低氮燃燒技術(shù)在煤粉工業(yè)鍋爐上的應(yīng)用

程 曉 磊

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013;2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013;3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐約47萬(wàn)臺(tái)，消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約4億t/a，占全國(guó)煤炭消耗量的25%[1-2]。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，燃煤工業(yè)鍋爐NOx等污染物的防治工作越來(lái)越重要[3]。受限于鍋爐噸位、時(shí)間空間尺度，煤粉工業(yè)鍋爐的低氮燃燒比電站鍋爐更困難。根據(jù)NOx生成機(jī)理，燃煤過(guò)程主要控制熱力型NOx和燃料型NOx。主要通過(guò)控制燃燒溫度實(shí)現(xiàn)抑制熱力型NOx生成，抑制燃料型NOx常用的低氮燃燒技術(shù)有空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒、濃淡偏差燃燒、煙氣再循環(huán)、低氮燃燒器等[4-5]。低氮燃燒技術(shù)中，適用于煤粉工業(yè)鍋爐的主要是低氮燃燒器和空氣分級(jí)技術(shù)?？諝夥旨?jí)技術(shù)的主要原理是:燃燒過(guò)程中空氣分還原區(qū)和燃盡區(qū)進(jìn)入鍋爐，燃料在缺氧富燃料狀態(tài)下形成還原區(qū)，生成的CO、HCN和NH3等還原性物質(zhì)可與NO發(fā)生反應(yīng)，抑制燃料型NOx的生成;燃盡區(qū)主要完成煤粉的燃盡過(guò)程，NOx生成量較低。邵偉濤等[6]分析了電站鍋爐空氣分級(jí)技術(shù)降低NOx排放的機(jī)理，分析了主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)、煙氣停留時(shí)間、溫度、煤種及煤粉粒徑等對(duì)低氮效果的影響。李鵬翔[7]研究主燃燒區(qū)域氧含量、燃盡風(fēng)占比及分配比例、燃盡風(fēng)位置、還原區(qū)停留時(shí)間等的影響，在電廠(chǎng)上驗(yàn)證了深度切向分級(jí)配風(fēng)的低氮效果。周曉彬[8]在中小型煤粉鍋爐上應(yīng)用空氣分級(jí)低氮燃燒技術(shù)，NOx排放量最低降至387 mg/m3。孫保民等[9]、李慧[10]等則主要是從反應(yīng)機(jī)理上研究空氣分級(jí)的低氮燃燒效果。低氮燃燒器[11-12]主要通過(guò)合理組織燃燒器內(nèi)流場(chǎng)，保證燃燒器的還原性氣氛來(lái)實(shí)現(xiàn)低氮燃燒。煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“煤科院”)設(shè)計(jì)的中心逆噴雙錐燃燒器[13-14]在煤粉工業(yè)鍋爐領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，燃燒器內(nèi)燃燒組織較好，配合有效的空氣分級(jí)配風(fēng)可實(shí)現(xiàn)較低的NOx排放。目前，空氣分級(jí)和低氮燃燒器相關(guān)低氮燃燒技術(shù)在大型電站鍋爐上的應(yīng)用較多，在中小型煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)上的應(yīng)用還停留在數(shù)值模擬和理論研究上，實(shí)例相對(duì)較少。

本文基于雙錐低氮燃燒器和空氣分級(jí)的基本理論，在40 t/h的煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)上進(jìn)行了空氣分級(jí)低氮燃燒試驗(yàn)，分析了鍋爐負(fù)荷、三次風(fēng)配風(fēng)比例、三次風(fēng)配風(fēng)方式等對(duì)低氮燃燒的影響，為煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的低氮燃燒提供數(shù)據(jù)支持。

1 鍋爐基本情況

1.1 鍋爐主要參數(shù)

低氮燃燒試驗(yàn)在河北某40 t/h低壓過(guò)熱蒸汽煤粉工業(yè)鍋爐上進(jìn)行。過(guò)熱蒸汽參數(shù)為1.6 MPa、245 ℃;鍋爐為單鍋筒橫置式立式水管鍋爐，水循環(huán)為自然循環(huán)，固態(tài)排渣，爐膛為全膜式壁結(jié)構(gòu)，二回程煙道設(shè)置鰭式受熱面，水平煙道布置過(guò)熱器，尾部設(shè)省煤器;燃燒器頂置，火焰向下噴射，煙氣在爐膛底部經(jīng)轉(zhuǎn)彎煙室折向二回程向上。脫硝采用SCR技術(shù)，脫硫采用雙堿法脫硫。主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，鍋爐運(yùn)行中的實(shí)際燃用煤工業(yè)及元素分析見(jiàn)表2。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of the boiler

表2 燃用煤的工業(yè)分析和元素分析Table 2 Proximate and ultimate analysis of utilized coal sample %

1.2 燃燒器

采用煤科院開(kāi)發(fā)的29 MW中心逆噴雙錐燃燒器，燃燒器布置在爐膛頂部，火焰由上向下進(jìn)入爐膛，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該燃燒器為預(yù)燃室燃燒器，體積小，依靠良好的流場(chǎng)組織形成回流區(qū)，回流區(qū)內(nèi)煤粉快速升溫，形成高溫空氣燃燒，為低氮燃燒創(chuàng)造了有利條件。結(jié)合濃相送粉技術(shù)，燃燒器同時(shí)具備迅速點(diǎn)火、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬和低氮燃燒的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 中心逆噴雙錐燃燒器Fig.1 Double cone combustor with center reverse spraying

1.3 空氣分級(jí)配風(fēng)方式

鍋爐三次風(fēng)配置了獨(dú)立風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為12 000 m3/h。爐膛側(cè)壁布置了2層三次風(fēng)噴口，上、下層分別距爐頂中心線(xiàn)距離為4.25、5.50 m。每層4個(gè)三次風(fēng)噴口，鍋爐的左墻和右墻分別布置2個(gè)，2個(gè)噴口距前墻和后墻內(nèi)壁為0.5 m。三次風(fēng)噴口直徑為120 mm，三次風(fēng)設(shè)計(jì)氣速為50 m/s。每層4個(gè)三次風(fēng)噴口方向相交于爐膛中心，三次風(fēng)水平截面如圖2所示。

圖2 三次風(fēng)布置方式Fig.2 Layout of air staging construction

2 低氮燃燒試驗(yàn)結(jié)果及分析

低氮燃燒試驗(yàn)考察了鍋爐負(fù)荷、氧含量、三次風(fēng)配風(fēng)比例、三次風(fēng)配風(fēng)方式等對(duì)鍋爐初始排放的影響，以及低氮燃燒調(diào)整對(duì)鍋爐燃燒效率的影響。

2.1 基礎(chǔ)工況及調(diào)整

為了解鍋爐運(yùn)行的基本情況，研究了鍋爐在不同鍋爐負(fù)荷條件下的NOx初始排放情況，見(jiàn)表3。未開(kāi)啟三次風(fēng)時(shí)，NOx初始排放隨鍋爐負(fù)荷升高逐漸增大;鍋爐負(fù)荷在25、30、40 t/h時(shí)，初始NOx排放質(zhì)量濃度分別為475、632、695 mg/m3;高負(fù)荷NOx初始排放升高與燃燒器和爐膛內(nèi)溫度升高、熱力型NOx生成量增加有關(guān)。同時(shí)燃燒溫度升高，燃燒器內(nèi)煤粉燃燒進(jìn)行程度增大，燃料型NOx在燃燒初期釋放較多，而此時(shí)燃燒器內(nèi)空氣過(guò)量，燃燒處于強(qiáng)氧化氣氛，燃料型NOx生成量增加。

未開(kāi)啟三次風(fēng)時(shí)，研究了低過(guò)量空氣系數(shù)調(diào)整對(duì)NOx初始排放的影響。在30 t/h負(fù)荷下，氧含量降低后，爐膛整體溫度均上升，排煙溫度提高，NOx初始排放質(zhì)量濃度降低。氧含量由4.5%降至3.3%時(shí)，NOx質(zhì)量濃度由632 mg/m3降至544 mg/m3，降幅約15%。

表3 不同鍋爐負(fù)荷下的NOx排放Table 3 NOx emission of different boiler loads

2.2 三次風(fēng)配風(fēng)比例的影響

電站鍋爐的大量實(shí)例驗(yàn)證了空氣分級(jí)的低氮效果，NOx初始排放降低比例在20%～50%。試驗(yàn)時(shí)保持鍋爐總過(guò)量空氣系數(shù)不變(一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、三次風(fēng)總量不變)，通過(guò)調(diào)整二次風(fēng)和三次風(fēng)比例研究空氣分級(jí)的低氮效果。為保證鍋爐運(yùn)行效率不受影響，試驗(yàn)過(guò)程中保證煙氣中CO含量≤100×10-6。結(jié)果表明，隨著三次風(fēng)量增加，鍋爐NOx初始排放質(zhì)量濃度降低明顯，且下降趨勢(shì)越來(lái)越快，驗(yàn)證了空氣分級(jí)配風(fēng)的低氮效果;隨著三次風(fēng)量逐漸提高，煙氣中CO含量升高，但仍在排放要求范圍內(nèi)。

極限工況下，一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)量分別為2 000、12 000、11 000 m3/h時(shí)，三次風(fēng)配風(fēng)比例約為45%，NOx初始排放量最低(175 mg/m3)，CO含量為72×10-6。此工況下鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，比未分級(jí)工況爐膛負(fù)壓波動(dòng)減少，排煙溫度基本不變。

NOx降低趨勢(shì)與CO上升趨勢(shì)基本一致，如圖3所示。在三次風(fēng)量為8 000 m3/h(配風(fēng)比例約30%)時(shí)，NOx排放濃度約為400 mg/m3。三次風(fēng)量繼續(xù)增加，NOx下降幅度和CO上升幅度增大。

圖3 30 t/h工況下分級(jí)配風(fēng)對(duì)NOx初始排放濃度和CO生成量的影響Fig.3 Effect of air-staging on original NOx and CO emission on the condition of 30 t/h

通過(guò)鍋爐在40 t/h工況下的空氣分級(jí)試驗(yàn)考察鍋爐高負(fù)荷下的低氮燃燒效果(圖4)。調(diào)試時(shí)NOx排放的整體趨勢(shì)與30 t/h工況基本一致，NOx排放水平略高于30 t/h工況。未分級(jí)配風(fēng)時(shí)NOx初始排放質(zhì)量濃度為695 mg/m3;分級(jí)配風(fēng)的極限工況下NOx排放質(zhì)量濃度為195 mg/m3，此時(shí)三次風(fēng)配風(fēng)量為11 000 m3/h，三次風(fēng)比例接近40%。

雙錐低氮燃燒器可完成煤粉燃燒進(jìn)程約60%，未分級(jí)配風(fēng)和分級(jí)配風(fēng)比例較低時(shí)，燃燒器內(nèi)的燃燒過(guò)程仍處于氧化氣氛，低氮效果較差;當(dāng)分級(jí)配風(fēng)比例較高時(shí)，燃燒器內(nèi)燃燒處于還原性氣氛，可降低燃燒器內(nèi)產(chǎn)生的NOx;同時(shí)燃燒器內(nèi)燃燒進(jìn)程較高，爐膛內(nèi)燃燒過(guò)程僅有少量燃料型NOx生成。

圖4 40 t/h工況下分級(jí)配風(fēng)對(duì)鍋爐NOx初始排放濃度和CO生成量的影響Fig.4 Effect of air-staging on original NOx and CO emission on the condition of 40 t/h

2.3 三次風(fēng)配風(fēng)方式的影響

鍋爐在爐膛中部設(shè)置了2層三次風(fēng)噴口(8個(gè))，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比不同配風(fēng)方式對(duì)鍋爐NOx初始排放的影響。配風(fēng)方式為:上層三次風(fēng)、下層三次風(fēng)、2層三次風(fēng)和交叉三次風(fēng)。采用交叉三次風(fēng)時(shí)開(kāi)啟上層后墻三次風(fēng)和下層前墻三次風(fēng)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同配風(fēng)方式對(duì)NOx排放的影響Table 4 Effect of air-staging mode on original NOx emission

由表4可知，采用下層三次風(fēng)時(shí)鍋爐初始排放最低。原因是下層三次風(fēng)配風(fēng)，爐膛內(nèi)還原區(qū)增加，有利于抑制NOx生成。2層三次風(fēng)同時(shí)開(kāi)啟時(shí)低氮效果最差，原因可能是同時(shí)開(kāi)啟2層三次風(fēng)時(shí)，噴口風(fēng)速不足，無(wú)法與主要燃燒區(qū)域混合，不能降低NOx排放。

2.4 分級(jí)配風(fēng)對(duì)鍋爐燃燒效率的影響

采用分級(jí)配風(fēng)以后，可能會(huì)影響排煙熱損失、固體未完全燃燒熱損失。分級(jí)配風(fēng)會(huì)改變爐膛內(nèi)溫度分布，導(dǎo)致排煙溫度變化，進(jìn)而影響排煙熱損失和鍋爐燃燒效率;分級(jí)配風(fēng)對(duì)煤粉燃盡的影響，影響飛灰和爐渣中含碳量，進(jìn)而影響固體未完全燃燒熱損失和鍋爐燃燒效率。

分級(jí)配風(fēng)試驗(yàn)中，鍋爐的排煙溫度比較穩(wěn)定，最高與最低溫度差<3 ℃。合適的空氣分級(jí)條件下，鍋爐排煙溫度反而有所降低。計(jì)算結(jié)果表明，分級(jí)配風(fēng)通過(guò)排煙熱損失影響鍋爐的熱效率在±0.2%。

分級(jí)配風(fēng)試驗(yàn)中對(duì)比了未分級(jí)燃燒和空氣分級(jí)工況下的飛灰和爐渣情況(表5)。結(jié)果表明，采用分級(jí)配風(fēng)后，對(duì)煤粉的燃盡有一定影響，飛灰中含碳量增加。未分級(jí)時(shí)飛灰熱損失為0.39%，分級(jí)混合工況下飛灰熱損失為0.87%，降低鍋爐整體熱效率0.48%。未分級(jí)工況爐底出渣量為15 kg/h，分級(jí)工況爐底出渣量為45 kg/h，正常工況爐渣熱損失為0.33%，分級(jí)工況爐渣熱損失約0.98%，采用分級(jí)配風(fēng)降低鍋爐總效率0.62%。

表5 空氣分級(jí)對(duì)燃燒效率的影響Table 5 Effect of air-staging on combustion efficiency %

注:飛灰與灰渣的測(cè)試基準(zhǔn)為空氣干燥基。

考慮極端空氣分級(jí)配風(fēng)情況下，鍋爐熱效率可能會(huì)降低約1%;正?？諝夥旨?jí)配風(fēng)情況下，鍋爐熱效率可能降低約0.5%。因此，鍋爐的運(yùn)行可在熱效率和脫硝成本間選擇較優(yōu)化的方案，以降低成本。以30 t/h工況下分級(jí)配風(fēng)量35%為例，鍋爐初始NOx排放質(zhì)量濃度由650 mg/m3降至350 mg/m3，鍋爐燃燒效率降低0.5%，氨水濃度20%，可節(jié)省氨水用量55 kg/h;鍋爐30 t/h負(fù)荷煤粉消耗量增加16 kg/h，鍋爐運(yùn)行成本可降低31元/h(氨水和煤粉單價(jià)分別按1 000、1 500元/t)。

3 結(jié) 論

1)鍋爐負(fù)荷較高時(shí)NOx初始排放質(zhì)量濃度升高，低氧配風(fēng)燃燒方式的低氮效率可達(dá)15%。

2)空氣分級(jí)配風(fēng)能夠降低鍋爐NOx初始排放質(zhì)量濃度，三次風(fēng)配風(fēng)比例達(dá)45%時(shí)，NOx排放濃度小于175 mg/m3，同時(shí)CO含量小于72×10-6。

3)空氣分級(jí)時(shí)應(yīng)保證三次風(fēng)風(fēng)速能夠與中心火焰接觸，來(lái)提高空氣分級(jí)的效果。

4)合理的三次風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)鍋爐熱效率的影響小于0.5%。