0引言

我国现有工业锅炉约50万台，其中燃煤工业锅炉量大面广，约占70%以上，煤炭消耗量占煤炭消耗总量的15~20%。相比于国外燃煤工业锅炉，目前我国燃煤工业锅炉存在着：系统节能技术不健全、自动控制技术不成熟、余能利用形式单一且未能实现深度利用、缺乏燃煤在线提质技术、炉内污染物控制脱除技术不完善等问题，严重限制了我国燃煤工业锅炉节能减排总体水平的提升。

随着环保压力的日益加剧，北方地区燃煤采暖锅炉高效低污染排放改造成为国家环保减霾的重要一环。同时，在燃气及生物质燃料供应不足，已实现大吨位燃煤锅炉集中供热的地区，燃煤锅炉进行高效低污染排放改造具有极大的现实意义。

为此，笔者所在单位与西安交通大学、西安交大思源科技股份有限公司等单位合作，进行了积极探索和实践，并取得了一些成果，特别是集成自动化燃烧及污染物减排一体化控制技术、燃煤在线提质技术、飞灰回送技术、空气(烟气)分级燃烧技术、烟气再循环技术、烟气深度冷却等技术的综合应用方面获得了一些成果（技术系统见图1）。本文将就上述技术分别进行介绍，以期能够为广大工业锅炉节能与清洁燃烧改造工作者提供有益的参考。

图1 燃煤层燃工业锅炉节能减排综合技术系统

1 自动化燃烧及污染物减排一体化控制技术^[1]

锅炉是一个多变量、强耦合、大滞后的复杂系统，因此其负荷变化时，人工操作很难及时对炉膛内的风煤比、氧浓度、燃烧温度等参数做出实时调整，难以同时保证脱硝的持续稳定运行和实时跟踪锅炉负荷，进而保证稳定燃烧。

工业锅炉自动燃烧系统通过智能控制算法（图2）可以实时跟踪负荷变化，让锅炉运行时时刻刻保持最佳的空/燃比（图3），比现有人工操作更及时、平稳地调整锅炉负荷，维持出水温度稳定。自动燃烧控制能有效地降低排烟温度，为脱硝提供稳定、可靠的运行环境，最大限度地减少NOx的排放，保护生态环境，促进社会可持续发展。

系统投入自动运行后，不再需要司炉人员实时点击操作，只需司炉人员输入目标出水温度值，系统自动运算并输出频率给引风、鼓风、炉排和给煤机。减轻司炉操作人员劳动强度，同时避免人工操作的差异性、降低误操作导致的设备故障率。必要时只需司炉人员进行巡查，排除机械故障即可确保锅炉控制系统安全、稳定运行。使用先进的自动化燃烧控制系统，可有效提高锅炉运行热效率1~2%。

图2 控制系统算法

图3 锅炉燃烧效率曲线图

2 燃煤在线提质

燃煤在线提质是指加装水雾化喷枪、混煤器和分层燃烧设备，均匀燃烧设备上煤层的水平和垂直方向的颗粒分布，提高煤层通风均匀性。使燃烧区的着火线和燃烬线笔直且平行。

水雾化喷枪是指加装水雾化喷枪以提高煤的湿度，促使细煤粉团聚成颗粒团，在促进煤着火的同时，均匀落煤。此设备对于提高含水量低，细颗粒多的煤种的着火效果，有较好的作用。煤中含水量推荐值为：煤中小于3mm的煤粉含量为20~40%时，含水量控制在5~7.5%，煤中小于3mm的煤粉含量为80%，含水量控制在12.5%，煤中小于3mm的煤粉含量为~100%，含水量控制在20%。

混煤器的主要功能是在水平方向均匀燃煤，使燃煤沿水平方向合理错动，起到燃煤在落到分层燃烧设备前块面已被均匀排列的作用。同时也兼有破碎冻煤、搅动湿煤的附加作用。原分层燃烧设备（或锅炉原煤斗）遇见燃煤潮湿或结有冻块时经常会发生煤仓棚堵现象，安装混煤器以后，此现象会随之消除或大幅度减少。

分层燃烧设备是利用机械筛分的原理，使煤粒下落时，大颗粒落于底部，细颗粒落于上部。筛分后的煤层断面，呈底部大粒、上部小粒均匀的递减趋势，上部表面被最细小的煤颗粒覆盖成为一个平面，燃烧时，一次风自下而上包裹每个煤颗粒的周围，实现风煤混合均匀、燃烧充分。较普通煤斗相比，可使排烟量、排烟温度及炉渣含碳量明显降低。可使用低于改造前标准的燃煤而达到改造前一样的出力和效率，如仍使用原煤种，可提高锅炉出力和热效率。

综合使用上述设备，在其它条件不变的情况下，较使用前可收到5~15%不等的节煤效益，投资费用会在6~12个月的运行时间中全部收回。

图4 混煤器、分层燃烧设备实物图

3 飞灰回送技术

对层燃机械化炉排锅炉热效率反平衡分析表明，机械不完全燃烧损失是层燃锅炉的主要热损失，约占7％~12％。在锅炉炉膛出口凝渣管束上和锅炉尾部烟道设置低阻分离装置，分离并收集烟气中未燃尽的含碳飞灰粒子，利用重力或气力输送，回送至炉膛高温区，使未燃尽颗粒在炉膛内完成复燃燃尽。可以显著降低飞灰中的含碳量，飞灰含碳量可由25%降至7~12%，使机械不完全燃烧损失中的飞灰热损失减少2.5~3.5％左右。

高温下飞灰还是很好的NOx还原剂，可用于还原烟气中的NOx，脱硝效率也可达到在3~5％之间。

回送飞灰额输送气体可以采用二次风或再循环烟气，合理的设计喷入位置能进一步减低NOx的生成量。

4 空气(烟气)分级燃烧技术

空气分级燃烧技术是目前国内外普遍采用的、比较成熟的低NOx燃烧技术。煤燃烧过程先在缺氧的富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，从而降低NOx的生成。同时，燃烧生成的CO与NO、发生还原反应，以及燃料氮分解的NH、CN、HCN和NH₂等相互作用或NOx还原分解，从而抑制了NOx的生成^[2-3]。

将二次风从前拱和后拱处向喉口喷射出的强烈地扰动气流，增加飞灰颗粒的停留时间并促进颗粒燃尽，同时发生空气分级燃烧，减少气体不完全燃烧损失。

图5空气分级原理示意图

一次燃烧区域内送入所有燃料和约80%燃烧所需空气，燃料在缺氧的条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，从而抑制了NOx的生成；同时，燃烧生成的CO与NO进行还原反应，将已经生成的NOx部分还原成N₂，达到降低NOx的目的：

2CO+2NO→2CO₂+ N₂

其余约20%空气在二次燃烧区域送入，促使可燃物燃烬。

CO+½O₂→CO₂

高效的空气分级措施可有效减少炉膛内20%左右的NOx生成，并可以促进燃料完全燃烧。

5 烟气再循环技术

烟气再循环是从锅炉的尾部烟道抽取一部分烟气，经过烟道调节系统与一次风混合后送入炉内。

烟气再循环技术，其核心在于利用烟气所具有的低氧特点，将部分烟气再次喷入炉膛合适的部位，降低炉膛内局部温度以及形成局部还原性气氛，抑制NOx的生成，从而降低NOx的排放浓度^[3-4]。

再循环烟气量一般以烟气再循环率β来表示，即再循环烟气量与燃烧设备锅炉排烟总量之比，通过调节烟气的再循环率，获得不同氧浓度的混合气体参与到炉内燃烧。分析目前实测数据，20%烟气再循环率是最优烟气再循环运行参数，可以有效降低固体不完全燃烧损失和NOx排放。

结合低氮燃烧，烟气再循环技术具有如下特点：

1）不添加还原剂，不使用催化剂，主动降低NOx生成；脱硝率达30~50%，以上为最佳煤质状态，燃用较差煤质及氮含量高的煤种时，脱硝率取低值。

2）工艺简单、投资少，运行费用低；简化了脱硝的辅助设备，最小化施工面积；无二次副产物，对锅炉和烟道没有腐蚀；

3）锅炉负荷较低时，脱硝效率依然很好，不存在失效区域；可作为PNCR、SCR或SCNR方案的辅助措施，节省其运行费；

4）新增锅炉燃烧控制系统，可始终保持稳定的燃烧工况，降低工人劳动强度；有效降低锅炉电耗、能耗，实现节能和减排的双重目标；

5）可应用于已有锅炉的脱硝改造，也可应用于新锅炉的设计和建设阶段；是一种适合国情、极具竞争力的减少NOx和雾霾的技术方法。

为进一步降低NOx排放，“低氮燃烧+SNCR”或“低氮燃烧+PNCR”组成的协同脱硝，该项技术脱硝率60~80%，可使NOx排放<100mg/m³。

6 烟气深度冷却技术

烟气深度冷却系统根据现场实际一般于引风机之后，脱硫塔之前，安装烟气深度冷却器。按燃用煤种计算烟气酸露点确定最低排烟温度(一般在85℃以上),根据现场实际布置受热面。按一般锅炉排烟150℃计算，可提高锅炉热效率4~5%^[2,5]。

烟气中的大颗粒物在除尘器虽已得到了脱除，但仍有很多微米级的细小灰颗粒，若设计不佳，烟气深度冷却器积灰磨损较严重，因此，一般选用H型翅片管（图6）作为强化传热元件，H型翅片管具有抑制贴壁磨损的功能，可以实现在较高流速下的防沾污和抗磨损流动。

由于烟气深度冷却器的传热温差小，为使受热面结构紧凑以减小体积，并减少材料耗量，传热管必须采用扩展受热面强化传热。H型翅片管作为换热元件，由于其制造工艺简单，能增大管外换热面积，强化传热，因而在常规锅炉设计与改造、利用中低温余热的余热锅炉以及其它换热设备中得到了广泛的应用。另外，H型翅片管较光管，可以提高传热管外壁面的温度，有利于减缓低温腐蚀。

该技术已在大型火电厂得到广泛应用，但在大型集中供热锅炉上应用很少。受结构限制，无法布置在引风机后的也可布置在锅炉尾部，按烟气酸露点将排烟温度降至120左右，可提高锅炉热效率1~2%。

图6 H型翅片管结构图

A-翅片宽度；B-翅片高度；D-管外径；G-翅缝间距；P-翅片间距；t-管壁厚度；δ-翅片厚度

7 结语

通过对锅炉房内原有设备、常用煤质、锅炉原始排放指标的综合分析，合理采用上述技术，可在设备改造成本支出较少的情况下，主动控制NO_X的生成，可极大地简化脱硝的辅助设备，降低烟气脱硝的运行成本，对于中国量大面广的50万台层燃链条炉排锅炉来说，这是一种到目前为止最有效的、最现实的、最具竞争力的、最低成本的减少NOx和雾霾的技术方法。

以上，希望能对广大从事工业锅炉节能与清洁燃烧改造的工作者提供有益的参考。

参考文献：

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[2] 赵钦新,杨文君,孙一睿等. 燃煤工业锅炉污染物协同治理关键技术[J]. 工业锅炉, 2015, 6: 1-9.

[3] 徐通模,惠世恩. 燃烧学（第2版）[M]. 北京:机械工业出版社, 2018.

[4] 栾积毅,高建民,武雪梅等. 链条炉分区段烟气再循环对锅炉运行及NOx排放特性影响的工业试验[J]. 热能动力工程, 2017,32(10): 90-94.

[5] 赵钦新,严俊杰,王云刚等. 燃煤机组烟气深度冷却增效减排技术[M].北京:中国电力出版社, 2018.