低氮燃燒器在燃煤鍋爐上的運用

羅　新

（四川大學化學工程學院,成都 610065）

低氮燃燒器在燃煤鍋爐上的運用

羅新

（四川大學化學工程學院,成都 610065）

為提高川維廠9#燃煤鍋爐燃燒的穩(wěn)定性及降低NOX排放量，對9#爐進行了低氮燃燒器改造。改造后，NOX濃度由改造前的645.1 mg/ m3降低到改造后的463mg/m3，低負荷不投天然氣能保證穩(wěn)燃，達到了節(jié)能減排效果。

鍋爐;低氮燃燒器;NOX

1　引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境問題已成為當今社會日益關(guān)注的問題，而電站燃煤鍋爐是大氣NOX污染的主要污染源之一。按照《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）的規(guī)定，2014年現(xiàn)有火力發(fā)電鍋爐NOX排放濃度降到100mg/m3以下。中國石化四川維尼廠（簡稱川維廠）鍋爐車間9#爐是四川鍋爐廠制造的中溫、中壓煤粉爐。鍋爐露天布置、固態(tài)排渣、燃燒器為四角切圓布置形式，額定蒸發(fā)量為240t/h。鍋爐改造前，NOX的排放濃度平均在645.1mg/m3，如果使用低熱值煤，排放濃度還要較高。隨著國家對燃煤鍋爐氮氧化物排放控制越來越嚴格，降低NOX排放濃度刻不容緩。

2　NOX的生成途徑

燃燒過程中，NOX的生成主要為三種：熱力型NOX、燃料型NOX和快速性NOX。NOX的產(chǎn)生量和爐膛溫度、氧含量等有關(guān)密切關(guān)系。

①熱力型NOX：空氣中的氮氣在高溫下氧化而成。

②燃料型NOX：燃料中含有氮氧化物在燃燒過程中分解后，接著又氧化而成。

③快速型NOX：燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團等反應(yīng)而成。

通常來說，鍋爐氮氧化物的生成的主要來源在于燃料型NOX，占總生成量的60%到80%。溫度足夠高時，熱力型NOX的產(chǎn)生量占總產(chǎn)生量的20%，但在溫度小于1500度時，基本上沒有熱力型NOX的產(chǎn)生。而快速型NOX產(chǎn)生量較少可忽略不計。

3　NOX控制技術(shù)

煤粉鍋爐降低NOX排放控制技術(shù)一般采用改變?nèi)紵龡l件的低NOX燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)。改變鍋爐燃燒條件的低NOX燃燒技術(shù)簡單易行，投資和運行費用較低，盡管降低NOX的幅度有一定限制，但是聯(lián)合脫硝技術(shù)的使用最終能達到國家規(guī)定的排放標準。結(jié)合川維廠自身實際，2014年4月使用哈爾濱工業(yè)大學立體分級低氮燃燒技術(shù)對9#爐進行了低氮燃燒器改造。鍋爐設(shè)計參數(shù)見表1。

表1　鍋爐設(shè)計參數(shù)

3.1 原燃燒器參數(shù)

鍋爐原燃燒器為百葉窗式燃燒器，假想切原直徑為Φ600mm，每角燃燒器共布置6層噴口，包括有2層一次風噴口，1層三次風噴口，3層二次風噴口（最下層布置有燃氣裝置），一次風裝置兩側(cè)布置有周界風噴口。改造前燃燒器的主要設(shè)計參數(shù)(B-MCR工況)為一次風溫147℃，一次風速28m/s；二次風溫330℃，二次風速42m/s；三次風溫60℃，三次風速50m/s。原燃燒器結(jié)構(gòu)型式欠妥，不利于抑制NOX生成。爐內(nèi)空氣分級燃燒效果不明顯，無法起到大幅降低NOX的目的，NOX排放濃度過高，額定工況下平均達到645.1mg/m3。

3.2 立體式低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒器降低燃料型和熱力型NOX形成是基于：

①在燃燒的前期階段最大量地釋放揮發(fā)份；

②造成一個最初的缺氧區(qū)域以抑制燃料氮轉(zhuǎn)化成NOX和熱力型NOX的生成；

③延遲燃料和空氣的混合，降低火焰溫度抑制熱力型NOX的生成；④后期延長富氧區(qū)的滯留時間（三次風）保證燃盡；⑤良好的煤粉細度有助于燃料氮更早地逸出和燃盡；

在實際中,將水平空氣分級燃燒技術(shù)、垂直空氣分級燃燒技術(shù)與水平燃料分級技術(shù)結(jié)合起來,形成立體分級低氮燃燒技術(shù)。在爐膛煙氣流動的主流方向上采取空氣分級燃燒技術(shù),增設(shè)若干層燃盡風噴口,使主燃燒區(qū)域形成缺氧燃燒狀態(tài),降低爐溫及NOX的生成量。在水平方向上,采取水平方向上高效分離技術(shù)對燃料進行水平方向上的分級,使得火焰外部形成氧化性氣氛,有效緩解了爐膛受熱面的結(jié)渣和高溫腐蝕問題,火焰內(nèi)部為高煤粉濃度的還原性氣氛,不僅降低了煤粉氣流的著火點,還有利于保證燃燒穩(wěn)定性,特別是在低負荷情況下燃燒的穩(wěn)定,而且還原性氣氛也有效抑制了燃料N向NO的轉(zhuǎn)變。

4　低氮燃燒器的運用

根據(jù)川維廠的原常燃用煤質(zhì)揮發(fā)份較高煤質(zhì)特性與燃燒系統(tǒng)設(shè)計特點，充分考慮燃燒器的煤質(zhì)適應(yīng)性進行了改造。改造后的燃燒器主要設(shè)計參數(shù)為一次風溫200℃，一次風速23.5m/s；二次風溫340℃，二次風速約45m/s；燃盡風溫340℃，燃盡風速約45m/s；三次風溫80℃，三次風速50～60m/s。

4.1 一次風燃燒器改造

將一次風燃燒器改為高濃縮比水平濃淡燃燒器，改造后一次風風速由原來26m/s～30m/s適當減低至23m/s，適用于燃用低揮發(fā)分劣質(zhì)煤種，改造后一次風率維持不變，保證原制粉系統(tǒng)的出力不變。在燃燒器濃一次風噴口內(nèi)加裝大尺寸水平波形鈍體和在濃一次風向火側(cè)出口壁面處加裝多個大尺寸穩(wěn)燃齒。鈍體和穩(wěn)燃齒起到卷吸高溫煙氣、強化擾動的作用，當煤粉氣流流經(jīng)鈍體后形成熾熱的高溫煙氣回流旋渦，在回流區(qū)邊緣，由于速度梯度大，煤粉濃度及燃燒溫度較高，具有極好的著火穩(wěn)燃條件，大幅度提高一次風煤粉氣流的出口火焰穩(wěn)定性。

同時在一次風噴口周圍加裝適當大小的周界風。在一次風噴口的背火側(cè)周界風噴口面積適當增加，形成較大出口動量的側(cè)二次風噴口，形成偏置型周界風噴口。側(cè)二次風的噴入有效避免水冷壁壁面形成還原性氣氛，起到在燃用高揮發(fā)份煤質(zhì)時，防止爐膛水冷壁結(jié)渣和高溫腐蝕的作用。此外，在一次風噴口四周均設(shè)有周界風，運行時利用各自獨立的風量控制擋板調(diào)整得到合適噴口周界冷卻風量，以便在煤質(zhì)較大幅度變化下，如變?yōu)閾]發(fā)分高的煙煤時，在噴口四周投運冷卻風保證充分風量冷卻噴口，以防止回火和高溫受熱變形或燒壞噴口。

4.2 主燃燒器區(qū)二次風噴口改造

主燃燒器區(qū)二次風噴口面積根據(jù)主燃燒器區(qū)有組織二次風減少的程度進行相應(yīng)縮小，保證出口的二次風風速達到較高風速（45m/s）。保證最下層較大二次風噴口面積，使其具有較大出口二次風動量，起到在最下層托粉的作用，減少爐膛底部的掉渣量和大渣的含碳量。一二次風切圓布置沒有改變，與原設(shè)計相同。

4.3 燃盡風改造

在主燃燒器上方布置一層共8只燃盡風噴口，整個燃盡風噴口在燃燒器區(qū)上部相同的水冷壁角部位置開出燃盡風安裝口，燃盡風量占總空氣量約為25%～30%，燃盡風噴口風速采用較高風速45m/s，所有燃盡風噴口均可以垂直和水平方向擺動，上下擺動±15°，水平方向上±10°左右擺動，可根據(jù)鍋爐運行狀況進行噴口角度的適當調(diào)整，可有效調(diào)節(jié)爐膛出口煙溫偏差，并保證過熱器管壁不出現(xiàn)超溫問題。各個燃盡風噴口的供風風道均由相對應(yīng)的各角主二次風道引出分別向燃盡風噴口供風，保證供風阻力小，運行中燃盡風噴口風量均由各自獨立的風門擋板及電動執(zhí)行器進行自動控制。主燃燒器區(qū)二次風噴口面積根據(jù)主燃燒器區(qū)有組織二次風減少的情況進行相應(yīng)縮小，爐內(nèi)燃燒器噴口布置如圖1。

圖1　燃盡風水平布置和噴口布置圖

5　改造效果

改造完成后，調(diào)試小組對9#爐低氮燃燒器在不同鍋爐負荷進行了性能調(diào)試，主要是保持下層燃盡風全部關(guān)閉，分別改變上層燃盡風開度進行測量。每個工況保證穩(wěn)定運行不低于兩個小時，變?nèi)急M風測試結(jié)果如下表2。

表2　變?nèi)急M風開度試驗測定結(jié)果

在進行低氮燃燒器改造后，通過對低氮燃燒器進行調(diào)試，由試驗結(jié)果可以看出：隨著燃盡風風門開度的增加，NOX排放量呈明顯遞減趨勢。燃盡風開度為60%時,NOX值降低為463mg/Nm3，比改造前NOX排放值降低顯著，脫硝效率達到28%。隨著爐膛出口氧量的降低，NOX排放量呈遞減趨勢，入爐總風量減小時，主燃燒器區(qū)域的供氧量減少，增加了主燃燒器區(qū)還原性氣氛，主燃燒器區(qū)形成富燃料燃燒，燃料型NOX的生成量隨之減少，NOX排放量下降。

6　結(jié)論

本次#9鍋爐燃燒器經(jīng)過低氮改造后，燃燒穩(wěn)定，煤粉燃燒器著火，脫硝入口的濃度平均在480㎎/Nm3，達到煙氣脫硝設(shè)計進口小于550㎎/Nm3要求，經(jīng)噴氨反應(yīng)后，脫硝出口NOX排放濃度平均在80㎎/Nm3以下，達到國家環(huán)保標準低于100mg/Nm3的要求，低氮燃燒器技術(shù)的可行性和有效性得到充分體現(xiàn)。

[1]李明.淺析火電低氮燃燒器的改造與應(yīng)用[J].科技風,2011(15).

[2]顧衛(wèi)榮,周明吉,馬薇.燃煤煙氣脫硝技術(shù)的研究進展[J].化工進展,2012(09)．

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.059