滿承波，高 超，歐陽子區(qū)，潘清波，田繼林，劉敬樟，朱建國

（1.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100045；3.中國科學院潔凈能源創(chuàng)新院，遼寧 大連 116023；4.兗礦中科清潔能源科技有限公司，山東 濟寧 273516；5.大同市煤炭清潔高效利用研究所，山西 大同 037305）

近年來，我國大型電站鍋爐已基本完成了超低排放改造，但隨著國家環(huán)保標準日趨嚴格，數(shù)量巨大、容量和技術水平參差不齊的燃煤工業(yè)鍋爐也面臨巨大的減排壓力[1-3]。目前國內燃煤工業(yè)鍋爐主要依靠選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原（SNCR）等燃燒后煙氣處理技術實現(xiàn)NOx達標排放[4-5]，然而上述技術存在費用高、氨逃逸、影響燃燒效率、催化劑重金屬等二次污染問題[6]。因此，開發(fā)低NOx燃燒技術，在燃燒過程中降低NOx原始排放，是滿足環(huán)保需求、推動燃煤工業(yè)鍋爐技術提升的必然要求。

國內外對于煤粉低NOx燃燒技術方向的研究主要集中在低NOx燃燒器和低NOx燃燒組織兩個方向。我國曾經引進或正在使用的國外低NOx燃燒器包括美國B&W 公司的DRB/XCL 燃燒器[7]、FW公司的CF/SF 燃燒器[8]、CE 公司的WR 燃燒器[9]、日本日立-Babcock 公司的HT-NR 燃燒器[10]、三井-Babcock 公司的LNASB 燃燒器[11]；國內研發(fā)的低NOx燃燒器包括清華大學“煤粉濃縮低氮燃燒器”[12]、西安交通大學“強回流低溫低氮燃燒器”[13]、哈爾濱工業(yè)大學“中心給粉徑向濃淡煤粉燃燒器”[14]、中國煤炭科學技術研究院“中心逆噴雙錐燃燒器”[15]、煙臺龍源電力技術股份有限公司“雙尺度低NOx燃燒技術”等。上述技術在研發(fā)人員的不斷優(yōu)化改進下，國內煤粉工業(yè)鍋爐的NOx原始排放已經可以降低至200 mg/m3，其中西安交通大學開發(fā)的低NOx旋流燃燒器在30 t/h 煤粉工業(yè)鍋爐上實現(xiàn)了NOx原始排放156 mg/m3[16]。

國內外對低NOx燃燒組織技術的研發(fā)則出現(xiàn)了多種路線。全俄熱工研究院[17]、西安交通大學[18]、華中科技大學[19]開發(fā)了使用氣體燃燒先加熱煤粉并初步脫氮后再配風燃燒的技術路線，德國RWTH Aachen University 研發(fā)了煤粉無焰燃燒技術[20]，這兩種技術相互配合，實現(xiàn)了NOx原始排放200～400 mg/m3。西安交通大學開發(fā)的另一技術路線的低NOx旋流燃燒器在燃燒器尾部增加了耐火材料保溫的預燃室[21]，通過煤粉的預燃燒和脫氮實現(xiàn)降低NOx效果。

近幾年發(fā)展起來的低NOx燃燒組織技術大多開始采用初期預熱后再燃燒的技術理念，取得了較好的降氮效果。中國科學院工程熱物理研究所早在2004年即提出了預熱燃燒技術[22]，煤粉等燃料在循環(huán)流化床型式的燃燒器先進行預熱并脫除部分燃料氮，再通入爐膛通過分級燃燒進一步控制NOx生成，進而實現(xiàn)低NOx排放。該技術已在30 kW 小試實驗臺和2 MW 中試實驗臺上分別實現(xiàn)了31 mg/m3[23]和67 mg/m3[24]的NOx原始排放，降氮效果顯著，具有良好的工程化應用前景[25]。

本文介紹采用上述預熱燃燒技術的40t/h煤粉工業(yè)鍋爐的設計、建設、調試情況，并通過工業(yè)試驗研究了預熱燃燒技術的工業(yè)化放大規(guī)律和實現(xiàn)低NOx排放的參數(shù)調整原則。

1 鍋爐設計

1.1 設計依據(jù)

中國科學院工程熱物理研究所提出的預熱燃燒技術，將煤粉的燃燒分為2 個階段：第1 階段為預熱階段，將煤粉通入流化床型式的預熱燃燒器中，通入較低當量比的空氣，煤粉在預熱燃燒器中發(fā)生部分燃燒反應生成焦炭和煤氣的混合物，反應放出熱量將燃料自身加熱至800 ℃以上；第2 階段為燃燒階段，將預熱產生的高溫焦炭與煤氣混合物送入爐膛，與空氣混合進行燃燒，實現(xiàn)燃料的燃盡。

傳統(tǒng)的煤粉燃燒技術中，NOx的生成主要通過3 條主要路徑：1）空氣中的N2在1 500 ℃以上溫度下轉化為熱力型NOx；2）煤中揮發(fā)分氮先轉化為前驅物HCN 和NH3，然后在氧化性氣氛下被氧化為NOx；3）煤中焦炭氮高溫析出后被氧化為NOx。

預熱燃燒技術構建了煤中燃料氮轉化的新路徑：1）煤中揮發(fā)分氮在預熱燃燒器中析出并轉化為HCN 和NH3，但由于析出反應發(fā)生在預熱燃燒器提供的高溫強還原性氣氛下，因此這些前驅物不會轉化為NOx；2）煤中焦炭氮在預熱燃燒器和爐膛中均會發(fā)生析出，預熱裝置中析出的焦炭氮在強還原性氣氛下發(fā)生向N2的轉化，未析出的焦炭氮通過高溫燃料噴口技術和深度分級控制技術在爐膛內大部分轉化為N2；3）通過熱燃料全爐膛調控技術，實現(xiàn)無明顯高溫區(qū)的全爐膛空間燃燒，最高燃燒溫度不高于1 200 ℃，避免了熱力型NOx的生成。本研究依托的40 t/h 鍋爐采用了預熱燃燒技術進行設計，并遵循預熱燃燒的降氮理念開展調試和試驗，力爭實現(xiàn)高效燃燒和低NOx排放的協(xié)同控制。

1.2 設計參數(shù)

某40t/h煤粉工業(yè)鍋爐使用的燃料為神木煙煤，其工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量見表1，鍋爐主要設計參數(shù)見表2。

表1 燃料分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of the coal

表2 鍋爐主要設計參數(shù)Tab.2 Main design parameters of the boiler

1.3 工藝流程

該鍋爐為過熱蒸汽鍋爐，額定蒸汽量為 40 t/h、額定溫度和壓力分別為450 ℃、3.82 MPa，設計燃料消耗量為4 734 kg/h。鍋爐的工藝流程如圖1所示。主要包括煤粉儲供系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)、水系統(tǒng)、點火燃燒系統(tǒng)和尾部煙氣處理系統(tǒng)。

圖1 鍋爐工藝流程Fig.1 Technical process of the boiler

煤粉儲供系統(tǒng)包括煤粉儲備和煤粉輸送系統(tǒng)。煤粉儲存在2 個100 m3的煤粉倉中，煤粉倉設置惰性氣體安全保護裝置。供粉時煤粉通過給粉機落入送粉管，由送粉風攜帶送入預熱燃燒器。為了確保鍋爐的穩(wěn)定運行，儲倉和輸送系統(tǒng)均設置2 套，一用一備。

煤粉在預熱燃燒器中與一次風、送粉風混合后實現(xiàn)流態(tài)化高溫預熱反應，形成高溫煤氣和焦炭混合的高溫預熱燃料。高溫預熱燃料從預熱燃燒器流出后經過一段連接段進入爐膛，由于預熱燃料溫度高于800 ℃，因此預熱燃燒器和連接段均采用耐火保溫材料制成，控制外表面溫度＜60 ℃，預熱和輸送過程完全密封，可保證析出的煤氣和焦炭全部進入爐膛參與燃燒，因此不會造成煤粉的熱值損失和散熱損失，即不會因為預熱而造成經濟性降低。

二次風和三次風均經過高溫空氣預熱器和低溫空氣預熱器預熱，預熱后的二次風從爐膛底部配入，與高溫預熱燃料混合進行燃燒；三次風分2 層在爐膛4 000 mm、8 000 mm 2 個高度位置水平送入爐內，用于實現(xiàn)煤粉燃盡。燃燒產生的高溫煙氣經余熱回收及廢氣處理系統(tǒng)后由引風機送至煙囪。再循環(huán)煙氣從袋式除塵器后面抽出，在必要時送入爐底，與二次風混合進入爐膛，以調節(jié)燃燒溫度和NOx排放。

1.4 爐膛配風

傳統(tǒng)煤粉燃燒時，煤粉進入爐膛的溫度較低，小型工業(yè)煤粉鍋爐一次風溫一般不高于200 ℃，采用熱風送粉的鍋爐一次風溫度一般為300～400 ℃。傳統(tǒng)煤粉燃燒器在噴口區(qū)域須構建“三高”區(qū)，即高溫、高煤粉濃度、較高氧濃度，煤粉射流卷吸高溫煙氣帶來熱量加熱低溫的煤粉，使其在較高氧濃度下實現(xiàn)穩(wěn)定的著火和燃燒?！叭摺敝械母邷睾洼^高氧濃度，均對NOx的生成起到一定的促進作用，因此一直以來煤粉的“高效穩(wěn)定燃燒”和“低NOx”都是一對矛盾體，很難同時實現(xiàn)。因此研究人員提出了空氣分級技術，力圖在噴口區(qū)域建立還原區(qū)以降低NOx，但目前最低只能將噴口區(qū)域的空氣當量降至0.8，否則將影響燃燒穩(wěn)定性。

40 t/h 鍋爐煤粉預熱為基礎，煤粉在預熱燃燒器中經過高溫預熱，進入爐膛時溫度達到800 ℃以上，已高于自身著火點，無需強烈摻混即可實現(xiàn)著火和穩(wěn)燃。另外，煤粉在預熱燃燒器中通過預熱實現(xiàn)了的燃料改性，煤粉的孔隙增加，反應活性提高[23]，更加有利于著火和燃盡。因此，采用預熱燃燒技術可擺脫傳統(tǒng)煤粉燃燒的穩(wěn)燃和燃盡要求限制，無需建立“三高”區(qū)，可以更靈活地進行燃燒組織?；谏鲜隼砟睿疚奶岢龆物L在爐膛底部預熱燃料噴口四周均勻配入，三次風分上下2 層配入。二次風當量比可在0.2～0.6 靈活調節(jié)，主燃燒區(qū)總空氣當量比最低可低至0.4，依然有望實現(xiàn)良好的著火和穩(wěn)燃效果。

2 鍋爐運行情況

作為世界首臺用于發(fā)電的基于預熱燃燒技術路線的煤粉鍋爐，該鍋爐建成后首先進行了調試，驗證了系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

需要指出的是，本文介紹的鍋爐運行數(shù)據(jù)均為工況連續(xù)穩(wěn)定運行24 h 后，連續(xù)4 h 測量的平均值，溫度數(shù)據(jù)記錄間隔為1 min，煙氣成分數(shù)據(jù)記錄間隔為5 min。

2.1 燃燒器運行情況

40 t/h 鍋爐的燃燒器為循環(huán)流化床結構的預熱燃燒器。送粉風攜帶煤粉進入燃燒器，一次風提供床料和燃料的流化所需空氣，送粉風和一次風共同提供了預熱燃燒器內煤粉化學反應所需氧氣，二者總的空氣當量比不高于0.2。在最初升溫引燃過程完成后，煤粉可以穩(wěn)定地實現(xiàn)自持預熱。預熱燃燒器中設置4 個K 型熱電偶，分別位于預熱燃燒器提升管的底部、中部和上部，另一個在U 型返料器內。在168 h運行考核過程中，鍋爐按照考核要求在90%以上負荷運行，4 個點測得的溫度曲線如圖2所示。由圖2 可以看出，在運行過程中，4 個溫度點溫度相近且曲線平滑，說明預熱燃燒器運行穩(wěn)定、溫度均勻，反映出循環(huán)流化床內物料循環(huán)正常，證明了0.2 左右的空氣當量比可保證煤粉發(fā)生部分燃燒、氣化、熱解等反應所放出的總熱量將煤粉穩(wěn)定連續(xù)地預熱至900 ℃左右。

圖2 預熱燃燒器內的溫度變化（168 h）Fig.2 Temperature changes in the preheating burner(168 h)

2.2 爐膛運行情況

鍋爐爐膛中沿高度方向布置了9 個溫度測點，168 h 運行過程中（負荷90%），測得爐膛內的各點溫度時間均值分布如圖3所示。從圖3 可以看出，爐膛內溫度在650～950 ℃，最高溫度未超過1 000 ℃。傳統(tǒng)煤粉鍋爐主燃燒區(qū)的火焰中心溫度一般超過1 400 ℃，較高的燃燒溫度是為了促進煤粉燃盡，但也容易促進熱力型NOx的生成。該鍋爐較傳統(tǒng)煤粉鍋爐內的溫度明顯偏低，主要原因是該鍋爐的爐膛采取了較為均勻的配風方式，較低的爐膛溫度基本杜絕了熱力型NOx的生成。168 h 內煙氣平均氧體積分數(shù)為3.68%，CO 平均質量濃度為117 mg/m3，驗證了本鍋爐均勻的爐膛布風方式能夠實現(xiàn)鍋爐的穩(wěn)定運行。

圖3 爐膛內沿高度方向溫度分布Fig.3 Temperature distribution in the furnace along the height direction

3 低NOx 試驗

本研究在40 t/h 鍋爐上開展了工程試驗，探討了鍋爐負荷、二次風當量比、內外二次風比例、三次風配入位置等因素對NOx排放的影響，本文的NOx原始排放均按照氧體積分數(shù)6%進行折算。

3.1 二次風當量比對NOx 的影響

圖4 為不同二次風當量比條件下的NOx排放情況。各工況均是在60%負荷、預熱空氣當量比0.2，只開啟上層三次風的條件下進行。從圖4 可以看出，各工況排放最低的點在二次風當量比0.41，可以推測NOx排放最低的二次風當量比區(qū)間在0.35～0.50，可能在0.40 左右。造成這一現(xiàn)象的原因可能是在0.40 左右的二次風當量比下，爐膛底部能夠維持合理的還原區(qū)氣氛，同時足夠高的燃燒份額可以提供NOx還原所需要的足夠高的溫度。當二次風當量比提高時，還原區(qū)的還原性氣氛減弱，可能出現(xiàn)更多的局部氧化性氣氛；當二次風當量比降低時，盡管還原氣氛更強，但還原區(qū)的溫度不夠高，還原反應減弱。因此，比此最佳值更高或者更低的二次風當量比都無法獲得最低的NOx排放。

圖4 不同二次風當量比下的NOx 原始排放質量濃度Fig.4 The original NOx emission mass concentrations at different secondary air ratios

3.2 內外二次風比例對NOx 的影響

本鍋爐的二次風配風形式與傳統(tǒng)煤粉燃燒器不同，預熱燃料噴口位于爐膛底部中心，將預熱燃料從下向上噴入爐膛，二次風在噴口四周由4 根風管均勻配入爐膛，其中靠近噴口的2 根為內二次風，遠離噴口的為外二次風，內外二次風均可以單獨調節(jié)和控制風量（圖5）。

圖5 二次風配風形式Fig.5 The secondary air distribution mode

圖6 為內外二次風不同配比下的NOx排放情況。各工況均是在60%負荷、預熱空氣當量比為0.2，二次風當量比約為0.4，三次風開啟上下2 層的條件下進行。從圖6 可以看出，外二次風比例越高，NOx排放質量濃度越高，即內二次風較外二次風更有利于降低NOx排放量。這是由于噴口區(qū)域的總空氣當量比在0.6～0.7，屬于還原性氣氛，但如果預熱燃料和二次風摻混不佳，依然可能出現(xiàn)局部氧化區(qū)，不利于抑制NOx生成，而二次風距離噴口較近，有利于燃料與二次風的摻混，外二次風距離預熱燃料噴口過遠，無法及時摻混，摻混不均勻容易造成局部氧化區(qū)，對NOx的生成無法起到足夠的抑制作用。

圖6 不同內外二次風配比的NOx 原始排放質量濃度Fig.6 The original NOx emission mass concentrations with different secondary air distributions

3.3 三次風配入位置對NOx 的影響

本鍋爐的三次風分2 層配入，分別在噴口以上4 000 mm 和8 000 mm 高度的位置，三次風配入位置的變化將改變爐內還原區(qū)的高度，對NOx的生成也有一定影響。本研究分別開展了2 個不同三次風配入位置工況的對比研究，其中工況1 的三次風在4 000 mm 和8 000 mm 配入，工況2 的三次風只在8 000 mm 配入，兩者的NOx原始排放質量濃度分別為178 mg/m3和90 mg/m3。這說明當三次風延遲配入爐膛時，在爐膛內造成了更大區(qū)域的還原區(qū)，更加有利于降低NOx排放。

3.4 鍋爐負荷變化對NOx 的影響

圖7 為3 種不同負荷下鍋爐的NOx原始排放質量濃度。由圖7 可以看出，NOx原始排放質量濃度隨鍋爐負荷的提高而逐漸升高，這主要是由于鍋爐負荷升高后，爐膛內的燃料和空氣摻混均勻性變差所致。

圖7 不同鍋爐負荷下的NOx 原始排放質量濃度Fig.7 The original NOx emission mass concentrations at different operating loads

3 個工況雖然負荷不同，但預熱燃燒器內的脫氮效果是相同的。這是由于預熱燃燒器的運行溫度與空氣當量比是相對應的，要保持良好的預熱改性和脫氮效果，就必須將預熱燃燒器內的溫度維持在800 ℃以上，而決定預熱溫度的，是煤粉與空氣發(fā)生反應的燃燒份額，因此在不同鍋爐負荷下，保持相同的預熱空氣當量比，其脫氮效果也就基本保持一致。

3 個工況不同的是爐膛內預熱燃料與空氣的摻混情況。在不同的工況下，燃料量和空氣量均有所不同，負荷越高預熱燃料量越大，燃料與空氣的摻混就越難達到均勻，就會在整體還原性氣氛中形成局部氧化性氣氛，導致NOx的生成。但即使在100%負荷下，本鍋爐依然實現(xiàn)了119 mg/m3以下的NOx原始排放，這說明預熱燃燒系統(tǒng)盡管受到諸多參數(shù)的影響，但其在降低NOx排放方面，較傳統(tǒng)煤粉燃燒方式仍然有明顯優(yōu)勢。

3.5 鍋爐熱效率和NOx 排放

NOx與鍋爐熱效率尤其是CO 的質量濃度有較為緊密的聯(lián)系，若CO 質量濃度過高，則NOx的排放數(shù)據(jù)參考意義將大打折扣。本文測試了3 個不同負荷工況的鍋爐熱效率和CO 質量濃度，結果見表3。由表3 可見，3 個工況的鍋爐熱效率都在92%以上，CO 質量濃度在350 mg/m3以下，NOx原始排放質量濃度<119 mg/m3的結果是在較高的鍋爐熱效率和較低的CO 質量濃度下獲得的，說明預熱燃燒技術的降氮效果可以在不犧牲鍋爐效率的前提下獲得。

表3 鍋爐熱效率和NOx 排放質量濃度Tab.3 The boiler thermal efficiency and NOx emission mass concentration

4 結論

1）某40t/h煤粉預熱燃燒鍋爐的NOx排放隨鍋爐負荷的提高而逐漸升高，能夠在50%～100%負荷實現(xiàn)NOx原始排放質量濃度低于119 mg/m3（φ(O2)=6%），同時滿負荷熱效率可達到92%以上。

2）在鍋爐目前的設備狀態(tài)和二次風配風組織形式下，NOx排放存在1 個最優(yōu)的二次風當量比區(qū)間，在0.35～0.50 范圍內。

3）加強預熱燃料和二次風的摻混，如提高內二次風比例降低外二次風比例，有利于降低NOx排放。

4）開啟上層三次風關閉下層三次風，即延遲三次風配入，有利于降低NOx排放。