低氮燃燒器改造及應(yīng)注意的問(wèn)題

張圣偉，陳繼學(xué)，洪 民，朱曉強(qiáng)

（浙江桐鄉(xiāng)濮院協(xié)鑫環(huán)保熱電有限公司，桐鄉(xiāng)314501）

近幾年國(guó)家頒布了新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電站鍋爐的NOx排放指標(biāo)更加嚴(yán)格。為此桐鄉(xiāng)濮院協(xié)鑫環(huán)保熱電有限公司對(duì)90t／h煤粉鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒器改造，收到了良好的效果。

1 鍋爐概況

鍋爐為SG－90／5．3－M499型次高壓、單鍋筒、自然循環(huán)汽包爐；設(shè)計(jì)煤種為煙煤；制粉系統(tǒng)為中間倉(cāng)儲(chǔ)式、熱風(fēng)送粉、正四角直流式燃燒器。

鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)和基本尺寸見(jiàn)表1。煤質(zhì)資料見(jiàn)表2。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)及基本尺寸

表2 煤質(zhì)資料

原燃燒方式為正四角切向燃燒，燃用煙煤。采用二層一次風(fēng)集中布置，熱風(fēng)送粉，噴口布置自上而下順序?yàn)槿?、二、二、一、一、二。燃燒器法蘭中心標(biāo)高為8 655mm。下排二次風(fēng)布置了油槍?zhuān)鳛辄c(diǎn)火及低負(fù)荷穩(wěn)燃和沖管用。在燃用設(shè)計(jì)燃料時(shí)，50%以上負(fù)荷可不投油穩(wěn)燃。

燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)：一次風(fēng)溫159℃，一次風(fēng)率25%；二次風(fēng)溫約295℃，二次風(fēng)率55%；三次風(fēng)溫60℃，三次風(fēng)率20%。

原鍋爐煙氣排放的NOx質(zhì)量濃度為780～820mg／m3，同時(shí)存在爐內(nèi)結(jié)焦現(xiàn)象。為了降低改造投資，主要進(jìn)行低氮燃燒器改造。

2 低氮燃燒器改造方案

NOx主要有燃料型、熱力型及快速型三種［1］：燃料型NOx生成量約占60%～80%，是低NOx燃燒器控制的主要對(duì)象；其次是熱力型NOx，主要由于爐內(nèi)局部高溫造成，其生成量約占10%～15%，應(yīng)采用適當(dāng)措施加以控制；而快速型NOx生成量很少。在鍋爐燃燒中采取的控制措施主要降低燃料型及熱力型的NOx生成。

2．1 結(jié)構(gòu)與布置

改造后的低氮燃燒器采用四角切圓布置，見(jiàn)圖1。

圖1 燃燒器布置（單位：mm）

90t／h鍋爐采用低NOx燃燒器，燃燒器的噴口重新進(jìn)行布置，自上而下的順序?yàn)槎?、二、三、二、一、二、一、二；新命名為F層、E層、D層、C層、B層、AB層、A層、Y層。燃燒器法蘭中心標(biāo)高為8 655mm。下排二次風(fēng)口內(nèi)布置了油槍。

燃燒器噴嘴設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 燃燒器噴嘴設(shè)計(jì)參數(shù)

2．2 燃燒區(qū)域分類(lèi)

采用分級(jí)燃燒方法，將爐膛自下而上的分成三個(gè)燃燒區(qū)域，分別為主燃燒區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。

2．2．1 主燃燒區(qū)

主燃燒區(qū)域由A層和B層煤粉噴嘴和相鄰的上下二次風(fēng)噴嘴（Y層和C層）組成。

在此區(qū)域內(nèi)采用了低過(guò)量空氣系數(shù)方法，使燃燒盡可能在接近理論空氣量的條件下進(jìn)行。隨著煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)φ（O2）的減少，從而抑制NOx的生成。在此階段，將從主燃燒器供入爐膛的空氣量減少到總助燃空氣量的60%～70%，使燃料先在（缺氧的）富燃料條件下燃燒，過(guò)量空氣系數(shù)取α＜1，因而降低了燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度和溫度水平。這不但延遲了燃燒過(guò)程，而且在還原性氣氛中降低了生成NOx的反應(yīng)率，抑制了NOx的生成量。但是如果爐內(nèi)氧氣質(zhì)量濃度過(guò)低，會(huì)造成煤粉質(zhì)量濃度急劇增加，增加化學(xué)不完全燃燒熱損失，引起飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，燃燒效率下降。因此在鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，應(yīng)通過(guò)調(diào)節(jié)裝置選取最合理的過(guò)量空氣系數(shù)。

同時(shí)對(duì)一次風(fēng)煤粉噴嘴的布置和結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高噴嘴出口處局部的煤粉質(zhì)量濃度，增強(qiáng)噴嘴出口煤粉與空氣接觸的面積和氣流卷吸熱煙氣的能力。保證煤粉氣流在低氧狀況下的著火能力，抑制燃料型NOx的生成。A層和B層煤粉噴嘴的四周增加有周界風(fēng)，當(dāng)煤種變化時(shí)可以調(diào)節(jié)周界風(fēng)量來(lái)控制煤粉的著火時(shí)間。

底部的Y層噴嘴（安裝了點(diǎn)火和穩(wěn)燃用的油槍?zhuān)ǔＷ鳛槎物L(fēng)噴嘴，能托住煤粉，防止掉粉。

中間的AB層二次風(fēng)噴嘴用于調(diào)節(jié)燃燒時(shí)的空氣量，采用低氧燃燒時(shí)可以全關(guān)。為了有效地降低NOx排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)，主燃區(qū)是關(guān)鍵，必須將煤粉噴嘴集中布置，使煤粉集中燃燒。

2．2．2 再燃區(qū)域

再燃區(qū)域由C層和D層噴嘴組成。

C層二次風(fēng)噴嘴用于調(diào)節(jié)燃燒中期的空氣量，其風(fēng)門(mén)開(kāi)度可根據(jù)燃燒的需求進(jìn)行控制，采用低氧燃燒時(shí)可以關(guān)小風(fēng)量。

D層噴嘴作為三次風(fēng)噴嘴，采用可以上下擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)燃燒情況改變噴射的角度和控制再燃區(qū)域的φ（O2），來(lái)降低NOx的生成。

在此區(qū)域應(yīng)利用調(diào)節(jié)空氣和燃料量的方法，達(dá)到分級(jí)燃燒的目的，使燃料的燃燒過(guò)程分階段完成。這一方法彌補(bǔ)了一級(jí)主燃燒區(qū)域的低過(guò)量空氣燃燒的缺點(diǎn)。在第一級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)的過(guò)量空氣系數(shù)越小，抑制NOx生成的效果越好；但不完全燃燒產(chǎn)物越多，導(dǎo)致燃燒效率降低、引起結(jié)渣和腐蝕的可能性越大。因此為保證既能降低NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)，又能保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，將部分燃料（其余15%～20%的燃料）送入主燃燒器上部的二級(jí)燃燒區(qū)（再燃燒區(qū)），在α＜1的條件下形成很強(qiáng)的還原性氣氛，使得在一級(jí)燃燒區(qū)中生成的NOx在二級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)被還原成N2。在再燃區(qū)域（送入二級(jí)燃燒區(qū)的燃料又稱(chēng)為二次燃料，或稱(chēng)再燃燃料），不僅使已生成的NOx得到還原，還抑制了新的NOx的生成，使NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步降低。通過(guò)調(diào)試，采用燃料分級(jí)可使NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低50%以上。

2．2．3 燃盡區(qū)域

燃盡區(qū)域由E層和F層噴嘴（即SOFA噴嘴）組成。

將E層和F層噴嘴與主燃燒器拉開(kāi)一定的距離，即在再燃區(qū)的上面布置二次風(fēng)噴口，形成第三級(jí)燃燒區(qū)域，以保證再燃區(qū)中未完全燃燒產(chǎn)物的燃盡。設(shè)計(jì)的燃燒器噴嘴可以單獨(dú)上下擺動(dòng)，又可水平擺動(dòng)，使噴嘴出口的空氣既可以控制噴射進(jìn)入燃燒區(qū)域的方向和時(shí)間，又可以調(diào)整燃燒旋轉(zhuǎn)氣流的大小，還可以調(diào)節(jié)噴射氣流的大小，增加了燃燒調(diào)整的手段。

SOFA噴嘴的上下擺動(dòng)非常重要，可對(duì)爐內(nèi)火焰中心標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)能保證碳的及時(shí)燃盡；SOFA水平擺動(dòng)可以消旋，在鍋爐運(yùn)行中對(duì)調(diào)節(jié)爐膛出口的煙溫偏差作用明顯。

2．3 一、二次風(fēng)采用正、反切圓

為了更好地達(dá)到降低NOx排放質(zhì)量濃度的效果，在主燃燒區(qū)域采用了一、二次風(fēng)正、反切圓的技術(shù)，其主要作用是：

（1）將一次風(fēng)煤粉氣流與二次風(fēng)氣流相差一個(gè)角度噴入爐膛，使煤粉及時(shí)地進(jìn)入高溫區(qū)著火，實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，可有效抑制燃燒初期的NOx生成，增加煤粉顆粒在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間。利用一、二次風(fēng)射流方向的差異，加大煤粉燃燒中后期與空氣的混合，降低飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

（2）已著火的煤粉氣流被二次風(fēng)卷吸，進(jìn)入主氣流旋轉(zhuǎn)方向，使之能得到大量的O2補(bǔ)充，正好達(dá)到分級(jí)燃燒的目的。

（3）由于二次風(fēng)氣流的切圓大，可在鍋爐爐膛的四周形成一圈氧化性氣氛，對(duì)防止結(jié)焦和防止?fàn)t膛水冷壁的高溫腐蝕極為有利。

3 熱態(tài)調(diào)試及結(jié)果

低NOx燃燒試驗(yàn)于2013年2月進(jìn)行。在鍋爐調(diào)試運(yùn)行中首先關(guān)閉A層和B層煤粉噴嘴的周界風(fēng)，并且關(guān)小AB層二次風(fēng)（采用低過(guò)量空氣系數(shù)），使主燃燒區(qū)域的燃燒過(guò)程盡可能在接近理論空氣量（α＜1）的條件下進(jìn)行；隨著煙氣中過(guò)量氧的減少，就抑制了NOx的生成。

然后對(duì)C層二次風(fēng)噴嘴的風(fēng)門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要是控制再燃燒區(qū)域的φ（O2），同時(shí)對(duì)D層三次風(fēng)煤粉噴嘴進(jìn)行擺動(dòng)調(diào)節(jié)，控制噴嘴氣流的噴射方向和時(shí)間，調(diào)整燃燒區(qū)域的溫度和再燃燒的時(shí)間，使部分已生成的NOx被還原。

其次對(duì)E層和F層二次風(fēng)（SOFA）噴嘴的風(fēng)門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要是控制燃盡區(qū)域的φ（O2）。通過(guò)調(diào)整發(fā)現(xiàn)：要降低NOx質(zhì)量濃度，E層和F層SOFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)燃燒的影響很大，關(guān)小SOFA風(fēng)門(mén)時(shí)，NOx質(zhì)量濃度增加；開(kāi)大E層和F層風(fēng)門(mén)擋板時(shí)（開(kāi)度＞80%）可以降低NOx質(zhì)量濃度，曾經(jīng)使NOx質(zhì)量濃度降低到200mg／m3以下。

通過(guò)低氮燃燒器改造后，鍋爐運(yùn)行中基本上可以將NOx質(zhì)量濃度控制在250mg／m3以下。

在低氮燃燒器改造之后的鍋爐運(yùn)行中，爐膛出口的兩側(cè)煙溫曾經(jīng)出現(xiàn)偏差較大（大于60K），這是由于燃燒切圓的旋轉(zhuǎn)殘余力矩大而引起的。通過(guò)調(diào)整頂部二次風(fēng)噴嘴的噴射方向進(jìn)行反切消旋后，降低了爐膛出口的兩側(cè)煙溫偏差（在30K內(nèi)）。

4 結(jié)語(yǔ)

低氮燃燒器改造之后，在鍋爐運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)：在第一級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)的過(guò)量空氣系數(shù)越小，抑制NOx的生成效果越好，但不完全燃燒產(chǎn)物越多，會(huì)導(dǎo)致燃燒效率降低、引起結(jié)焦和腐蝕的可能性增大。因此為保證既能減少NOx的排放，又保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，必須正確組織空氣分級(jí)送風(fēng)的過(guò)程，不能片面追求NOx的降低。

對(duì)于不同的煤種，燃燒條件的不同、鍋爐負(fù)荷的不同、燃燒溫度的變化、所需的空氣量不同，NOx的生成量將會(huì)變化，所以鍋爐運(yùn)行操作應(yīng)該相應(yīng)地變化，而降低NOx生成量的方法主要還是靠燃燒調(diào)整。在本次低氮燃燒器改造中還增加了許多新的調(diào)節(jié)功能，如改善二次風(fēng)門(mén)的調(diào)節(jié)裝置、噴嘴的水平和上下擺動(dòng)功能，增加周界風(fēng)等，都是為了方便調(diào)控。

在鍋爐運(yùn)行中三次風(fēng)對(duì)燃燒的影響很大，關(guān)掉或減少三次風(fēng)時(shí)，爐膛的燃燒和排放就會(huì)得到改善，增大三次風(fēng)時(shí)就會(huì)使?fàn)t膛出口煙溫升高，這是因?yàn)槿物L(fēng)中的煤粉使鍋爐爐膛的燃燒延長(zhǎng)，在今后的改造中將進(jìn)一步研究和改進(jìn)三次風(fēng)噴嘴的設(shè)計(jì)布置，以達(dá)到更好的效果。

［1］馮俊凱，沈幼庭 ．鍋爐原理及計(jì)算［M］．2版．北京：科學(xué)出版社，1992．