低氮燃燒器的應(yīng)用及燃燒調(diào)整研究

李佩直，孫 斌

(東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林吉林132012)

隨著霧霾天氣的出現(xiàn)，空氣的污染治理也越來越被人們重視。NOx作為大氣污染的主要組成成分之一，減少NOx的排放成為人們關(guān)注的重點［1］。按照GB13223－2011《火電廠大氣污染物排放標準》的規(guī)定，2014年7月1日起，2003年12月31日建成投產(chǎn)以后的火力發(fā)電廠(W型火焰鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐除外)執(zhí)行NOx排放濃度限值為100 mg/Nm3的標準。

因此，火力發(fā)電廠和高校為了達到此目標，正在努力開展關(guān)于降低NOx濃度排放的試驗及改造工作［2］。對于燃煤電廠來說，控制NOx的排放濃度，主要是通過兩種途徑來實現(xiàn):一是燃燒過程中減少NOx濃度的排放，通過低氮燃燒技術(shù)，調(diào)整燃燒手段減少NO x的生成量;二是燃燒后對生成產(chǎn)物NOx的控制，進一步通過脫硝裝置達到國家控制的排放標準［3］。

1 鍋爐燃燒系統(tǒng)

1.1 鍋爐概況

某電廠鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，采用平衡通風、四角切圓燃燒方式，設(shè)計燃料為褐煤，鍋爐采用緊身封閉。鍋爐以最大連續(xù)負荷(即BMCR工況)為設(shè)計參數(shù)，在機組電負荷為364.055 MW時，鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 125 t/h;機組電負荷為330 MW(ECR工況)時，鍋爐的額定蒸發(fā)量為1 070 t/h。主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要技術(shù)參數(shù)表

1.2 設(shè)計燃料特性

燃燒器的布置，采用四角布置的切向擺動式燃燒器。設(shè)計煤質(zhì)參數(shù)見表2。燃燒器可以上下擺動，最大擺動角度為±20°。鍋爐在運行過程中NOx排放濃度在550～610 mg/Nm3，經(jīng)過脫硝后排放濃度不能滿足環(huán)保的要求。

為了控制NOx的排放，盡量減少NOx在燃燒過程中的生成量，保證SCR入口的氮氧化物濃度在一個合理的水平，主要通過調(diào)整燃燒溫度、各級過量空氣系數(shù)和優(yōu)化運行方式等控制氮氧化物的排放［4］。

氮氧化物的生成主要有燃料型、快速型和熱力型三種方式。其中燃料型氮氧化物的生成量占4/5以上，其次是熱力型氮氧化物，快速型的生成含量最?。?］。減少燃料型氮氧化物的生成量是控制氮氧化物排放的主要途徑，主要是燃燒中低氮燃燒技術(shù)以及燃燒后煙氣的脫硝技術(shù)相結(jié)合，而其它兩種類型的氮氧化物生成量占少量部分［6］。

表2 設(shè)計煤質(zhì)參數(shù)

2 低氮燃燒器的改造

2.1 低氮燃燒器的改造方案

(1)在爐膛中心形成逆時針旋向的兩個直徑稍有不同的假想切園，如圖1所示。為了削弱爐膛出口煙氣的旋轉(zhuǎn)強度，減小四角燃燒引起的爐膛出口煙溫偏差，主燃燒器上方設(shè)置了SOFA燃燒器，SOFA風室被設(shè)計成反切，使其噴嘴出口中心線同主噴嘴中心線成12°的夾角，其目的就是要形成一個反向動量矩，平衡主燃燒器的旋轉(zhuǎn)動量矩，而達到減少爐膛出口煙溫偏差之目的，另外，還選取了較大的燃燼風率，來控制NOx的排放量。

圖1 假想切圓圖

(2)在燃燒器高度方向上，根據(jù)燃燒器可擺動的特點，考慮到燃燒器向下擺動時，保證火焰充滿空間和煤粉燃燒空間。

(3)為防止爐膛結(jié)焦，采用了較小的單只噴嘴熱功率，防止燃燒器區(qū)域的結(jié)焦，采用燃燒器分組拉開式布置及合理配風形式，可有效控制NOx排放量。

(4)燃燒器采用水平濃淡煤粉燃燒技術(shù)，以提高鍋爐低負荷運行的能力，水平濃淡煤粉燃燒器是利用煤粉進入燃燒器一次風噴嘴體后，經(jīng)百葉窗的分離作用，將一次風氣流分離成濃淡兩部分;兩部分之間用垂直隔板分開，燃燒器出口處設(shè)有帶波紋形的穩(wěn)燃鈍體。濃相氣流的煤粉濃度高著火特性好，即使在低負荷情況下，濃相氣流的風煤比仍可保持在較合適的范圍內(nèi)，使著火特性不會明顯惡化。鈍體形成的高溫煙氣回流區(qū)又充分為煤粉著火提供了熱源，這兩者的結(jié)合為低負荷穩(wěn)燃提供了保證。

3 改造后的NOx排放及燃燒調(diào)整

低氮燃燒器改造后，由表3、表4可以看出，在300 MW和220 MW負荷工況下，在不同的運行氧量和不同的SOFA風門開度下，NOx的排放水平各不相同，在220MW負荷下，運行氧量3.8%、SOFA風門開度50%時，NOx排放濃度控制在248.5 mg/Nm3;在300 MW負荷下，運行氧量3.1%、SOFA風門開度90%時，NOx排放濃度控制在207.1 mg/Nm3。在這兩種工況下，NOx排放濃度控制在較低的水平。

表3 不同運行參數(shù)下NOx排放比較

表4 不同運行參數(shù)下NOx的排放比較

4 改造后問題分析

(1)蒸汽參數(shù)偏離設(shè)計值

鍋爐燃燒區(qū)采用空氣分級燃燒技術(shù)，使得主燃燒區(qū)的溫度下降，爐內(nèi)的溫度分布更加均勻，對于水冷壁存在沾污結(jié)焦情況嚴重的得到改善，水冷壁的吸熱增加，爐膛出口的煙溫降低［7］，過熱器、再熱器溫升下降，使得過熱器、尤其再熱器溫低于設(shè)計值。

(2)飛灰、爐渣的含碳量增加

低氮燃燒技術(shù)主要是采用低溫、缺氧燃燒技術(shù)，使得主燃燒區(qū)的溫度下降較多，推遲了煤粉的著火，并且此區(qū)域缺氧燃燒，控制過量空氣系數(shù)，煤粉在此區(qū)域的燃盡度下降，造成了飛灰、爐渣的含碳量增加。q4的增大，必然導(dǎo)致鍋爐熱效率的降低。

(3)高溫腐蝕現(xiàn)象加劇

煤粉在主燃燒器區(qū)域進行缺氧燃燒，不充分燃燒會產(chǎn)生大量的CO，以及還原性氣體H2S，從而加劇水冷壁區(qū)域的高溫腐蝕。

利用空氣的分級燃燒技術(shù)，上層增加燃盡風，總風量不變的情況下，上層二次風分增加勢必使得下層二次風減少，使得下層一、二次風的摻混過程推移，爐膛的火焰中心上移，相應(yīng)爐膛出口的煙溫升高，容易引起結(jié)焦、積灰等現(xiàn)象。

(4)爐內(nèi)燃燒狀況復(fù)雜

由于低氮燃燒器改造后對整個爐膛內(nèi)的動力場發(fā)生變化，使得爐內(nèi)的燃燒也產(chǎn)生不利影響。低氮燃燒器改造前設(shè)計的燃燒運行優(yōu)化方式已經(jīng)不再適應(yīng)，會產(chǎn)生爐膛負壓波動大、偏燒、排煙溫度高、飛灰含碳量大、再熱器溫度低等的影響，使得在低溫、低氧的燃燒運行工況下調(diào)節(jié)難度加大，導(dǎo)致低負荷穩(wěn)燃能力下降。

5 改進措施

(1)合理控制運行氧量

運行過程中氧量的控制不僅影響機組經(jīng)濟性，而且對NOx的排放具有一定的抑制作用［8－9］，因此，對氧量的精細化調(diào)整顯得至關(guān)重要。分別對燃燒區(qū)和還原區(qū)的過量空氣系數(shù)進行控制。通過對不同氧量的調(diào)節(jié)控制，分別對飛灰含碳量、再熱器溫度以及鍋爐效率等主要運行參數(shù)試驗，找出不同運行工況下的鍋爐參數(shù)變化，得出機組的最佳運行氧量。在300 MW負荷下，通過變氧量試驗，可以得出爐膛氧量與NOx的關(guān)系曲線，如圖2所示。

(2)燃燒運行優(yōu)化調(diào)整

低氮燃燒器改造后，NOx的排放控制在環(huán)保要求的標準之內(nèi)，并且在運行過程中盡量減少NOx的排放量，降低脫硝的運行成本，但是也要兼顧對鍋爐效率、高溫腐蝕等對經(jīng)濟性和安全性運行的影響［10］。對不同的磨煤機運行組合方式、不同的配方式、不同的運行氧量等主要指標的正交試驗，摸索機組的最佳運行優(yōu)化調(diào)整方式。在300 MW負荷下，通過變SOFA開度試驗，可以得出SOFA開度與NOx的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 300 MW負荷爐膛氧量與NOx的關(guān)系曲線

圖3 300 MW負荷SOFA開度與NOx的關(guān)系曲線

(3)水冷壁進行防結(jié)焦、腐蝕材料噴涂

對于燃燒器改造前結(jié)焦嚴重的鍋爐會有所改善，主燃燒區(qū)的溫度有所下降，爐內(nèi)的溫度分布更加均勻，使得水冷壁的沾污結(jié)焦情況減少，通過對水冷壁的噴涂，消除結(jié)焦現(xiàn)象，并且高溫腐蝕的情況也得到解決。

6 結(jié) 論

通過燃燒過程中進行優(yōu)化運行，控制NOx的排放在合理的水平，并通過燃燒后對生成物排放的控制，達到國家要求的排放標準。低氮燃燒器改造后對機組的經(jīng)濟性造成一定的影響，通過燃燒優(yōu)化運行調(diào)整、合理控制爐膛氧量以及控制煤粉細度，解決機組運行中存在的問題。使得低氮燃燒器改造后的機組主要指標能夠控制到同類機組設(shè)計的最高標準。

［1］畢夏，等.低碳背景下我國新能源行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報，2012，32(5):86－90.

［2］趙雅瑩，等.褐煤燃燒污染物排放特性的實驗研究［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報，2012，32(2):33－37.

［3］岑可法，姚強.燃燒理論與污染控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［4］孫錦余.利用氮氧化物控制技術(shù)治理大氣污染［J］.節(jié)能，2004，24(5):41－44.

［5］應(yīng)凌俏，曹欣玉，牛志剛.煙煤熱解過程中氮的釋放特性研究［J］.煤炭學(xué)報，2004，29(1):101－104.

［6］周國民.燃煤鍋爐NOx排放特性及其燃燒優(yōu)化［J］.鍋爐技術(shù)，2006，37(3):77－80.

［7］張文景，黃郁明，張書謹.大型機組再熱器溫調(diào)節(jié)手段研究［J］.熱能動力工程，2002，17(3):195－198.

［8］祁海鷹，李宇紅，由長福，等.高溫低氧燃燒條件下氮氧化物的生成特性［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2002，8(1):17－22.

［9］Gupta A K.Flame characteristics and challenges with high temperature air combustion［A］.Proceedings of 2ndInternational Seminar on High Temperature Combustion in Industrial Fumace［C］.Stockholm，Sweden，2000，17－18.

［10］傅維標，衛(wèi)景彬.燃燒物理學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1984.