劉尚偉

摘 要：介紹了氮氧化物NOx形成機(jī)理及低揮發(fā)份燃料的濃縮型 EI-XCL 低 NOx 雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器燃燒系統(tǒng)改造為低氮燃燒系統(tǒng)技術(shù)。探討了低NOx 燃燒器改造后鍋爐的優(yōu)化控制以及對鍋爐經(jīng)濟(jì)性的影響。運(yùn)行氧量降低能夠有效降低NOx 的生成，然而卻會導(dǎo)致飛灰含碳量的增加。同樣地，加大燃盡風(fēng)量也 能減少 NOx，但飛灰含緩量也會相應(yīng)增加。在不同的煤質(zhì)、機(jī)組負(fù)荷、磨煤機(jī)組合的情況下，NOx 的排放也會有所區(qū)別。本文可為國內(nèi)燃煤鍋爐低NOx燃燒系統(tǒng)的改造及優(yōu)化運(yùn)行提供借鑒。

Abstract] the formation mechanism of nitrogen oxide NOx and the transformation of low NOx double wind swirling combustor with low volatile EI-XCL and low volatile fuel are introduced to low nitrogen combustion system.The optimal control of boiler after retrofitting of low NOx burner and its influence on boiler economy are discussed.The reduction of oxygen content can effectively reduce the formation of NOx，but it will lead to the increase of carbon content in fly ash.Similarly，increasing the amount of burned air can also reduce NOx，but the amount of fly ash will increase correspondingly.Under different coal quality，unit load and coal mill combination，NOx emissions will also be different.This paper can provide reference for the retrofit and optimal operation of low NOx combustion system for coal-fired boilers in China.

關(guān)鍵詞：低氮燃燒；NOX 調(diào)整

一、前言

近年來，為響應(yīng)國家“十二五”對火電行業(yè)的 NOx 排放控制要求，各電廠積極行動，對現(xiàn)有火電機(jī)組進(jìn)行環(huán)保設(shè)備改造，以滿足環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。對W型火焰機(jī)組，通常采用爐內(nèi)低氧分級燃燒降低爐膛溫度，實行煤粉分級燃燒，但爐膛低溫燃燒勢必會對煤粉燃燒效率產(chǎn)生影響，增加飛灰含碳量，本文以典型燃燒器改造為例，分析鍋爐改造為低氮燃燒器后的飛灰控制，采取有效措施減少低氮燃燒系統(tǒng)改造對鍋爐效率的影響。

本文首先介紹了中煤晉城熱電有限公司2 臺 300 MW 機(jī)組進(jìn)行低氮NOx 燃燒系統(tǒng)改造的情況。在摸索運(yùn)行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上提出了低氮NOx 燃燒工況下的鍋爐優(yōu)化控制與調(diào)整方法，再請專業(yè)實驗機(jī)構(gòu)檢測，調(diào)整效果達(dá)到機(jī)組效率設(shè)計值。在合理降低 NOx 排放的 同時盡可能地保證鍋爐的經(jīng)濟(jì)性，可為國內(nèi)燃煤 鍋爐低 NOx 燃燒系統(tǒng)改造及優(yōu)化運(yùn)行提供借鑒。

二、低 NOx 燃燒技術(shù)

1、NOx 生成機(jī)理

NOx 的生成機(jī)理共有三種類型的NOx。一是燃料型，即燃料中的氮化合物在燃燒 過程中熱分解之后又氧化而形成的NOx占總量的80%-90%，這部分 NOx 的量主要取決于空氣燃料混合比（空氣與燃料比），而較少依賴于反應(yīng)溫度。二是熱力型，即空氣中的氮氣在高溫下氧化生成的NOx，占總量的 10%-20%，其最為敏感 的影響因素是溫度，當(dāng)溫度高于 1500 ℃時隨著溫度的提高，熱力型NOx 會急劇增加。二是快速型，即燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳?xì)湓訄F(tuán)反 應(yīng)而形成的NOx，其所占比例很小，一 般不予考慮。低 NOx 燃燒器改造的主要思路為控制燃料型及熱力型NOx的生戚，基于NOx 的生成特點，主要就是控制爐內(nèi)局部區(qū)域的空燃比（省煤器出口氧量）和爐內(nèi)燃燒的最高溫度。

中煤晉城熱電鍋爐燃燒系統(tǒng)設(shè)備情況

1、機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)（見表1-1）

2、鍋爐燃燒系統(tǒng)介紹

鍋爐燃燒系統(tǒng)由濃縮型EI-XCL燃燒器、乏氣管、分級風(fēng)管、開式風(fēng)箱（燃燒器二次風(fēng)和分級風(fēng)風(fēng)箱）、高能點火器、點火油槍、火焰檢測器等組成。

鍋爐設(shè)計和校核煤種均為低揮發(fā)份無煙煤，其主要特點是著火溫度高、燃燒穩(wěn)定性差、燃燼率差、結(jié)渣性強(qiáng)。對無煙煤而言，解決著火的主要措施是提高一次風(fēng)粉混合物的煤粉濃度、提高煤粉氣流溫度、將高溫?zé)煔饣亓髦林饏^(qū)、采用衛(wèi)燃帶增強(qiáng)著火區(qū)輻射熱量；而解決燃盡的主要措施是減小煤粉細(xì)度、提高燃燒區(qū)溫度、增加煤粉在燃燒區(qū)的停留時間、分級送入二次風(fēng)、適量增大過量空氣系數(shù)。

該燃燒器的主要特點是可以獲得更高的煤粉濃度和分級送風(fēng)。

燃燒器布置在爐膛的前后拱上，并垂直于前后拱，前拱一排，后拱一排，每排各有8只燃燒器，每臺鍋爐共有16只燃燒器，其中8只燃燒器的二次風(fēng)順時針方向旋轉(zhuǎn)，另8只逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

來自磨煤機(jī)的一次風(fēng)煤粉氣流在經(jīng)過濃縮型EI—XCL燃燒器彎頭前，先通過一段偏心異徑管加速，大多數(shù)煤粉由于離心力作用沿彎頭外側(cè)內(nèi)壁流動，在氣流進(jìn)入一次風(fēng)濃縮裝置之后，使50%的一次風(fēng)和10%～15%煤粉分離出來，經(jīng)乏氣管垂直向下引到乏氣噴口直接噴入爐膛燃燒，其余的50%一次風(fēng)和85%～90%的煤粉由燃燒器一次風(fēng)噴口噴入爐內(nèi)燃燒。本工程煤粉細(xì)度R90=8%，濃縮后一次風(fēng)的煤粉濃度提高到1.0～1.1Kg煤粉/Kg空氣，從而降低了煤粉著火所需的吸熱量，有利于煤粉的著火與穩(wěn)燃；旋流引入的內(nèi)外二次風(fēng)可及時卷吸高溫?zé)釤煔獠⑦m時補(bǔ)充燃燒所需的空氣，有利于煤粉的著火與燃燼。燃燒所需空氣除了從拱上通過燃燒器內(nèi)、外二次風(fēng)套筒引入爐膛外，在下爐膛前后墻適當(dāng)位置也布置了分級風(fēng)，采用風(fēng)墻的形式引入爐膛，形成了水冷壁四周的富氧氣氛。分級風(fēng)的控制與燃燒器的投入和停運(yùn)相關(guān)聯(lián)。實現(xiàn)分級燃燒，既可有效地抑制NOx的生成，也能防止水冷壁的結(jié)焦?jié)饪s型EI-XCL燃燒器上配有雙層強(qiáng)化著火的軸向調(diào)風(fēng)機(jī)構(gòu)，從風(fēng)箱來的二次風(fēng)分兩股分別進(jìn)入到內(nèi)層和外層調(diào)風(fēng)器，內(nèi)層二次風(fēng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流可卷吸高溫?zé)煔庖济悍?，外層二次風(fēng)用來補(bǔ)充煤粉進(jìn)一步燃燒所需的空氣，使之完全燃燒。內(nèi)、外層二次風(fēng)的旋轉(zhuǎn)方向是一致的，旋流強(qiáng)度可以通過調(diào)整軸向葉片的設(shè)置角度而改變。旋轉(zhuǎn)氣流能將爐膛內(nèi)的高溫?zé)煔饩砦矫悍壑饏^(qū)，點燃煤粉并使之穩(wěn)定燃燒。同時，可以利用調(diào)整軸向葉片的設(shè)置角度來改變旋流強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)煤粉氣流的下沖能力，充分而有效地利用下爐膛的空間，使煤粉進(jìn)行有效的燃燒。采用這種分級送風(fēng)的方式，不僅有利于煤粉的著火和穩(wěn)燃，增強(qiáng)燃燒器對煤質(zhì)變化的適應(yīng)能力，同時也有利于控制火焰中NOx的生成。

在燃燒器調(diào)風(fēng)器入口設(shè)有二次風(fēng)調(diào)風(fēng)套筒，控制調(diào)風(fēng)套筒的位置（即開度）可以控制進(jìn)入單個燃燒器的二次風(fēng)總量。

三、改造情況

1、加裝直流縫隙式燃盡風(fēng)裝置

在上爐膛前后墻豎直段增加水平直流縫隙式燃盡風(fēng)噴口，相應(yīng)位置水冷壁進(jìn)行改動。燃盡風(fēng)風(fēng)率設(shè)計為20%。燃盡風(fēng)噴口沿爐膛寬度方向劃分為十組，在原有二次風(fēng)風(fēng)箱上部，拱上水冷壁垂直段加裝燃盡風(fēng)分風(fēng)箱，從主風(fēng)道中引出燃盡風(fēng)風(fēng)道，為其供風(fēng)，由分風(fēng)箱向下引小風(fēng)道，為十組小風(fēng)室供風(fēng)，每組燃盡風(fēng)小風(fēng)室設(shè)置手動調(diào)節(jié)風(fēng)門，實現(xiàn)不同區(qū)域燃盡風(fēng)風(fēng)量的靈活調(diào)節(jié)，充分保證爐膛寬度方向的均勻供風(fēng)。

2、拱上燃燒器改造

燃燒器一次風(fēng)率、乏氣風(fēng)率不變，燃盡風(fēng)風(fēng)率設(shè)計為20%。改造后燃燒器二次風(fēng)量減少，一次風(fēng)量不變，導(dǎo)致噴口處一次風(fēng)與內(nèi)、外二次風(fēng)動量比發(fā)生變化，改造通過利舊原有一次風(fēng)管、一次風(fēng)彎頭及乏氣風(fēng)管、噴口，在內(nèi)二次風(fēng)及外二次風(fēng)噴口處加裝檔環(huán)，縮小25%的內(nèi)、外二次風(fēng)通流面積，從而達(dá)到改造前噴口處風(fēng)速配比，在保證下射深度的同時，使煤粉能夠較充分的燃燒。燃燒器二次風(fēng)量減少后，主燃區(qū)煤粉在貧氧和還原性氣氛下燃燒，效控制燃料型NOx的形成。

3、爐膛短吹改造

為方便加裝拱上燃盡風(fēng)風(fēng)箱，取消位于前、后墻拱上二次風(fēng)箱位置的吹灰器，位于兩側(cè)墻的吹灰器移位（30000mm），下下移動1200mm，原位置水冷壁進(jìn)行封堵。改造后在拱上垂直段加裝燃盡風(fēng)噴口，對此區(qū)域積灰及結(jié)焦有預(yù)防作用，不會因為取消吹灰器而造成此區(qū)域積灰或結(jié)焦。

4、衛(wèi)燃帶優(yōu)化改造

此次改造將側(cè)墻衛(wèi)燃帶采用隔離塊的方式進(jìn)行布置，避免形成大塊結(jié)焦。把原衛(wèi)燃帶拆成品字型結(jié)構(gòu)，單塊尺寸1680x1680（mm），單側(cè)墻拆7塊，兩側(cè)墻共14塊，總面積39.5平方米。

四、改造結(jié)果

#1機(jī)組：270mw負(fù)荷工況下，省煤器出口氧量3.23%，飛灰可燃物含量9.6%，排煙溫度149℃，鍋爐熱效率91.24%，省煤器出口A/B兩側(cè)氮氧化物含量均值775mg/m?，省煤器出口A/B兩側(cè)一氧化碳含量控制在60ppm左右。

#2機(jī)組：270mw負(fù)荷工況下，省煤器出口氧量3.27%，飛灰可燃物含量8.79%，排煙溫度146℃，鍋爐熱效率91.22%，省煤器出口A/B兩側(cè)氮氧化物含量均值770mg/m?，省煤器出口A/B兩側(cè)一氧化碳含量控制在35ppm左右。

五、改造后優(yōu)化調(diào)整

機(jī)組改造后運(yùn)行鍋爐運(yùn)行與之前有較大區(qū)別，雖未出現(xiàn)因爐膛溫度低導(dǎo)致燃燒波動甚至滅火現(xiàn)象，但低負(fù)荷時火焰明顯較之前暗淡很多，二次風(fēng)與燃盡風(fēng)開度分別為70%和50%，脫銷出口口NOx在500-600ppm。在機(jī)組增減符合過程中未進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，低負(fù)荷時爐內(nèi)溫度1200℃左右，高負(fù)荷時爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定，火焰顏色較為光亮，爐內(nèi)溫度1400℃左右。脫銷SCR系統(tǒng)入口NOX均在800ppm以下。

運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整主要從以下兩個方面著手：一是保持爐膛溫度，從而保證鍋爐燃燒穩(wěn)定；二是合理調(diào)整燃燒器一、二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，控制煤粉著火過程，保證脫銷反應(yīng)器。

1、保證爐膛溫度、從而保證鍋爐燃燒穩(wěn)定

由于低氮燃燒改造在二次風(fēng)箱上引出燃盡風(fēng)，勢必降低二次封箱壓力使?fàn)t膛燃燒處于欠氧燃燒，爐膛未然帶部分拆除使水冷壁吸熱增強(qiáng)，爐膛溫度降低。兩個條件雖然使熱力性氮氧化物NOX生成受限，但在鍋爐低負(fù)荷時極易引起鍋爐燃燒惡化甚至滅火。從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度考慮，鍋爐燃燒條件惡化會使鍋爐不完全燃燒損失q3、q4增加，影響鍋爐鍋爐效率。所以在低負(fù)荷期間在保證氮氧化物NOx排放部超標(biāo)的情況下努力提高爐膛溫度，改善爐內(nèi)燃燒條件是低負(fù)荷安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要條件。通常采用調(diào)整關(guān)小鍋爐燃盡風(fēng)，開大二次風(fēng)使?fàn)t內(nèi)燃燒處于富氧燃燒狀態(tài)。根據(jù)試驗，機(jī)組負(fù)荷與配風(fēng)調(diào)整關(guān)系如表1-2

由上表可看出，隨著機(jī)組負(fù)荷降低，調(diào)整鍋爐燃盡風(fēng)與二次風(fēng)風(fēng)門開度，鍋爐爐膛溫度由1350℃降低1230℃，滿足機(jī)組穩(wěn)定燃燒條件。

2、合理調(diào)整燃燒器一、二次風(fēng)旋流強(qiáng)度

晉城熱電采用濃縮型EI-XCL燃燒器，配套使用內(nèi)外套筒調(diào)節(jié)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)煤粉與二次風(fēng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋流并均勻地混入火焰中，使煤粉與空氣充分混合。改造前外二次風(fēng)套筒角度為60o，內(nèi)二次風(fēng)套筒開度為45o。調(diào)整前后在相同負(fù)荷下爐膛溫度提高50℃，燃燒器壁溫升高5℃，在允許范圍內(nèi)。

六、結(jié)論

1、介紹了300MW容量W型火焰機(jī)組低氮改造方式。

2、分析了燃煤機(jī)組氮氧化物NOx生成機(jī)理。

3、分析了低氮燃燒系統(tǒng)改造對鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響機(jī)理。

4、探討了低氮燃燒系統(tǒng)改造后穩(wěn)定鍋爐燃燒的方法。

5、本文可為國內(nèi)同類型燃煤鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)改造后運(yùn)行調(diào)整提供借鑒。

參考立獻(xiàn)

[1]國投嗇城熱電有限公司#1 機(jī)組低氮燃燒器改造后性能測試報告

[2]禹慶明1，張波，朱憲然。低氮燃燒器改造及運(yùn)行調(diào)整方法探討

（作者單位：仁懷中電環(huán)保發(fā)電有限公司）