众所周知，环境保护工作已成为21世纪全球关注的焦点，它不仅涉及到人与自然能否和睦相处，更关系到人类自身的生存与发展。电厂燃煤锅炉对环境污染主要是NOx、SO2和粉尘污染。大气中的NOx和SO2溶于水后会生成大量酸雨，酸雨不仅毁坏动、植物，导致庄稼颗粒无收，还将导致人类各种疾病的产生，直接危害人类的身体健康。高井发电厂地处首都北京，环保工作尤其重要。1999年至今，高井发电厂一直致力于低NOx燃烧器的调研、论证、设计及改造，1～4号炉已成功地安装了自行研制的低NOx燃烧器，并达到了低于550mg／Nm3的北京市排放标准。
1低NOx煤粉燃烧技术在锅炉燃烧过程中，主要通过两种形式生成NOx，即高温型NOx和燃料型NOx。高温型NOx是空气中的氮在高温下氧化产生的，炉膛温度高于1500℃时才生成大量的NOx。固态排渣煤粉炉炉膛温度一般低于1500℃，煤粉燃烧产生的NOx中高温型NOx所占份额不大，一般情况下，高温型NOx只占NOx总生成量的10～20，其余80～90为燃料型NOx，所以本文主要研究减少燃料型NOx的排放问题。燃料型NOx是燃料中含氮有机物在燃烧过程中热裂解产生的N、CN、HCN、NHi等中间产物基团氧化生成的。由于燃料中热裂解温度低于锅炉燃烧温度(600～800℃发生热裂解)，燃料型NOx的生成比分解空气中的N2分子并重新结合成NOx所需的温度低得多。热裂解出来的含氮基团紧接着会和O、O2、OH等反应生成燃料型的NOx。在缺氧条件下则会和NO反应生成N2，生成的N2只要温度不太高一般不会和氧反应生成NOx。因此燃料裂解出含氮基团后，火焰中是否有富余的氧是能否生成NOx的一个重要因素。实验得知，气体可燃物和空气的混合比在过量空气系数低于1.0时，燃料型NOx生成量降低；过量空气系数更小时，燃料型NOx生成量急剧减小；过量空气系数小于0.7时，燃料型NOx生成量接近0。综上所述，为了控制煤粉燃烧过程中NOx的生成量，根据NOx产生的机理，锅炉燃烧技术中一般采用如下原则降低NOx的生成量：(1)降低过量空气系数，降低氧浓度，使煤粉在缺氧的条件下燃烧。(2)降低燃烧温度，防止产生局部高温区域，减少高温型NOx的生成量。(3)缩短烟气在高温区的停留时间。(4)采用低NOx燃烧器。显然，上述多数原则都和煤粉炉降低飞灰可燃物含量、提高锅炉效率的原则相矛盾，因此，我们在锅炉设计和运行时，必须综合考虑煤粉炉的安全、经济性，力求采用最合理的方案。2低NOx燃烧器高井发电厂1～8号炉于1961～1974年投入运行。1～4号炉为220t／h，四角布置直流燃烧器，分上下两层，采用中间储仓式制粉系统。5～8号炉为410t／h，前墙布置蜗壳燃烧器，5号炉为单蜗壳(1998年由双蜗壳燃烧器改为荷兰制造低NOx单蜗壳燃烧器)，6～8号炉为双蜗壳，分上下两层，采用中间储仓式制粉系统。除4号炉配有1台磨煤机外，其余各炉均配2台磨煤机。乏气均作为三次风送入炉膛燃烧，1～4号炉三次风布置在燃烧器的最下面，5～8号炉三次风布置在后墙。在燃烧器改造之前，高井发电厂NOx排放量平均在850mg／Nm3左右，不仅大大高于北京市规定的550mg／Nm3的排放标准，而且也高于国家规定的650mg／Nm3的排放标准。图1为改造前1～4号炉NOx排放量现状。由图1可知，改造前高井发电厂NOx排放量已严重超标，因此降低NOx排放量，改善首都北京的大气质量已刻不容缓。由锅炉燃烧原理可知，各种降低NOx生成量的方法都和燃烧器有着密切的关系，由于燃烧器基本上决定了燃料与空气的混合工况，而且固态排渣煤粉炉大约60～80的NOx是在燃烧器的着火区内形成的，因此，有必要发展低NOx燃烧器。根据降低NOx生成量的基本原则，以及高井发电厂锅炉设备的实际情况，制定了设计低NOx燃烧器的原则，即在保证着火过程稳定的同时，在燃烧器的着火区域内采用a＜1的低过量空气系数，同时控制煤粉与二次风的混合，延迟并延长燃烧时间，适当降低燃烧强度、火焰温度及火焰中心高度，在保证降低NOx排放的同时，保证锅炉各受热面不超温、飞灰可燃物含量在适当的范围内。在此原则下，设计并完善了低NOx燃烧器(浓淡分离燃烧器)。其基本原理是，燃料在燃烧器的不同区域以不同的比例和空气混合，一部分燃料在空气过剩的条件下进行淡燃烧，另一部分燃料则在空气不足的条件下进行浓燃烧，淡燃烧由于燃烧温度降低，可使高温型NOx的生成量降低，浓燃烧则能有效地抑制燃料型NOx的生成，浓、淡燃烧二者同时进行，然后再混合完成整个燃烧过程。在不同的大、小修时期，分别在1～4号炉8个一次风喷口前加装了浓淡分离部件，将一次风分为含煤粉浓、淡两部分，浓侧在炉内右旋气流的向火侧，淡侧在背火侧一面形成风包煤粉的气流，以便形成浓相气流区域内的缺氧燃烧，产生大量的CO和碳氢化合物基团，在后来的燃烧中与NOx发生还原反应，将NOx中的氮还原为N2分子，成为无害气体，最终达到降低NOx排放的目的。图2为高井发电厂1～4号炉低NOx浓淡分离直流燃烧器喷嘴示意图。 高井发电厂燃用挥发份较高，且较易燃烧的烟煤。1～4号炉采用均等配风直流煤粉燃烧器，即在2个一次风口之间均等布置1个二次风口。为了保证煤粉的稳定着火燃烧，采用了热风送粉方式，乏气通过三次风喷口排入炉膛。燃烧器改造前，三次风喷口原设计在燃烧器的最下方，与下二次风口保持一定的距离，为了保证低NOx燃烧器的改造成功，适当降低炉膛出口烟温，优化煤粉气流的燃尽条件，尽可能降低飞灰可燃物含量。本次低NOx燃烧器改造将三次风喷口移至燃烧器的最上方，并与上二次风口保持一定的距离。这样既不会对主燃烧器煤粉气流的燃烧造成明显影响，又可起到压火作用，适当降低火焰中心高度，延长煤粉气流在炉内的燃烧时间。既保证了锅炉燃烧的安全性，又适当提高了锅炉的经济性。图3为高井发电厂1～4号炉低NOx浓淡分离直流燃烧器喷口布置示意图。3结论2000年2月及2000年10月，依据上述设计方案及施工要求，在3、4号炉小修和1、2号炉大修期间，分别对上述4台炉燃烧器进行了低NOx燃烧器改造，并和华北电力科学研究院有限责任公司一起进行了冷态空气动力场试验(检验其安装质量，并进行了及时调整)。大、小修后一个月，高井发电厂环保室又对上述4台炉进行了NOx排放量测试，结果为：最高513mg／Nm3，最低480mg／Nm3，平均497mg／Nm3，大大低于北京市规定的550mg／Nm3排放标准。改造前后1～4号炉NOx排放量对比见图4。通过改造，不仅大大降低了NOx的排放量，而且解决了4号炉高温过热器管壁因炉内火焰中心过高而超温的问题。尽管飞灰可燃物含量略有升高，但1～4号炉排烟温度与改造前相同工况比下降了约10℃，从而使锅炉效率反而有所升高。可见，1～4号炉低NOx燃烧器改造是成功的。目前高井发电厂正进行6、7、8号炉双蜗壳低NOx燃烧器的改造。
来源：中国电站集控运行技术网
