17

6、，一是炉内低氮燃烧，接受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

7、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。NN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，接受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操纵热力型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N

8、Ox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排放量需同时操纵风量和燃烧温度，这是W型火焰锅炉操纵 NOx排放难度高的缘由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，可削减燃料型NOx生成

9、量。其余二次风及用于关心煤完全燃烧的燃尽风喷射到二次燃烧区域26-33。接受空气分级燃烧技术后，整个炉膛内的燃烧温度都比不接受空气分级燃烧技术时低，热力型NOx的生成量可得到操纵。周中州等人讨论显示一次燃烧区域的送风量须占总风量80%左右，不宜太低，否则会推延煤粉着火，造成燃烧工况不稳定，NOx排放量也会上升34。合适的风量调整对锅炉燃烧和氮氧化物减排很重要。接受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互相取舍，具体工程实践中具体选择最正确方案。除调整配风外，还可通过调整燃料配给方法来调整燃

10、烧区域的空燃比，即燃料浓淡分别燃烧技术。通常接受改造燃烧器的方法来实现燃料浓淡分别燃烧，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，操纵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，来操纵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。炉膛根据燃烧工况的不同，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

11、，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，此时氧气充分可充分燃烧，削减未完全燃烧损失，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试验讨论证明，实行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别燃烧的效果。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，可有效操纵NOx生成，降低飞灰

12、含碳量和削减炉内腐蚀。Chen等人的讨论说明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。氮元素不参加燃烧过程，该技术可以特别有效地操纵氮氧化物排放，但技术本钱过高，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BW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

13、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接受旋流燃烧器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接受双进双出正压直吹的制粉系统和双旋风分别式的燃燒系统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讨论实例中，哈尔滨工业大学的李争起，任枫等人针对阳泉

14、第二发电厂的%为SOFA风高速喷入炉膛，可保证燃尽风和烟气的匀称混合。增设相应风箱，将通过合理设计各级风安排比率，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。削减煤粉集中燃烧造成的局部高温区域来削减热力型NOx的生成，延缓一二次风混合，增加还原性气氛区域，操纵燃料型NOx的生成。隋树波等人讨论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协作的方法来降低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

15、烧，还原性气氛中部分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，这样可重新安排送入的风量。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，并操纵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等人讨论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状况。该锅炉接受双旋风煤粉燃烧器。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型火焰锅炉改造相像，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添，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。吕当振等人讨论说明，接受这些低氮改造方案后，可削减