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1、低负荷空气分级+SCR技术在燃煤锅炉脱硝中的应用摘要：空气分级燃烧技术在电站低氮燃烧脱硝中起到了很好的效果。燃尽风量，燃尽风速，燃尽风两级布置对NOX的降低产生了重大影响。低负荷时，对省煤器、空气预热器等受热面进行布置改造，以及联立炉内空气分级技术从而提高锅炉出口烟温，满足SCR的反应温度，进而进一步降低NOX的排放。关键词：空气分级;低负荷；脱销；SCR 按照火电厂大气污染物最新的排放标准，NOx的排放限值为30mg/m31（重点地区执行20mg/m3）。所以降低燃煤锅炉的NOX排放是燃煤电厂当前最重要的任务之一。空气分级+SCR燃煤脱销技术在电厂中得到了广泛的应用2-4。在炉内脱销中燃尽风
2、率5,燃尽风速6,燃尽风两级布置7,对降低NOX的产生起到了重大作用。电站低负荷运行时，对省煤器、空气预热器等受热面进行布置改造8-10进而提高锅炉出口烟温，满足SCR的反应温度，提高脱销效率，进一步降低NOX的排放。如何联立炉内空气分级和炉外SCR脱销已经成为目前电站研究的课题。由于大部分电站不能额定负荷运行，所以在低负荷运行时，如何调整炉内空气分级和炉外受热面的布置，降低NOX的排放，成为燃煤电站攻坚的问题。1 空气分级对NOx排放的影响1.1 主燃区过量空气系数对NOx排放的影响 主燃区过量空气系数过高，会使炉内有足够的氧气进行燃烧，煤粉会得到充分的燃烧，进而燃料型NOX生成较多，提高了
3、NOX的生成量。另外，主燃区足够的氧气参与燃烧会使主燃区的温度升高，一定程度上增加了热力型NOX的产生。主燃区过量空气系数过低，会使炉膛内煤粉燃烧不充分，致使炉膛出口烟气中未燃尽碳的含量过高。炉内燃烧不充分，会生成大量的CO形成还原性气氛，NOX在还原性气氛下会被还原，从而降低了NOX的排放。但是，锅炉的高温腐蚀和还原性气氛的存在有着密切的关系，CO浓度大的地方腐蚀就大。原因是未燃尽碳的存在使水冷壁附近的烟气处于还原性气氛，导致了灰熔点温度的下降和灰沉积物过程的加快，从而导致了受热面管子的腐蚀。随着主燃区过量空气系数的降低，使烟气在还原区的温度和速度下降11,致使煤粉在还原区滞留的时间增加，促
4、进了NOX还原，降低了NOX的排放。主燃区过量空气系数的降低会使NOX排放和颗粒碳燃尽率降低，使CO的排放量增加。然而，如果主燃区过量空气系数小于0.9，那么它从NOX排放减少得到的益处，将被对锅炉整体燃烧效率产生的害处所抵消掉12。所以，进行空气分级配风要结合锅炉整体的燃烧效率进行分配。1.2 主燃区分级风喷嘴布置对NOx排放的影响 NOX的排放随着燃尽风喷嘴和燃烧器距离的增加而降低11，但如果距离超过了给定的值，CO的产生量会急剧的增加。主燃区分级风喷嘴的布置对NOX的排放影响较小，是因为空气分级效率是关于主燃区过量空气系数的一个函数，只跟主燃区过量空气系数有关12,但它在主燃区过量空气系
5、数小于1时，对整体的燃烧效率产生较大影响。1.3 燃尽风率对NOx排放的影响燃尽风率影响着主燃区的温度和氧浓度。燃尽风率越大，主燃区的温度和氧浓度越低，使主燃区热力型和燃料型NOx的生成减少，氧浓度越低，形成的还原性气氛越大，对NOX的还原越强烈。但过高的燃尽风对燃烧会产生一定的负面影响。当燃尽风率从025时，炉膛出口的烟气温度和氧浓度都有增加，NOX的浓度下降，与此同时，炉膛出口飞灰中未燃尽碳的成分也有所增加。燃尽风在1520之间，CO浓度变化比较平缓，NOX浓度降低的幅度较大，炉膛出口烟温较低5。而在2025之间，NOX浓度降幅较小，飞灰中未燃尽碳的含量增幅较大13,CO浓度和烟温增幅比较
6、明显。因此燃尽风率在1520变化时，能保证较高的NOX排放效果，同时产生的负面影响也较小。考虑到燃尽风速对燃尽风和未燃尽煤粉的影响，燃尽风率在20混合较好，负面影响较小。因此燃尽风率取20是最优的选择。1.4 燃尽风速对NOx排放的影响随着燃尽风速的增加，燃尽风的穿透能力加强，更容易穿透到炉膛中心，从而使得烟气与煤粉的混合加剧，从而增加了炉膛中心的高温区域的面积，并且相对集中，利于煤粉充分燃烧，会增加燃料型和热力型NOX的生成。随着燃尽风速的继续增大（大约60m/s)，会使锅炉烟气出口温度降低，炉内中心温度上移，减少了煤粉在炉内的停留时间，从而使NOX还原的时间减少，造成NOX的排放增加。所以
7、，燃尽风速过大会增加NOX的排放量。1.5 两级燃尽风装置对NOx排放的影响 单级燃尽风装置无法适应锅炉负荷和煤质的变动，从而导致煤粉燃尽度低，飞灰含碳量高和减温水量大的问题，进而提出两级燃尽风装置方式7。锅炉高负荷运行时，对于单级燃尽风布置方式，燃尽风与烟气和未燃尽焦炭的接触面积小，不能充分发生反应，燃尽率得不到保证。采用燃尽风两级布置通过调节上下两级燃尽风的风量，一方面既能调节风速，提高燃尽风的穿透性，调整炉内烟气和煤粉的混合特性，调整炉膛中心高温区域的面积和火焰中心位置，从而控制NOX的生成。另一方面可以使烟气和未燃尽碳混合接触，保证了燃尽率。锅炉低负荷运行时，由于燃尽风风量的减少，单级
8、燃尽风布置已经无法适应燃尽风风速低，穿透性及混合变差，进而导致煤粉的不完全燃烧和和飞灰含碳量过高。在低负荷时，采用两级燃尽风布置，通过调节上下两次风风量，保证了燃尽风速，强化了燃尽风与炉内高温烟气和未燃尽碳的湍流混合，从而保证了燃尽率。2 SCR在机组低负荷条件运行时的研究与对策2.1 机组在低负荷运行对脱销系统的影响当锅炉负荷降至5060时，排烟温度低于催化剂的运行温度（320420），降低了催化剂的活性，对脱销系统主要带来了两个方面的影响： （1） 烟气温度低于催化剂的反应温度时，NH3与SO3和H2O发生化学反应生成（NH4)2SO4或NH4HSO4，减少了与NOX的反应机率；气态或颗粒
9、状的NH4HSO4会随烟气流经预热器，不会对预热器产生影响。但液态NH4HSO4捕捉飞灰能力极强，会与烟气中的飞灰粒子相结合，造成预热器的腐蚀、堵灰，附着在催化剂表面，易堵塞催化剂的通道和微孔，降低催化剂的活性和脱硝效率。 （2）SCR脱硝装置进口的设置烟温，一般情况下都是在高负荷时满足较低的排烟温度进行设计的，这将导致机组在低负荷运行时SCR系统入口烟温低于最低运行温度而不能启动的问题。同时，在低负荷时将致使脱硝装置解列运行。这显然不能满足新的火电厂NOX的排放要求。2.2 提高SCR入口烟温的应对策略2.2.1 省煤器分组布置方式省煤器分组布置方式是将省煤器分两级布置，将部分省煤器移植到脱
10、硝装置出口，减少工质吸热面积，以提高脱硝装置入口的烟气温度，保证脱硝装置在全负荷下均可运行，同时适当降低预热器入口烟气温度，提高机组的经济性。一级省煤器布置在SCR装置脱硝出口和预热器之间，二级省煤器与原布置流程相同。通过调整二级省煤器的受热面积，来调节入口烟温，以此满足SCR的反应温度。该装置的优点是锅炉在不投油稳燃负荷到BMCR工况下安全运行，不影响锅炉运行的效率，在保证磨煤机干燥出力要求的前提下，能够进一步降低预热器入口烟温，提高锅炉效率。缺点是省煤器系统阻力有所提高，烟气侧阻力有所增加，在高负荷运行时，不具备烟温调节功能，存在烟气超温的风险，进而导致催化剂烧结失去活性，影响脱销效率9。
11、2.2.2 省煤器给水旁路布置省煤器给水旁路的布置方式主要是通过旁路给水减少省煤器管束的吸热量，以此来提高省煤器出口烟温。优点是系统布置简单，增加旁路及调节阀即可，适合于单烟道布置的机组。缺点是省煤器出口工质升温较多，容易出现省煤器沸腾现象，混合不均匀对水动力容易产生影响。由于给水的换热系数为烟气换热系数的1/83，远小于烟气的换热系数，所以通过给水旁路来提高SCR反应的烟气温度效果不明显。由于给水旁路的存在，导致给水换热效果降低，增加了排烟损失，降低了锅炉热效率。2.2.3 省煤器烟气旁路布置方式增加烟气侧旁路技术主要是从低温过热器出口与省煤器入口抽取高温烟气，减少经过省煤器用于给水加热的烟
12、气，通过旁路与省煤器出口烟气混合，提高进入SCR反应区烟气的温度。该布置的优点是系统布置简单，烟温调节灵活，不影响高负荷锅炉效率，能有效防止低负荷时省煤器出口水温过高，出现沸腾现象。缺点是由于烟气不能给给水加热，必然会降低锅炉热效率（0.51），增加煤耗。易造成堵灰，影响系统稳定性。混合后进入SCR反应区的烟气会扰乱烟气流场，干扰脱硝系统的运行。高负荷时烟气容易超温，造成催化剂烧结。2.2.4 提高给水温度提高省煤器入口前的给水温度可以减少给水在省煤器中的吸热量，从而减少烟气在省煤器处的热量损失，最终达到提高SCR反应器中烟气温度的目的。提高给水的主要措施有炉水给水混合提温，增加低压旁路省煤器
13、，增加旁路高加三种措施。炉水给水混合提温就是从锅炉下联箱抽取部分高温水与给水泵给水混合，以提高进入省煤器前的给水温度14。该方案已有运行经验，运行效果好。增加低压旁路省煤器技术就是在空预器后电除尘前增加一低压省煤器，利用烟气余热加热给水，提高省煤器的给水温度，减少烟气换热量，进而提高省煤器出口烟气温度。这种方法不但提高进入SCR的烟气温度还能通过烟气余热提高机组的热效率，同时由于降低了进入除尘器前烟气温度，增加了除尘器的除尘效果。旁路高加技术是利用高压缸抽气加热给水，此方法不但能够提高进入SCR反应器的烟气温度，还能进一步提高机组热效率（约1），减少煤耗。提高给水温度的方法投资成本高，温度提升
14、一般，但能够提升机组的热效率，机组安全可靠性好。2.2.5 高温烟气旁路与SCR省煤器联合运行高温烟气旁路就是在低温过热器前段抽出部分高温烟气通过烟气旁路与经过省煤器入口的低温烟气进行混合，以提高进入SCR脱硝系统的反应温度。高温烟气旁路增设混合器和旁路烟道，抽烟口安装可调开度的阀门，从而控制输入混合器的高温烟气流量，进而得到合适的烟温15。通过在SCR脱硝出口与空预器之间增设二级省煤器，可以充分利用烟气中的热量，提高给水温度，进一步提高省煤器出口烟温。无论在最低烟温工况还是在最高烟温工况下，高温烟气旁路与SCR省煤器联合运行时，SCR的入口烟温和省煤器的出口水温均得到提高，基本完全实现了全运
15、行工况下SCR入口烟温在340以上的催化剂高效运行要求，全年平均排烟温度得到下降，发电煤耗有所降低16。3 低负荷时空气分级联合SCR脱硝的分析 随着锅炉负荷的降低，炉内燃料量减少，致使炉膛出口烟温降低，烟气经过过热器，再热器，省煤器等受热面换热后，烟气温度进一步下降，从而使进入SCR脱硝装置的入口烟温不能满足反应温度，影响SCR的脱硝效率。采用空气分级燃烧技术，降低主燃区的过量空气系数（0.80.9）左右，从而减少主燃区燃烧份额，降低主燃区温度（100200）左右，抑制了燃料型NOX的生成。随着炉膛上部燃尽风（1520）的喷入，煤粉得以继续燃烧，降低了烟气中未燃尽的碳含量，并且使得屏低烟温相
16、对未分级时提高80左右17。炉膛出口烟温的提高会提高进入SCR脱硝入口烟气的温度，所以，在低负荷时空气分级对SCR脱硝有一定的改善。锅炉低负荷时，锅炉可能会出现突然熄火的现象。这时要合理的调整炉内的空气分级，在保证炉内稳燃的情况下，最大限度的降低NOX的排放，合理的提高炉膛出口烟温。另外，低负荷时，根据燃烧的煤种，合理的调整卫燃带的面积对炉内稳燃可以起到促进作用，并且一定程度上提高了炉膛的出口烟温18。通过燃烧器摆角来调节炉膛出口烟温。一般燃烧器摆动可达（20o30o)，炉膛出口烟温变化约110140，调温幅度可达4060。选择合适的吹灰策略在有利于提高过热器温升，再热器温升的同时也能提高进入SCR脱硝入口的温度。总之，锅炉
