空氣垂直分級(jí)低氮燃燒調(diào)整試驗(yàn)研究

魏健鵬，董 輝，胡穎炯，魏爭(zhēng)鳴

（甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州730050）

煤炭燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵、SO2、NOx和CO2等污染物，其中NOx的主要來(lái)源是電站鍋爐的燃燒產(chǎn)物，采取相應(yīng)措施來(lái)控制NOx的生成已變得非常重要。對(duì)NOx排放進(jìn)行控制，一是燃煤鍋爐采用爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)，降低燃煤機(jī)組燃燒產(chǎn)物中NOx的生成量；二是利用脫硝技術(shù)對(duì)煙氣進(jìn)行脫硝。目前執(zhí)行的GB 13223—2003《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中NOx排放質(zhì)量濃度限值為450～1 100mg／m3，而發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的NOx排放質(zhì)量濃度限值一般在200mg／m3以下（歐盟現(xiàn)行的NOx排放質(zhì)量濃度限值為200mg／m3，美國(guó)為135～184mg／m3，日本為200mg／m3）；同時(shí)我國(guó)還要求新建火電廠必須同步建設(shè)脫硝裝置，重點(diǎn)地區(qū)NOx排放質(zhì)量濃度限值為200mg／m3；2015年年底前，現(xiàn)役機(jī)組全部完成脫硝改造，實(shí)現(xiàn)NOx排放質(zhì)量濃度限值為200mg／m3的目標(biāo)。

空氣垂直分級(jí)燃燒技術(shù)是目前應(yīng)用較廣泛的一種低氮燃燒技術(shù)?？諝夥旨?jí)燃燒的基本思想是降低主燃燒區(qū)域的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)行亞化學(xué)當(dāng)量的缺氧燃燒，以抑制煤粉燃燒過(guò)程中NO的形成，使燃料在缺氧條件下燃燒，降低燃燒速度和燃燒溫度，減少熱力型NO的生成。還原燃料中釋放的含氮中間產(chǎn)物HCN，也會(huì)將NO還原分解成N，從而抑制燃料型NO的生成。在燃盡區(qū)供給充足氧氣，加快燃料的燃盡，充分利用低氮燃燒技術(shù)降低脫硝成本［1］。

1 試驗(yàn)爐燃燒器及燃料特性

燃燒器由主燃燒器和分離燃盡風(fēng)（SOFA）燃燒器組成。主燃燒器有13層噴嘴，其中5層一次風(fēng)噴嘴（最下層為等離子點(diǎn)火燃燒器），8層二次風(fēng)噴嘴。SOFA燃燒器設(shè)計(jì)有3層二次風(fēng)噴嘴。為了控制鍋爐爐膛出口左、右側(cè)煙溫偏差，燃燒器的頂部2層二次風(fēng)EE、EF（燃盡風(fēng)OFA）和中間1層二次風(fēng)CD采用反切布置，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反切角為12°，反切切圓直徑分別為3 210mm和2 998mm，其余噴口氣流均為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在主燃燒器的上方布置有SOFA燃燒器，使主燃燒器區(qū)域的過(guò)量空氣系數(shù)維持在1.03左右，這樣可降低主燃燒器區(qū)域NOx的生成量。設(shè)計(jì)各類風(fēng)比例：一次風(fēng)20.89%，二次風(fēng)61.19%，SOFA 12.92%。設(shè)計(jì)風(fēng)速：一次風(fēng)30.9m／s，二次風(fēng)49.4m／s，SOFA49.4m／s。漏風(fēng)率5%，二次風(fēng)阻力1 150Pa。煤質(zhì)特性見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)煤質(zhì)

2 爐內(nèi)空氣垂直分級(jí)控制

空氣垂直分級(jí)燃燒技術(shù)是將燃料的燃燒過(guò)程分階段進(jìn)行控制，即主燃區(qū)α＜1，還原區(qū)α≈1，燃盡區(qū)α＞1，使整個(gè)燃燒過(guò)程中第一階段減少空氣供應(yīng)量，第二階段將部分燃燒所需的空氣通過(guò)布置在主燃燒器上方的OFA送入，第三階段將其余燃燒所需的空氣通過(guò)布置在主燃燒器頂部的SOFA送入爐膛；因此需要確定：（1）燃燒的理論空氣量；（2）燃盡風(fēng)比例；（3）燃燒器出口過(guò)量空氣系數(shù)，以尋求最低NOx排放質(zhì)量濃度的控制期望值。

燃煤特性變化較大時(shí)，需要基于燃煤特性對(duì)鍋爐運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以滿足變煤種高效、低污染燃燒的要求。煤種的燃料系數(shù)為：

式中：w（Ndaf）為燃煤的干燥無(wú)灰基質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w（Cdaf）為干燥無(wú)灰基碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；d為煤粉平均粒徑，mm。

鍋爐采用變煤種運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)式（1）計(jì)算相應(yīng)煤種的燃料系數(shù)FCI值，判斷變煤種運(yùn)行對(duì)NOx排放質(zhì)量濃度的影響，從而可為選擇配備燃料或運(yùn)行的調(diào)節(jié)手段，為變煤種運(yùn)行達(dá)到高效、低污染燃燒要求提供依據(jù)。

燃煤特性對(duì)燃料氮轉(zhuǎn)化率的影響主要為w（Ndaf）及w（Cdaf）。隨著煤粉粒徑的增大，燃料系數(shù)FCI也增大，NOx排放質(zhì)量濃度也增大。燃料w（Vdaf）越高，燃料氮轉(zhuǎn)化率越低；w（Vdaf）越低，燃料氮轉(zhuǎn)化率越高。

在垂直空氣分級(jí)燃燒調(diào)整過(guò)程中，首先給定爐膛出口過(guò)量空氣系數(shù)α″f，然后根據(jù)煤質(zhì)資料計(jì)算理論空氣量V0（m3／kg）計(jì)算實(shí)際空氣量Vk為：

式中：αt為爐膛內(nèi)總的過(guò)量空氣系數(shù)；Δαf為爐膛漏風(fēng)率。

最后根據(jù)給定分離燃盡風(fēng)份額Δαr和給定一次風(fēng)比例Δα1t，確定燃燒器出口過(guò)量空氣系數(shù)：

3 垂直空氣分級(jí)燃燒控制參數(shù)

3.1 設(shè)計(jì)工況下的過(guò)量空氣系數(shù)

額定負(fù)荷下SOFA比例設(shè)計(jì)值為0.129 3，主燃燒器過(guò)量空氣系數(shù)1.00，爐膛漏風(fēng)系數(shù)0.05，即SOFA份額與爐膛三區(qū)（主燃燒區(qū)、還原區(qū)和燃盡區(qū)）總的過(guò)量空氣系數(shù)等于0.15，實(shí)際爐膛漏風(fēng)5%。對(duì)于整組燃燒器來(lái)說(shuō)，爐內(nèi)燃燒情況復(fù)雜，不能嚴(yán)格劃分出三個(gè)區(qū)域，但可以通過(guò)煤粉的燃盡高度大致確定分級(jí)風(fēng)量，當(dāng)燃盡區(qū)最大過(guò)量空氣系數(shù)在1.15左右時(shí)，燃燒器出口區(qū)空氣過(guò)量系數(shù)約等于1.05，即在送入爐膛總風(fēng)量和煙氣中φ（O2）不變的情況下，增加SOFA風(fēng)量相當(dāng)于降低還原區(qū)和主燃燒區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 爐膛過(guò)量空氣分布

3.2 煤粉燃盡高度與NOx脫除率的變化

燃燒器煤粉燃盡高度H根據(jù)煤質(zhì)特性w（Vdaf）計(jì)算：

試驗(yàn)中兩種煤質(zhì)的計(jì)算燃盡高度分別是2.10m和2.29m。當(dāng)燃盡風(fēng)投入時(shí)，煤粉的燃盡高度均大于計(jì)算值；當(dāng)SOFA全部關(guān)閉后，E層燃燒器投運(yùn)時(shí)煤粉燃盡高度為1.85m，小于計(jì)算燃盡高度。由于SOFA關(guān)閉后爐膛主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)增大和燃盡區(qū)的過(guò)量空氣系數(shù)增大，對(duì)NOx脫除率影響較大，因此在不同磨煤機(jī)的運(yùn)行方式下燃盡高度也在變化。SOFA高度的選擇，對(duì)鍋爐改造及提高NOx脫除率意義重大。鍋爐額定負(fù)荷下，燃盡高度隨磨煤機(jī)運(yùn)行組合方式（4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，E磨煤機(jī)不運(yùn)行或運(yùn)行）而變化。鍋爐各一次風(fēng)燃燒器噴口設(shè)計(jì)標(biāo)高及間距見(jiàn)表3。

表3 設(shè)計(jì)燃燒器標(biāo)高

當(dāng)鍋爐負(fù)荷不變，控制φ（O2）一定的條件下，通過(guò)改變上層磨煤機(jī)運(yùn)行組合方式，改變?nèi)急M風(fēng)送入高度，測(cè)量煙氣NOx質(zhì)量濃度。當(dāng)磨煤機(jī)運(yùn)行ABDE改變?yōu)锳BCD時(shí)，燃盡高度發(fā)生變化，測(cè)試煙氣成分，計(jì)算NOx脫除率的變化（見(jiàn)表4）。

表4 燃盡高度變化時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表4表明：SOFA高度的增加會(huì)提高垂直空氣分級(jí)燃燒中NOx的脫除率；同時(shí)垂直分級(jí)程度越大，即燃盡區(qū)出口過(guò)量空氣系數(shù)越小，對(duì)NOx脫除率影響越大。對(duì)于不同的磨煤機(jī)運(yùn)行組合方式，SOFA風(fēng)量對(duì)NOx質(zhì)量濃度的影響程度有所不同，其關(guān)聯(lián)程度與運(yùn)行的磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)及最上一層運(yùn)行的燃燒器與SOFA風(fēng)口的距離相關(guān)，距離越小關(guān)聯(lián)度越高，運(yùn)行磨煤機(jī)臺(tái)數(shù)越多關(guān)聯(lián)度越高。

在燃盡高度增大至5.0m以上時(shí)，OFA與SOFA其中任一組風(fēng)切換運(yùn)行，對(duì)NOx質(zhì)量濃度的影響幾乎相同；在ABCD磨煤機(jī)組合運(yùn)行方式下OFA（頂層二次風(fēng)）與SOFA（共三組）中任一組風(fēng)可相互替代。

3.3 燃盡風(fēng)比例變化

維持爐膛出口φ（O2）一定的條件下，改變?nèi)急M風(fēng)比例，鍋爐負(fù)荷不變，主燃燒區(qū)一、二次風(fēng)配風(fēng)方式不變，改變SOFA風(fēng)量，測(cè)量煙氣中NOx質(zhì)量濃度（見(jiàn)表5）。

表5 燃盡風(fēng)比例變化時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)磨煤機(jī)運(yùn)行ABCD組合時(shí)，二次風(fēng)配風(fēng)不變，僅開(kāi)啟SOFA，煙氣中NOx質(zhì)量濃度明顯降低，降低幅度隨SOFA比例增大而增大，通常在φ（O2）為3.2%～4.0%時(shí)，可降低25.2%左右。燃盡風(fēng)比例的增大，必須提高大風(fēng)箱二次風(fēng)阻力，增大燃盡風(fēng)風(fēng)速。二次輔助風(fēng)阻力增大意味著燃盡風(fēng)比例的增加。

3.4 鍋爐變負(fù)荷過(guò)程中NOx質(zhì)量濃度的變化

在鍋爐變負(fù)荷狀況下，由于爐膛斷面熱負(fù)荷的急劇變化，爐膛上部溫度大幅降低，停止D磨煤機(jī)NOx質(zhì)量濃度降幅100mg／m3，停止C磨煤機(jī)NOx質(zhì)量濃度降幅60mg／m3；而上層磨煤機(jī)的停運(yùn)，也使相應(yīng)送入的二次風(fēng)減少，擴(kuò)大了NO還原區(qū)域，并使上爐膛溫度降低，十分有利于降低NOx質(zhì)量濃度。圖1為鍋爐變負(fù)荷運(yùn)行中NOx質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)圖。

圖1 鍋爐變負(fù)荷運(yùn)行中NOx質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)圖

圖1表明：燃料量的減少與NOx質(zhì)量濃度降低呈現(xiàn)正比例趨勢(shì)，磨煤機(jī)一次風(fēng)量的驟減點(diǎn)即NOx質(zhì)量濃度的驟降點(diǎn)。垂直分級(jí)燃燒中一次風(fēng)比例對(duì)NOx脫除率有著直接的影響，適當(dāng)降低一次風(fēng)比例有利于NOx排放質(zhì)量濃度控制。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)煤粉鍋爐空氣分級(jí)燃燒而言，主燃區(qū)及還原區(qū)空氣的配比、燃盡區(qū)長(zhǎng)度、過(guò)量空氣系數(shù)等對(duì)NOx排放質(zhì)量濃度影響很大。如果將燃燒器組按ABCD＼ABCE＼ABDE三種典型運(yùn)行方式劃分，假定二次風(fēng)阻力不變，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)1.17（φ（O2）＝3.05%），SOFA 風(fēng)量分?jǐn)?shù)13%，主燃燒區(qū)及還原區(qū)總過(guò)量空氣系數(shù)1.03時(shí)，方可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，NOx排放質(zhì)量濃度隨著分級(jí)風(fēng)量的增加而減少；但在分級(jí)風(fēng)量過(guò)大時(shí)，不完全燃燒產(chǎn)物迅速增加，主燃燒區(qū)長(zhǎng)度增大，增大了NOx在還原區(qū)的停留時(shí)間，NOx排放質(zhì)量濃度也會(huì)明顯降低，在過(guò)量空氣系數(shù)逐漸增大的過(guò)程中，NOx排放質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)。

［1］周永剛，鄒平國(guó)，趙虹.燃煤特性影響燃料N轉(zhuǎn)化率試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（15）：63-67.