等离子低氮燃烧技术特点及其应用分析

摘 要：伴随着我国火力发电行业的快速发展，火电厂氮氧化物的排放量迅速增加。等离子低氮燃烧技术，是在煤粉锅炉等离子体点火及稳燃技术基础上发展起来的一种全新概念的低氮燃烧技术。该技术可以在不降低锅炉效率的前提下，大幅度降低锅炉NOx的排放。对等离子低氮燃烧的技术特点进行了概述，介绍了其在电厂中的应用情况，并对其降低SCR脱硝成本进行了分析。

关键词：等离子低氮燃烧技术；特点；应用分析

引言

《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）要求新建机组NOx排放低于100mg/Nm3。目前，NOx排放的技术措施按作用位置可分为两大类：第一类称为炉内脱硝，其特征是通过各种技术手段，控制燃烧过程来降低NOx的排放；第二类是尾部脱硝，又称为烟气净化技术，其特征是把尾部烟气中已经生成的NOx还原[1]。电站锅炉大多采用低氮燃烧技术+烟气脱硝方式降低NOx的排放，但低氮燃烧技术又存在不同，NOx排放浓度差别也很大。

1 等离子低氮燃烧技术的特点

等离子低氮燃烧技术，是在煤粉锅炉等离子体点火及稳燃技术基础上发展起来的一种全新概念的低氮燃烧技术。煤粉锅炉等离子体点火及稳燃技术利用温度很高的等离子体在燃烧器内直接点燃煤粉，可以节约大量的锅炉启动用油。采用该技术的等离子体煤粉燃烧器在实现煤粉内燃的同时，与现在主流的空气整体分级燃烧、燃料分级燃烧等低氮燃烧技术相结合，可以在不降低锅炉效率的前提下，大幅度降低氮氧化物的排放。

等离子低氮燃烧器降低NOx排放的主要原因在于可以使空气分级、燃料分级等措施“深度到位”，从而实现了与常规低氮燃烧技术相比，具有较高脱硝性能和较好的安全经济性[2]。其降低NOx排放的主要原理如下：

（1）深度分级送风与低氧燃烧过程。全炉空气送入量和送入方式，采用了多点、多区、多角度送风，且可控制不同区段有不同的掺混率。高度方向上，下自底部二次风口，上至顶部燃尽风采用多组多喷口小流量的设计原则。在水平方向相对独立的近壁区射流，实现了沿炉体高度逐步掺混，优于各类偏转二次风方式。全炉燃烧过程均采用了低于常规燃烧过程的氧量（视燃煤与炉型而定）。

（2）扩大了还原气氛区和还原燃烧区。在高度方向上以一次风粉为中心组织了双还原区。它弥补了二维分布煤质和NOx针对性相关不足（如难燃煤后期混合差飞灰可燃物高），总体上加大了还原量和抑制焦炭NOx产生。在主燃烧区由于变异风粉布置型式，使煤粉较快析出挥发份和着火，迅速进入浓相区实现了部分NOx分解还原，加大了火焰内还原NOx的比重。在两个主燃烧区上方布置的还原区对NOx仍继续进行还原，同时产生部分焦碳NOx。

等离子低氮燃烧器除了可以降低NOx排放外，还可以在一定程度上抑制炉膛结渣的发生。炉内三场特性参数随机性强，各向不均匀性在高度、水平方向上，尤其是“中心区”与“近壁区”存在很大差异。等离子低氮燃烧器通过一种空气与燃料射流组合，设法扩大两大区域三场特性的差异，形成了“中心区”有较高煤粉浓度、较高温度、适宜氧浓度、较高燃烧强度。在过程尺度上优化了燃烧不同阶段三场特性差异使火焰边部可控可调，保证近壁区三场特性利于防渣，水冷壁得到重点保护，炉膛不结渣、可实现长时间炉膛不吹灰。

2 等离子低氮燃烧技术应用分析

2.1 应用实例一

国内某20万机组（或者是DT20万机组）电厂在实际运行中发现锅炉出现了一系列的问题，主要有：煤种适应性差，炉内有局部结渣现象，温度场存在一定的偏差，再热受热面超温；主汽温度因炉内结渣粘污而升高，因炉膛吹灰而降低，变化幅度较大；锅炉两侧烟温存在最高达100℃以上的偏差；采用均等布置的燃烧方式，NOx排放量较高，为1120mg/Nm3；锅炉效率略高于设计值90.84%，为90.87%，但低于其平均运行水平91%。经过等离子低氮燃烧系统技改工程以后解决问题如下：解决了结渣沾污问题；再过热器受热面气温正常；实现了炉膛不吹灰；大幅度地削减了NOx排放量，NOx为300-340mg/Nm3，脱除率达到63.3%，CO为35ppm，飞灰含碳量3.3%；炉侧厂用电大幅度降低；锅炉效率为92.15%；煤种适应性明显增强；低负荷稳燃性能良好、接带负荷能力有所增强，低负荷可达50%以下。

2.2 应用实例二

国内某30万（或者是mw30万）机组在运行中存在较严重的结渣现象，不能完全烧设计用神华煤。NOx排放浓度最高达700mg/m3，飞灰含碳量达到7.0%，锅炉效率91.5%～93.2%。在进行等离子低氮燃烧系统技改工程后完全解决了炉膛内的结渣问题，可以100%燃用神华煤，NOx排放浓度128～181mg/m3，飞灰含碳量下降到2.63～2.99%，锅炉效率提高到93.24%～93.44%。

3 等离子低氮燃烧降低SCR脱硝成本

根据《火电厂氮氧化物防治技术政策》环发[2010]10号规定：“低氮燃烧技术应作为燃煤电厂氮氧化物控制的首选技术”。低氮燃烧技术投资成本低，无运行费用，而且可在锅炉中不添加任何脱硝还原剂，只通过调整燃烧方式即可从源头控制NOx的生成。1台600MW机组运行需要约500个立方SCR催化剂，目前其价格为1个立方约3万元，而且SCR用3年即需要更换，折算下来相当于每年投资约500万元；另外，SCR通过氨等还原剂还原烟气中已生成的氮氧化物，氨要通过尿素热解才能得到，因此需要增加额外的设备投资。一年两者的运行成本需要近1500万元。

经过等离子体低氮燃烧技术进行初步降氮后可以节省SCR初始投资和运行费用。经过等离子体低氮燃烧技术进行初步降氮后，NOx排量一般可达到300mg/m3以下，此时仅需50%的脱硝效果即可达到排放标准。以600MW燃煤机组为例，当要求脱硝效率为80%左右时，需要两层催化剂；而当脱硝率为50%以下时，一层催化剂即可满足要求，此时较80%脱硝率的情况可以减少15%左右的初始投资（催化剂占整个脱硝系统的投资比例按30～40%计）。

以600MW燃煤机组为例，即使等离子体低氮燃烧技术不能将NOx排量降到100mg/m3以下，如果从1000mg/m3降到300mg/m3可节省催化剂初装费1000万元，年运行费用1120万元，这同样有巨大的经济效益。

4 结束语

低氮燃烧技术与烟气脱硝技术相比具有工程造价和运行费用低等优点，是适合我国国情的氮氧化物排放控制技术。等离子体技术引入锅炉降氮领域，为降低电站锅炉氮氧化物排放提供了新的技术手段。等离子体低氮燃烧技术的成功应用表明低氮燃烧技术的发展达到了一个新的高度。

参考文献

[1]陈辉，黄启龙，戴维葆，等.国内300MW等级电站锅炉低氮燃烧器性能比较与评价[J].华东电力，2013.

[2]李强，张月光，张洪光.300MW燃煤电厂锅炉等离子低氮燃烧器改造[J].内蒙古石油化工，2014.

作者简介：苏靖程（1982-），男，动力工程师，从事电厂锅炉检修十年、目前主要从事煤炭清洁技术研发。