低NOX燃烧对锅炉经济运行的影响

常福杰

摘要目前燃煤锅炉的运行面临降低运行成本与降低污染物排放的双重要求，高效低污染燃烧优化技术日益引起人们的关注。对切圆燃烧锅炉进行低NOX燃烧技术改造后，锅炉主、再热汽温偏低主要是由锅炉热量分配向水冷壁区前移引起；而前移原因是由于新增SOFA风加大了燃尽区氧量，导致燃烧速率随氧量增加而大幅度提高，同时，SOFA风分流作用也使主燃烧区由燃烧速率随氧量平缓变化区间转入快速变化区间；低NOX燃烧技术改造后导致汽温、汽压和汽包水位等参数出现大幅波动，这些都对锅炉的经济运行产生了一定影响。

关键词：NOX切圆燃烧锅炉；汽温；经济运行

1.NOX来源及控制方法

氮氧化物（NOX）是大气污染物之一，主要成分包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）和氧化二氮（N2O）等。它对人体健康有直接危害，在日光下可与空气中的光化学氧化剂和颗粒物等发生一系列连锁反应后形成光化学烟雾，它会引起酸雨，使土壤酸化，它还可使纺织物染料褪色，其中N2O还是一种温室气体，所以NOX的危害性很大。

煤在燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO（90％～95％），NO2是由NO被02在低温下氧化而生成的。根据NOX的生成方式可分为热力型、快速型和燃料型NOX三种。火力发电锅炉用煤燃料约为90%，燃烧温度又<1800K，可认为燃煤锅炉NOX排放量的约90%是由煤中含1%左右的有机氮氧化物生成，即来源于燃料型NOX。

为减少NOX排放，很多在役燃煤机组进行低NOX燃烧技术改造。所采取的措施原则为：（1）降低过量空气系数和氧气浓度，使煤粉在缺氧条件下燃烧；（2）降低燃烧温度，防止产生局部高温区；（3）缩短烟气在高温区的停留时间等。降低NOX燃烧技术主要包括如下方法（1）低过量空气燃烧（2）分级燃烧（3）烟气再循环（4）锅炉燃烧的调整改变

2.低NOX燃烧技术改造对锅炉热量分配影响分析

低NOX燃烧技术改造后，在一定程度上抑制的NOX生成的同时也对锅炉热量的分配产生了一定的影响。水冷壁换热面结渣减少所导致的换热量增加，会引起锅炉热量分配前移。如某改造锅炉在延长水冷壁区域吹灰间隔时间后，稳态时再热汽温虽有所上升，但仍需同时大幅增加燃烧器上摆角度，才能提高至接近正常水平；变工况时，即使燃烧器摆角快速大幅动作，再热汽温仍会大幅下降，故水冷壁换热面结渣减少不应是造成锅炉热量分配前移的主要原因。SOFA风压住火焰，不使其上飘，可能会加大炉膛水冷壁区换热。但改造后锅炉的调整试验发现，在部分工况下开大SOFA风门，主、再热汽温反而提高，表明实际热量分配后移，SOFA风下压作用加大并未使换热量进一步向炉膛水冷壁区集中，故SOFA风对火焰的下压作用不应是造成锅炉热量分配向水冷壁区前移的主因。

影响炉膛水冷壁区域换热量的主要因素有辐射换热系数、煤粉燃烧速率和烟气停留时间。低NOX燃烧技术改造后，除换热面结渣减少外，无其他明显影响辐射换热系数的因素。烟气在水冷壁区域停留时间越长，换热量越多。燃烧速率反映了煤粉完全燃烧释放热量的快慢程度。燃烧速率越快，则热量释放越向锅炉前部集中，水冷壁区域热负荷越高，换热量越大。

煤粉燃烧速率主要受氧浓度和温度影响。相关煤粉燃烧特性的热重实验结果显示[1]，氧浓度对无烟煤，高、低灰分烟煤的煤粉燃烧速率影响呈现相同规律：氧体积浓度（下同）在2％～3％和6％～14％2个区间，煤粉燃烧速率随氧浓度变化曲线斜率很大，氧浓度对燃烧速率有很大影响；在3％～6％区间和14％～2l％区间，燃烧速率受氧浓度变化影响很小，变化平缓。试验结果还显示：温度对煤粉燃烧速率的影响在氧浓度<3％时较小，此时煤粉燃烧过程主要受扩散因素影响；当氧浓度>3％时，燃烧温度对燃烧速率的影响显著加大，燃烧温度由800℃提高至1400℃，无烟煤、高、低灰分炯煤的燃烧时间都至少缩短一半，并且氧量越高，燃烧时间降低比例越大。

低NOX燃烧技术改造后，对于主燃烧区，SOFA风分流作用使进风量、氧量减少，炉温降低，燃烧速率降低；对于燃尽区，新增SOFA风的送人使氧量增加，燃烧速率提高。同时相关实验显示燃尽温度会随着氧浓度的降低而升高，且氧浓度越低，燃尽温度升高幅度越大[2]，故主燃烧区氧量的减少可能推高燃尽区温度，同样会加快燃尽区燃烧速率。燃尽区氧量因S0FA风送入而显著增加后，温度升高对燃烧速率的影响更为明显。SOFA风分流作用使主燃烧区、还原区烟气通流量减少，在水冷壁区停留时间延长，水冷壁吸热量增加。故改造后能够引起锅炉热量分配前移的因素只有燃尽区燃烧速率提高和主燃烧区、还原区烟气停留时间延长。

3.低NOX燃烧技术改造后锅炉热量分配改变对运行参数的影响

根据上述分析，低NOX燃烧技术改造后，锅炉热量分配前移是造成主、再热汽温偏低的主因。在常规汽温调节手段中，采用燃烧器摆角调节改变锅炉热量分配。燃烧器摆角对再热汽温的调节，主要是通过燃烧器上下摆动抬高或降低火焰中心，影响锅炉热量分配。但当锅炉热量分配比例严重失调时，即使燃烧器大幅摆动也很难将热量分配恢复到合理范围；另外燃烧器快速摆动也对运行参数稳定不利。对蒸汽生成量的影响，可能会引起主蒸汽压力的大幅波动；燃烧器快速上摆引起的火焰中心上移易造成屏式过热器金属壁温超限。很明显，燃烧器快速下摆会加大旋流指数，加大了两侧的汽温偏差。

此外改造后燃烧速率随氧量变化斜率加大，将导致变工况氧量波动时锅炉热量分配动态改变，汽温、汽压和汽包水位等参数随之出现较大波动。即使燃烧器摆角快速动作，也很难及时校正这种由氧量波动引起的锅炉热量分配动态变化。

若水冷壁区域热量分配比例突然加大引起蒸汽生成量快速增加，使主蒸汽压力上升，锅炉压力调节器将会通过减煤控制压力上涨。这种主蒸汽压力上升并非由于入炉煤量超出需求，因此压力调节器减煤将会使煤量小于实际需求，造成热量供给不足。过热器、再热器已经由于热量分配前移减少了吸热量，总放热量的减少将进一步加剧热量分配的不足，使主、再热汽温下降。若通过汽轮机压力拉回动作控制热量分配前移引起的压力升高，汽轮机快开多发功率释放能量，会使原本与需求平衡的热量供给形成一个缺口，导致随后压力下降，需要通过锅炉压力调节器加煤补充热量供给或汽轮机压力拉回减小发电量的方式弥补该缺口。若改造后锅炉热量分配向水冷壁区前移过多，为抑制蒸汽生成量大幅增加导致的主蒸汽压力上升，压力调节器必然要减煤以减少水冷壁区域换热量，迫使锅炉降低负荷运行。

因此低NOX燃烧技术改造后，必须要通过燃烧调整限制煤粉燃烧速率的变化，将锅炉热量分配控制在合理范围内。

4.结论

对切圆燃烧锅炉低NOX燃烧技术改造以及燃烧方式调整后，分析锅炉热量分配变化的规律及原因，总结低NOX燃烧改造对锅炉热量分配的影响和锅炉经济运行产生的意义。说明NOX的实际排放也受其他一些参数的限制，需要综合考虑到对锅炉经济运行的影响。因此，不同种类的锅炉采用低NOX燃烧必须以锅炉安全燃烧为前提，对锅炉燃烧参数进行针对性的调整。

参考文献：

[1]王琦．氧浓度及温度变化影响煤粉燃烧特性的恒温热分析研究[D]．杭州：浙江大学，2008

[2]王长安，刘银河，车得福．低氧浓度下煤燃烧特性的热重实验研究[J]．工程热物理学报，2010，31（10）：1785—1788．