根據聊城600MW"W"火焰鍋爐的NOx特性及測試結果，分析認為爐膛熱負荷偏高，衛燃帶結焦形成大量高溫區，局部火焰溫度高等是造成NOx偏高的主要原因，其NOx的生成以熱力型為主，衛燃帶布置數量和方式欠妥是生成熱力型NOx的主要因素。采取改進衛燃帶布置面積及方式等措施后， NOx排放量由改進前的1500mg/Nm3以上下降到了1000mg/Nm3左右，同時解決了爐膛結焦問題，取得了較好的綜合效果。圖5，表2、參3。

關鍵詞：W火焰鍋爐　NOx特性　成因分析　改進措施

     0　前言
     聊城電廠600MW鍋爐為英國Mitsui  Babcock（簡稱"MBEL"）設計生產，目前是"MBEL"設計單機容量最大的"W"型火焰鍋爐。鍋爐運行實績表明，該型鍋爐具有熱效率高、適合燃用低揮發份煤種等特點，具有一定的優越性。但也不同程度地存在著NOx排放偏高、燃用灰熔點偏低的煤種時爐膛結焦嚴重等問題。尤其是NOx排放指標達不到性能試驗的驗收保證值（1100mg/Nm3），明顯高于具有降低NOx措施的常規燃燒方式鍋爐。如何降低該種燃燒方式鍋爐的NOx排放量，是機組性能試驗驗收前需要解決的問題。
     1　燃燒系統設計特點
　　鍋爐設計煤種為無煙煤+貧瘦煤，設計混合煤質如表1所示。鍋爐的燃燒系統由磨煤機及分離裝置、燃燒器、煙風系統及輔機、爐膛及燃燒室等組成。其爐膛在中部爐拱處分為上、下兩部分，作為燃燒室的下爐膛呈八角形，以燃盡為主的上爐膛為長方形。狹縫式噴燃器分組布置在前后爐拱上，三次風在下爐膛前后墻的下腹部引入（如圖1所示），利用分級燃燒原理降低NOx的生成。爐膛前后爐拱處布置了直流下射狹縫式噴燃器，每組燃燒器由4只煤粉噴口、4只乏氣噴口、8條狹縫式二次風噴口等組成。二次風噴口設在主煤粉噴口和乏氣噴口的兩側，每組燃燒器設有二支油槍。在爐膛后墻的爐底處設置了爐底注入熱風，用以負荷改變時調整汽溫。下爐膛四周敷設大量衛燃帶。制粉系統為直吹式，由雙進雙出滾筒式磨煤機、拱部旋風子、狹縫式燃燒器等組成。每臺磨煤機兩端分離器出口各連接一根主煤粉管道，主煤粉管道后分為兩根支煤粉管道，每根分支煤粉管道連接1個旋風子，并通過旋風子連接的主煤粉和乏氣噴口射入下爐膛燃燒。

注：表中ST為軟化溫度℃，HGI為哈氏可磨度。

     2　測試方法及結果
　　煙氣中的NOx 測量采用進口煙氣成分分析儀, 試驗儀器經過標準氣體標定，儀器前帶有過濾及干燥器件,可以分別測量NO、NO2、NOx、O2、CO、CO2等煙氣成分。測量NOx 時可分別顯示單位體積的質量濃度（mg/Nm3）或顯示百分比濃度（PPm），試驗結果換算到O2=6%。為取樣方便，煙氣取樣采用安裝在預熱器出口的笛形管取樣裝置（測試結果與電除塵器出口測量結果基本一致）。試驗是在滿負荷運行工況下，分別控制和測量省煤器、預熱器出口氧量，進行煙氣成分分析。

圖2　聊城＃1爐改造前Nox特性　　　　　   圖3　聊城＃1爐改進后Nox特性

　　聊城#1爐在滿負荷，爐底熱風投入工況下，改進前測試的NOx 平均值為1500mg/Nm3以上，其NOx 值遠遠超過常規煤粉爐的650 mg/Nm3排放標準。改進后測試的NOx 平均值為1000mg/Nm3左右。雖然理論上改變二、三次風的比例可以改變NOx，但在調試中發現，三次風擋板開度在10%～30%的范圍內變化時，NOx變化較小，難以實現大幅度降低NOx排放量，但氧量變化對NOx影響較大。圖2為改進前測試結果，圖3為改進后測試結果。
     3　NOx的生成機理與控制措施
     3.1　NOx的生成機理
　　較多的研究認為：發生于燃料燃燒過程的NOx來源于以下3個方面[1]：
　　⑴熱力型NOx即燃燒用空氣中的N2在高溫下氧化而生成的氮氧化物，熱力NOx的生成量與火焰溫度、氧濃度和高溫區停留時間有關，不受燃料組成的影響。燃燒溫度越高，生成NOx越多。實際燃燒中，爐內溫度分布并不均勻，即使火焰的平均溫度不高，但局部高溫處仍然產生大量NOx，并起著決定性作用。理論上在α＜1的區域內氧濃度越高，則生成的熱力NOx越多。當α＞1時（如圖4），氧濃度增高，爐膛溫度下降，在燃燒產物及過剩空氣量稀釋的雙重作用下，反而使熱力NOx降低。

圖4　擴散燃燒中NOX的生成

　　⑵燃料型NOx的生成機理復雜，與燃料的組成特性有關。燃料型NOx的生成，與過剩空氣系數成單值遞增函數關系（如圖4中的燃料型曲線）。過剩空氣系數大，剩余氧量多，NOx的生成就越多。燃料型NOx的生成，大致包括由揮發份中均相生成的NOx和殘碳中異相生成的NOx兩部分組成（見圖5）。隨揮發份一起從燃料中析出的有機化合物（包括熱分解產生的HCN、NH3、CN等），稱之為揮發N，仍殘留在焦碳中的氮化合物稱之為焦碳N。在通常的燃燒溫度下，燃料型NOx主要來自揮發N(占60%～80%)，由焦碳氮N所生成的NOx(占20%～40%)[2]。揮發份高的煤種，其揮發N較高，反之，焦碳N較高。燃料中氮的含量增加時，生成的燃料型NOx量增加，但NOx的轉化率減小。煤的燃料比FC/V（固定碳/揮發份）越高，NOx的轉化率越低。在氧化性氣氛中生成的NOx當遇到還原性氣氛（富燃料燃燒或貧氧狀態）時，會還原成氮分子N2，即NOx被還原。影響燃料型NOx生成濃度和轉化率的主要因素是燃煤特性FC/V、過剩空氣系數等。燃料型NOx受爐膛溫度的影響較小，但受氧量的影響較大。過剩空氣量大，一般產生的燃料型NOx多。

　　⑶快速NOx即碳化氫系列燃料在燃燒時分解，其分解的中間產物N2生成氮氧化物，其生成機理復雜，在CH較多，氧濃度較低時發生，一般認為燃煤爐中的快速NOx較小。
     3.2　控制 NOx的常用措施
　　理論上空氣燃料混合越均勻，擴散燃燒越好，其NOx 生成量的峰值在過剩空氣系數α接近1時產生,否則NOx 生成量的峰值會推遲。由于實際鍋爐燃燒時，燃料和空氣的混合并不均勻，其生成特性和理論情況有差異。在供給理論空氣量時（α=1），NOx 一般達不到峰值。NOx 的峰值將發生α＞1的區域里，如果混合情況更差，峰值將移向更大的α值轉移（圖4），也就是說其峰值產生點取決于燃料與空氣混合的均勻程度。因而提高風煤混合的均勻性，相對減少了過剩空氣量，亦是減少NOx 的技術措施之一。
　　較多的研究還表明，采用分級燃燒可以降低NOx的生成量。使第一燃燒區內過剩空氣系數α＜1，使燃料在貧氧的富燃料條件下燃燒，不但能夠延遲燃燒過程，降低燃燒區內的燃燒速度和溫度水平，而且在還原性氣氛中能夠降低生成NOx的反應率，抑制NOx在這一區域中的生成量。完全燃燒所需的空氣量在后期（第二燃燒區）送入，然后在α＞1的條件下完成全部燃燒過程，即通常所說的分級配風燃燒方式也是常用措施。
     4　聊城鍋爐 NOx偏高的成因與治理方案
     4.1　NOx偏高的成因分析
　　對多數常規燃燒方式的燃煤固態排渣鍋爐而言，煤粉火焰溫度相對于"W"火焰鍋爐要低，其熱力型NOx的生成量較少。但由于該爐膛結構上的原因，具備熱力型NOx大量生成的條件（富氧燃燒，結渣的衛燃帶溫度超過1800K）。如：下爐膛熱負荷較常規爐型大（是同類型常規燃燒方式鍋爐的1.6～2.0倍），爐膛溫度水平高，局部高溫區域多，衛燃帶部位容易結渣掛焦，渣層表面幾乎處于準絕熱狀態；每組燃燒器的燃燒火焰集中，火焰溫度高，燃燒所需的氧量大，燃料在高溫區的停留時間長等，均會使熱力型NOx生成量增多。
　　鍋爐NOx的特性，主要與熱力型NOx和燃料型NOx生成因素有關，并取決于熱力與燃料型中誰占主導地位。該"W"火焰鍋爐布置有大量衛燃帶，結渣的衛燃帶區域，會產生大量局部高溫區域，對總的NOx生成將起決定性作用。
　　該鍋爐下爐膛腹部處布置有一級三次風，作為分級燃燒配風，設計滿負荷下的三次風率、爐底注入熱風率均為7.3%,一次燃燒區的過剩空氣系數α=1.084,雖然尚達不到理想狀態α＜1的配風要求。但實際上由于該爐汽溫偏低，運行中需投入爐底熱風以提高汽溫，爐底熱風一般占到入爐總風量的10%～15%。按此估算，對應的一次燃燒區的過剩空氣系數α=1.05～0.98,相當于增加了一級三次風，從而提高了分級燃燒效果，抑止了燃料型NOx的生成。另外，由于該爐實際入爐燃料山西陽泉煤的FC/V較高，其燃料型NOx生成量相對較小，使得燃料型NOx在總的NOx中只占次要成分。
不同的燃燒條件及燃料所生成NOx并不盡相同，應根據具體情況分析。一般來說，其揮發份越高，生成的揮發N越多，燃料型NOx的生成就越高。分級配風越合理，則燃料型NOx的生成就越低。如菏澤300MW"W"火焰鍋爐實測的NOx隨O2的增加而增加，其NOx隨預熱器出口氧量的變化關系[3]為：NOx=998.76×e0.0644×O2，與本鍋爐測試的NOx 與O2的變化趨勢相反。菏澤實際的入爐燃料的揮發份較高，其FC/V較低，加上由于汽溫偏高，運行中爐底熱風關閉，造成分級燃燒不夠，從而使菏澤鍋爐的NOx 生成中以燃料型NOx為主導的可能性大。而聊城鍋爐NOx隨02的增加而減小，其特性說明該鍋爐熱力型NOx占主導地位的可能性較大。
     4.2　治理方案探討
　　綜上所述，不同的燃燒條件及運行參數，不同的燃料下所生成NOx的原因不盡相同，需要根據鍋爐的具體情況進行分析，因而減少NOx生成的技術措施亦不盡相同。基于上述分析，聊城600MW"W"火焰鍋爐熱力型NOx排放可能占主導地位，NOx排放偏高的主要原因是衛燃帶布置位置欠佳，布置數量數量過多，導致爐膛局部高溫區域增加，對總的NOx生成起著決定性作用。因此，降低NOx排放應從衛燃帶布置數量及方式上著手，采取減少衛燃帶數量及改變其布置方式應為首選方案。  
     4.3　降低NOx排放改進措施及效果
　　聊城鍋爐沿前后墻全膛寬度從燃燒器向下布置了高度為11.694m的耐火磚結構的衛燃帶，四角處沿整個水冷壁高度上布滿衛燃帶，共616 m2，占下爐膛輻射受熱面積的25%。運行中主要存在的問題有兩個，一是NOx排放偏高，超過驗收值，二是摻燒灰熔點稍低的煤種時，結焦嚴重。為了解決聊城鍋爐的結焦及NOx 偏高等問題，將聊城鍋爐衛燃帶由原設計的616 m2減少到346 m2，角偶處的四面水冷壁上的衛燃帶打掉270 m2，僅保留上部約2.5m的高度。改進后，占下爐膛輻射受熱面積的14%。采取上述措施后NOx下降到了1000 mg/Nm3左右，同時解決了下爐膛嚴重結焦問題，取得了良好的綜合效果。
　　一般情況下，爐膛結焦、Nox排放、燃料燃盡之間存在相互矛盾問題，減少衛燃帶數量，爐膛溫度水平會降低，進而會影響燃料的燃盡度。但由于該鍋爐的一次燃燒區高，加上燃燒優化及設備改進效果好，煤粉的燃盡度并未因衛燃帶的減少而降低，飛灰含炭量仍保持在5%左右（滿負荷運行）。
     5　結論
　　該型鍋爐的NOx中以熱力型NOx生成占主導。衛燃帶布置位置欠佳，布置數量過多，結焦導致爐膛局部高溫區域增加，對總的NOx生成起著決定性作用。其中衛燃帶布置數量及方式是影響NOx排放的主要因素。對聊城#1爐采取改進衛燃帶布置方式，減少衛燃帶數量等措施后，NOx 排放值由原來的1500 mg/Nm3以上，降低到了目前的1000 mg/Nm3左右，同時也解決了爐膛的嚴重結焦問題，取得了良好的改造效果。