燃煤鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)優(yōu)化實驗研究及實踐

高慶明

（中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆克拉瑪依 834003）

0 引言

脫硝系統(tǒng)運行中影響NOx排放的因素有很多，其主要因素包括爐膛氧量、鍋爐負荷、煙氣在高溫區(qū)停留時間、燃盡風（SOFA）配風方式、二次風配風方式、制粉系統(tǒng)運行方式等。而控制NOx排放的關鍵是低氮燃燒技術，即以實驗為依據(jù)，通過燃燒優(yōu)化實驗研究，來確定最佳燃燒工況。

1 低氮燃燒優(yōu)化實驗方法

1.1 一次風熱態(tài)調平實驗研究及實踐

在冷態(tài)空氣動力場實驗數(shù)據(jù)的基礎上開展了一次風熱態(tài)調平實驗研究。表1 為在4 臺鍋爐32 個一次風擋板特性曲線實驗研究的基礎上，一次風擋板開度優(yōu)化推薦值，該工況下鍋爐運行穩(wěn)定、爐膛明亮，爐膛出口煙溫＜820 ℃，爐膛煙溫偏差＜50 ℃，排煙溫度均有不同程度的下降，煤氣混燃能力明顯增強，90%負荷、煤氣混燃工況下連續(xù)運行72 h，火嘴及附近水冷壁、高溫過熱器無結焦，汽溫、汽壓正常。

表1 4 臺鍋爐一次風擋板優(yōu)化運行參數(shù) %

1.2 定負荷變氧量實驗研究及實踐

過量空氣系數(shù)的調整與控制是降低NOx排放濃度的有效措施之一，低氧燃燒能降低爐內燃燒溫度，抑制并還原NOx進而降低NOx排放。但從燃燒角度考慮，增加氧量有利于飛灰燃盡，降低固體不完全燃燒熱損失、提高鍋爐熱效率，因此存在優(yōu)化問題。在80%鍋爐負荷、下層SOFA 擋板全開、上層SOFA 擋板開50%、擺角保持不變工況下，通過實驗分析運行氧量對鍋爐各項熱損失、熱效率及NOx排放濃度的影響見表2、如圖1 所示：氧量在2.8%～5.1%，NOx排放濃度、q2隨著運行氧量增加明顯增加，q4隨著運行氧量增加而減??；當運行氧量增加至5.1%以上時，NOx排放濃度明顯升高，達到526 mg/m3，鍋爐熱效率因q2+q4升高而開始下降；80%負荷（104 t/h）下散熱損失q5可計為1.2%，由于其他熱損失相對很小，熱效率η 可按1-q2-q4-q5計。實驗研究建議4 臺鍋爐運行氧量控制在3.0%～4.5%，即可保證鍋爐NOx排放達標，又能保證鍋爐在較高運行效率下減輕水冷壁結焦。

表2 定負荷、變氧量對NOx、q2、q4 的影響關系

圖1 80%負荷下氧量與NOx 濃度及鍋爐熱效率關系

1.3 二次風配風方式實驗研究及實踐

通過優(yōu)化二次風擋板開度可調節(jié)爐膛沿高度方向的風粉比例，控制火焰中心位置，從而影響爐膛出口煙溫、NOx排放濃度、灰渣可燃物含量、排煙溫度。實驗在80%鍋爐負荷、下層SOFA擋板全開、上層SOFA 擋板開50%、擺角保持不變工況下，實驗不同配風方式對NOx排放濃度和熱效率影響，如圖2 所示：倒寶塔、縮腰、均等配風方式下NOx排放濃度分別為481 mg/m3、419 mg/m3、382 mg/m3，倒寶塔、縮腰配風方式的效果好于均等配風，但下降幅度不大。

圖2 3 種配風方式對NOx 排放及η 的影響

這是因為倒寶塔、縮腰中下層二次風擋板開度較小，過量空氣系數(shù)較小，還原性氣氛更好，致使主燃區(qū)生成的NOx更少。但由于燃燒系統(tǒng)改造，新增的燃盡風已分去總風量的30%，倒寶塔、縮腰配風方式又進一步減少了主燃區(qū)的風量，致使火焰中心下移、渣斗明顯回火、燃料不完全燃燒熱損失明顯增加。均等、縮腰、倒寶塔三種配風方式下熱效率分別為91.44%、90.82%、90.57%，均等配風方式下分別比縮腰、倒寶塔配風方式高0.62%、0.87%。由于NOx排放濃度還可以通過調整SOFA 風量來控制，從鍋爐安全、經濟運行的角度綜合考慮，推薦均等配風方式，二次風擋板推薦優(yōu)化參數(shù)見表3。

表3 二次風擋板開度推薦運行參數(shù) %

1.4 SOFA 配風方式實驗研究及實踐

燃盡風是鍋爐在豎直方向上分級燃燒的重要體現(xiàn)，燃盡風引自熱二次風母管，其風量占總風量的30%。投用燃盡風的目的在于使得主燃燒區(qū)未燃盡的煤粉進一步燃燒，有效改善結焦并控制NOx排放，同時下層燃盡風風室反向切圓的設計來抵消主燃燒區(qū)的旋轉動量矩，從而減少爐膛出口煙溫偏差。另外燃盡風的擋板開度調節(jié)可以一定程度的控制火焰中心的位置，進而影響主汽溫度變化。

為掌握SOFA 風對NOx排放濃度影響，首先進行SOFA 擋板特性曲線實驗。在鍋爐80%負荷工況下，保持入爐風量不變，上層SOFA 擋板開度0%，下層SOFA 擋板開度分別在25%、50%、75%、100%工況下對SCR 入口NOx濃度（LSOFA 擋板特性）、η 的影響如圖3 所示；下層SOFA 擋板開度0%，上層SOFA擋板開度分別在25%、50%、75%、100%工況下對SCR 入口NOx濃度（HSOFA 擋板特性）、η 的影響如圖4 所示。

由圖3、圖4 可見，在80%負荷、對應入爐風量保持不變工況下，隨著SOFA 擋板開度增加，NOx排放濃度均呈下降趨勢（折算到O2=6%，下同），且下層燃盡風對NOx明顯優(yōu)于上層燃盡風，單獨下層燃盡風全開時最低降至289 mg/m3?？梢?，通過控制SOFA 擋板開度，可以將SCR 入口NOx控制在較低范圍內，減少SCR 噴氨量、延長催化劑使用壽命。爐膛出口溫度在低負荷時因總煙氣量較小隨著HSOFA 擋板開度增大呈略下降趨勢，因此為確保主汽溫度在安全范圍內并不是NOx降至越低越好，燃盡風優(yōu)化運行參數(shù)見表4。

圖3 80%負荷HSOF 關、LSOFA 不同開度對SCR 入口NOx 排放濃度、η 的影響

圖4 80%負荷LSOFA 關、HSOFA 不同開度對SCR 入口NOx 排放濃度、η 的影響

表4 燃盡風優(yōu)化運行參數(shù) %

2 總結

低氮燃燒優(yōu)化實驗研究及實踐總結如下：①1#、2#、3#、4#鍋爐一次風擋板特性實驗研究及實踐優(yōu)化參數(shù)見表1；②變氧量實驗研究及實踐建議4 臺鍋爐運行氧量控制在3.0%～4.5%，即可保證鍋爐NOx排放達標，又能保證鍋爐在較高運行效率下減輕水冷壁結焦；③二次風配風方式實驗研究及實踐優(yōu)化運行參數(shù)見表3；④SOFA 配風方式實驗研究及實踐優(yōu)化運行參數(shù)見表4。

綜上實驗所述，以80%額定負荷為例，低氮燃燒實驗研究及實踐結果有效指導了生產，降低了SCR 入口NOx排放濃度、延長了催化劑的使用壽命，提高了鍋爐機組運行平穩(wěn)率。