基于 三次风组织燃烧的方式 对锅炉超低排放 效果的 研究与应用

孔祥添

大唐河北发电有限公司马头热电分公司 河北，邯郸 056044

摘要：目前我国火电厂很多燃煤锅炉采用中间储仓式热风送粉系统，作为磨煤乏气的三次风进入炉膛参与燃烧。在实际运行时为保证制粉系统的出力，三次风量都高于设计值，造成三次风量偏大，导致还原区的过量空气偏大，NOx偏高，在低负荷运行时尤其明显。本文针对某电厂四角切圆锅炉为实现超低排放对三次风系统改造方案和应用效果进行研究分析。

关键词：超低排放；氮氧化物；三次风；四角切圆

1 概述

本文进行研究改造的机组系东方锅炉厂生产的DG1025/17.4－Ⅱ2型、亚临界参数、四角切圆燃烧、自然循环、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、半露天布置、全钢构架的∏型汽包炉。锅炉燃烧器共布置16层喷口，四角布置，均等配风，包括有5层（A、B、C、D、E）一次风喷口，3层燃烬风（SOFA）喷口，4层三次风喷口，4层二次风喷口（AA、AB、BC、EE）。锅炉配备4套低速钢球磨煤机中间储仓式制粉系统。

近三年该机组锅炉炉膛出口实际运行NOX平均值≥550mg/Nm³，高峰值可达到650mg/Nm³，SCR脱硝压力较大，喷氨量控制困难，下游设备堵塞严重。另依据所在省相关要求，脱硫出口氮氧化物排放浓度需≤30mg/Nm3。针对目前情况，对炉膛出口NOx浓度的控制已是刻不容缓。

2 系统现状

2.1 三次风参与燃烧对氮氧化物排放量的扰动

钢球磨中储式热风送粉系统，在采用空气分级燃烧技术降低氮氧化物排放的同时，由于三次风中携带大量的煤粉进入炉膛燃烧，并且三次风具有高速、低温、大流量的特点，三次风区域煤粉燃烧处于氧气充足以及无序燃烧的情况，使得燃烧过程中产生了大量的燃料型NOx，易致NOx的排放量上升。三次风在主燃区的顶部，处于还原区的边缘位置，三次风的进入导致还原区的还原性气氛被破坏，降低了NOx还原的效果。磨煤机投运的数量越多，三次风量就越大，NOx产生量就越高。另外，当锅炉负荷降低时，为保证磨煤机运行的经济性，磨煤机风量仍保持在最佳制粉电耗工况，导致三次风量也没有随锅炉负荷同比例降低，主燃烧区域的空气过量系数无法控制在最佳的运行值，此时NOx的排放浓度会远高于设计工况，对NOx的超低排放要求带来极大的困难。

该机组经试验，每台磨启动时，炉膛出口NOx浓度升高50mg/Nm3以上。

2.2、三次风布置方式对氮氧化物排放量的影响

该机组原燃烧器布置情况改造前：三次风燃烧器分别布置于还原区上、下方，还原区路程较短。实际运行过程中在还原区上下方存在大量的富氧三次风，在调整过程中易破坏还原区的缺氧氛围；同时三次风内仍含有较高浓度的煤粉，均使燃烧过程中Nox排放量的升高。

综上所述，对NOx的排放量的影响因素均发生在炉膛空间内，需针对三次风进行多方位的优化改造。

3 应对措施及效果

为了有效地解决以上问题，有必要从三次风的组织方式入手对燃烧器进行技术优化改造。

3.1、三次风进行炉外浓稀相分离处理

根据我公司长期运行经验，在磨煤机启动运行，三次风输入炉膛的情况下，NOx排放浓度较停磨煤机

（无三次风）的工况，可以大幅降低。查阅相关研究资料：磨煤机工作时，投三次风时的锅炉尾气NOx 浓度值显著增大，NOx的排放值比未投三次风增加了近120mg/ Nm3。主要就是三次风细粉中的燃料氮在大过量空气系数下氧化造成的，另外一个原因是三次风的射入常有一定的向下倾角为（15°），压迫一次风构成的主燃区，相对地缩短了挥发份在主燃区的停留空间和时间，降低了挥发份在主燃区中还原NOx 的能力造成的。

同时，对原有三次风风量的评估，原有三次风风率远超过设计值，风速高的三次风对降低氮氧化物及稳燃极其不利。针对氮氧化物低性能指标的要求，对三次风超细煤粉进行浓缩分离，降低非主燃区的三次风带粉能力，分级送入炉膛，方案如下图所示。每根三次风管道增加一套三次风浓淡分离系统，分别引出一路浓三次风和一路淡三次风。在三次风管道上采用百叶窗实现浓淡分离，并在管道上加装可调缩孔调整每根管道的风量分配。

3.2、三次风燃烧器浓稀相位置布置

原三次风在主燃区进入炉膛参与燃烧，由于制粉系统原因，三次风风量较设计值普遍偏大，且三次风有风温低，湿度大，带粉量少等特点，对主燃区燃烧控制，特别是低氮控制具有很大的破坏性，同时对主燃区空气动力平衡扰动也很大，对科学组织燃烧形成一定不利因素。

现将三次风重新布置，浓侧三次风进入主燃区后减少了对主燃区贫氧环境的破坏，有利于低氮燃烧。上层淡侧三次风邻近燃尽风充分燃烧，在不改变总空气量的情况下优化了整个炉膛的氧量分布情况。具体内容如下：在每根三次风母管增加三次风分离器，将三次风浓淡分离，分离后的三次风分为浓淡两层，浓三次风带粉量提高；淡侧三次风在燃尽风区域进入炉膛，相当于将原有主燃区氧量在燃尽区域供给（如上图2）。

绝大部分乏气所携带的煤粉从主燃区送入炉膛掺与燃烧，提高燃烧的稳定性和燃烧效率，降低锅炉尾部飞灰和大渣可燃物含量，同时部分三次风上移作为燃尽风，使得炉膛在垂直方向上进一步空气分级，降低锅炉尾部氮氧化物的排放。

3.3、氧量分布的控制

在原二次风道至燃烧器大风箱位置设置二次风大风门，用于调节主燃烧器区域二次风与SOFA燃烧器的风量分配。二次风大风门采用手动控制，在热态试验调整后，给出开度，一般不再进行调整。同时二次风大风门现场进行机械限位，保证其开度不小于20%。

改造后在增加燃尽风同时，使得主燃区过量空气系数得到控制，进而较大幅度的减少了NOx的生成。经过分离后浓三次风帯粉气流与浓淡燃烧产生的高温气流迅速混合升温，挥发分快速析出，即强化了三次风着火和燃尽度，又能避免一次性输入大量的三次风导致燃烧不稳定，同时可降低锅炉尾部飞灰和大渣可燃物含量。

4、改造效果分析

结合机组检修对上述改造思路进行了实施，系统运行正常，实现氧量3%以下，较改造前降低50~100 mg/Nm3，锅炉其他参数正常，效果显著。且无其他负面的参数指标及环保影响。

对改造前和改造后连续3个月的参数进行对比，发现经上述方案改造完后，NOX的排放浓度在全负荷下逐月持续下降，在第三个月达到稳定值，如下图

图1 图2

5、总结

根据部分地区环保政策的进一步要求，相关区域降低NOX的排放值势在必行。从国家下发的减排政策及监督的力度看，国家大力推广低氮燃烧的决心有增无减，因此低氮燃烧技术会得到全面发展及推广。同时，中储式制粉系统在我们火力发电厂中占有较高比例，三次风的投运对炉膛NOX波动影响程度较大，本文的相应应对措施能够满足超低排放的长期要求。

参考文献：.

[1].苟湘、周俊虎.三次风对四角切圆锅炉燃烧和NOx排放的影响.中国机电工程学报.2008.

[2].廖永进.火电厂氮氧化物超低排放技术及应用.中国电力出版社.2018.