160t/h煤粉鍋爐低氮燃燒技術(shù)研究與應(yīng)用

李景忠 畢加佳 姜軍虎 陳健 王偉

摘 要：為了適應(yīng)國(guó)家鍋爐煙氣2020超低排放環(huán)保要求，進(jìn)一步降低煤粉鍋爐氮氧化物排放指標(biāo)，公司采用低氮燃燒器和空氣分級(jí)的低氮燃燒技術(shù)對(duì)兩臺(tái)160t/h煤粉鍋爐進(jìn)行了提標(biāo)改造。SCR入口NOx大幅下降，燃燒效率和鍋爐運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定可靠，效果顯著。

關(guān)鍵詞：低氮燃燒器;空氣分級(jí);SCR脫硝系統(tǒng)

Abstract：In order to meet the environmental requirements of 2020 ultra low emission of boiler flue gas， the index of nitrogen oxide emission from pulverized coal fired boilers is further reduced. The company adopted low nitrogen burner and air classification low nitrogen combustion technology to upgrade two 160t/h pulverized coal fired boilers. The nitrogen oxide of the SCR inlet decreased significantly， and the combustion efficiency and boiler operation parameters were stable and reliable， and the effect was remarkable.

Key words：Low nitrogen burner;Air grading;SCR denitrification system

渭化集團(tuán)公司1、2#鍋爐為HG-160/10.8-YM1型煤粉鍋爐，由哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)、制造和配套。系高壓?jiǎn)五佂?、自然循環(huán)、倒U型布置的固態(tài)排渣煤粉爐。

設(shè)計(jì)煤種為陜西黃陵煙煤，燃燒器采用四角布置切向燃燒直流式，四組8個(gè)煤粉噴嘴，每組五個(gè)風(fēng)室和噴口，其中煤粉噴口兩個(gè)，二次風(fēng)噴口與煤粉噴口間隔布置，有上、中、下三層。煤粉噴口四角有周界風(fēng)以防止在水冷壁上結(jié)渣。

為了適應(yīng)嚴(yán)苛的環(huán)保要求，2014年兩臺(tái)鍋爐都增設(shè)了SCR脫硝裝置，SCR入口NOx為700-980mg/Nm3，出口為60-90mg/Nm3，雖然符合《關(guān)中地區(qū)重點(diǎn)行業(yè)大氣污染物排放限值》（DB61/941-2014），但達(dá)不到2020超低排放標(biāo)準(zhǔn)，因此再改造勢(shì)在必行。

1 NOx在燃燒中占比

煤燃燒過(guò)程中生成的氮氧化物NOx主要是指NO、NO2和N2O，其中NO約占90%。根據(jù)燃料和燃燒條件不同，NOx的生成分為熱力NOx、快速NOx和燃料NOx三種。對(duì)于煤粉鍋爐，熱力NOx占總NOx排放量的20%左右，快速NOx占5%以下，燃料NOx占總生成量的75%左右，是NOx排放的主要來(lái)源。

2 低氮燃燒技術(shù)措施

2.1 低氮燃燒技術(shù)原理

爐內(nèi)脫氮就是采用各種燃燒技術(shù)手段來(lái)控制燃燒過(guò)程中NOx的生成，又稱(chēng)低NOx燃燒技術(shù)，目前常見(jiàn)的主要有三種：

2.1.1 低過(guò)量空氣系數(shù)（LEA）

低過(guò)量空氣燃燒也叫低氧燃燒，是使燃料在爐內(nèi)總體過(guò)量空氣系數(shù)較低工況下燃燒，主要針對(duì)熱力型NOx。實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能導(dǎo)致飛灰含碳量增加，燃燒效率降低，爐膛結(jié)焦等不良影響，對(duì)大幅降低NOx效果有限。

2.1.2 濃淡偏差

濃淡偏差原理，是基于過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NOx的變化關(guān)系，使部分燃料在空氣不足條件下燃燒，即“富燃”燃燒;另一部分燃料在空氣過(guò)量條件下燃燒，即“富氧”燃燒。濃淡兩股煤粉氣流分別在還原氣氛和煙溫較低條件下燃燒，以擬制NOx的生成。但在實(shí)際運(yùn)行中，煤粉的濃淡偏差分布，與提高燃燒效率的煤粉均勻分布相矛盾;煤粉過(guò)濃造成的嚴(yán)重缺氧氣氛，又會(huì)造成燃燒器結(jié)焦。

2.1.3 空氣分級(jí)

從NOx的生成機(jī)理可以知道，反應(yīng)區(qū)域內(nèi)空氣與燃料的比例極大影響著NOx的形成?？諝膺^(guò)量會(huì)使NOx排放量增加，因此在燃燒器設(shè)計(jì)中采用空氣分級(jí)原理來(lái)控制反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的氧量。把供燃燒用的空氣由原來(lái)的一股分為兩股或多股，在燃燒開(kāi)始階段只加入部分空氣，造成燃料部分燃燒，燃料中氮的化合物一部分發(fā)生分解、還原反應(yīng)生成穩(wěn)定的氮分子，從而減少了“燃料型”NOx的生成。作為完全燃燒用的其余二次風(fēng)，噴射到富燃料區(qū)域的上層，形成二次燃燒區(qū)使燃料完全燃燒。空氣分級(jí)布置，燃料的燃燒是分部進(jìn)行的，火焰整體溫度包括二次燃燒區(qū)域溫度都比不分級(jí)時(shí)低，于是二次燃燒區(qū)域內(nèi)NOx形成受到抑制?？諝夥旨?jí)原理是一種簡(jiǎn)單可行的降低NOx的有效手段，與其他技術(shù)相比，NOx可降低25%-40%。

2.2 低氮燃燒技術(shù)比較

①低氧燃燒：根據(jù)原來(lái)運(yùn)行條件，氮氧化物最多降低20%，具有投資少的優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)導(dǎo)致飛灰含碳量增加;

②降低投入運(yùn)行的燃燒器數(shù)目：氮氧化物可實(shí)現(xiàn)降低15%-30%，具有投資低，易于鍋爐改裝上午優(yōu)點(diǎn)，但有引起爐內(nèi)腐蝕和結(jié)渣的可能，并導(dǎo)致飛灰含碳量增加;

③空氣分級(jí)燃燒（OFA）：氮氧化物可實(shí)現(xiàn)降低25%-40%，具有投資少的優(yōu)點(diǎn)，但并不是對(duì)所有爐膛都適用，有可能引起爐內(nèi)腐蝕和結(jié)渣，并降低燃燒效率;

④低NOx燃燒器：與空氣分級(jí)燃燒相結(jié)合時(shí)可達(dá)50%左右，可用于新的和改裝的鍋爐，中等投資，且有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但結(jié)構(gòu)比常規(guī)燃燒器復(fù)雜，可能引起爐膛結(jié)渣和腐蝕，并降低燃燒效率。

3 低氮燃燒改造方案

根據(jù)鍋爐運(yùn)行狀況和氮氧化物排放情況，在已有SCR脫硝的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)廣泛調(diào)研，公司決定實(shí)施低氮燃燒改造，對(duì)鍋爐燃燒器系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)布置，采取空氣分級(jí)技術(shù)。

3.1 設(shè)置燃盡風(fēng)及二次風(fēng)噴口改造

在改造后的主燃燒器上部約3.5-4米左右的位置，每個(gè)角各增加1個(gè)燃燼風(fēng)噴口及相應(yīng)組件。每個(gè)燃盡風(fēng)噴口配置單獨(dú)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠使噴口在垂直方向擺動(dòng)。燃盡風(fēng)處水冷壁管重新讓管，增加燃燼風(fēng)噴口及打焦孔。在主燃燒器上部增設(shè)燃燼風(fēng)是為了在爐膛縱向?qū)崿F(xiàn)分級(jí)燃燒，控制燃燒溫度，燃燼風(fēng)噴口面積占二次風(fēng)噴口總面積的20-30%。爐膛內(nèi)的燃燒區(qū)域分為兩部分，即主燃燒區(qū)和燃燼區(qū)。主燃燒區(qū)空氣占總風(fēng)量的70%-85%，燃燼區(qū)占總風(fēng)量的15%-30%。通過(guò)燃燼風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)爐膛豎直方向的分級(jí)燃燒、降低NOx的生成。燃燼風(fēng)取自二次風(fēng)箱，采用鋼管引至燃燼風(fēng)噴口，中間增設(shè)自動(dòng)控制與測(cè)量裝置。

為實(shí)現(xiàn)在主燃燒區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)為0.8左右的要求，需對(duì)上中下二次風(fēng)噴口進(jìn)行改造。

由于增設(shè)了燃燼風(fēng)噴口，在原燃燒器上部3-5米左右的位置需要在水冷壁上開(kāi)孔，增加水冷壁讓管及密封盒。

3.2 一、二次風(fēng)不等切圓設(shè)計(jì)

在爐內(nèi)采用一二次風(fēng)不等切圓，即采用一次風(fēng)假想切圓直徑小、二次風(fēng)假想切圓直徑大，在水平斷面控制一次風(fēng)與二次風(fēng)的混合燃燒過(guò)程，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)在水平斷面方向的分級(jí)燃燒。一方面通過(guò)水平方向分級(jí)燃燒的方式減少NOx的生成量，同時(shí)在靠近爐墻處形成氧化性氣氛，減弱爐內(nèi)的結(jié)焦及結(jié)渣。一次風(fēng)假想切圓直徑將最終通過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)確定。

3.3 一次風(fēng)燃燒器

考慮現(xiàn)鍋爐制粉送粉方式為單磨直吹式系統(tǒng)特點(diǎn)，一次風(fēng)系統(tǒng)仍采用扭曲板實(shí)現(xiàn)垂直濃淡燃燒方式，一次風(fēng)噴口仍采用不等邊周界風(fēng)結(jié)構(gòu)。

4 改造后效果分析

4.1 調(diào)試分析

為了驗(yàn)證低氮燃燒改造效果，對(duì)改造項(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容為鍋爐在不同負(fù)荷下，通過(guò)調(diào)整各二次風(fēng)及燃燼風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)不同的分級(jí)風(fēng)比及氧量，在不違反熱態(tài)調(diào)試原則情況下，達(dá)到較低的NOx排放與鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。特選擇三個(gè)典型工況進(jìn)行熱態(tài)調(diào)試。分別為：

工況1：額定負(fù)荷下單投上級(jí)燃燼風(fēng)工況;上級(jí)燃燼風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度90%左右，下級(jí)燃燼風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度12%，二次風(fēng)配比為：上70%-80%，中60%-70%，下100%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果SCR入口NOx為447 mg/Nm3，排煙溫度153.5℃，飛灰含碳量5.95%，渣含碳量7.42%。

工況2：額定負(fù)荷下投運(yùn)兩級(jí)燃燼風(fēng)工況;上級(jí)燃燼風(fēng)55%，下級(jí)燃燼風(fēng)98%，二次風(fēng)配比為：上70%-80%，中60%-70%，下100%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果SCR入口NOx為435 mg/Nm3，排煙溫度152.5℃，飛灰含碳量11.21%，渣含碳量5.57%。

工況3：低負(fù)荷工況試驗(yàn); 140t/h，上級(jí)燃燼風(fēng)95%，下級(jí)燃燼風(fēng)12%，二次風(fēng)配比為：上60%-70%，中50%-60%，下100%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果SCR入口NOx為446 mg/Nm3，排煙溫度155℃，飛灰含碳量10.2%，渣含碳量4.73%。

4.2 性能考核

①經(jīng)過(guò)72h考核試運(yùn)行，鍋爐煤專(zhuān)燒負(fù)荷在140t/h-160t/h，均達(dá)到以下效果：爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定、煤粉著火距燃燒器噴口距離合適;

②四角噴燃器、爐膛水冷壁及過(guò)熱器無(wú)明顯結(jié)焦;

③排煙溫度無(wú)異常升高;

④SCR裝置入口NOx折算值<450mg/Nm3。

5 結(jié)論

①鍋爐低氮燃燒改造后，在設(shè)計(jì)煤質(zhì)條件下，SCR反應(yīng)器進(jìn)口處NOx可達(dá)到450mg/Nm3以下，與改造前相比，脫硝效率可達(dá)到50%以上;

②在低氮工況下鍋爐負(fù)荷等主要運(yùn)行參數(shù)合格，鍋爐燃燒穩(wěn)定、著火及時(shí)，未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)焦和腐蝕現(xiàn)象，爐膛出口煙溫、排煙溫度無(wú)明顯升高，灰渣含碳量等均達(dá)到了設(shè)計(jì)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮俊凱，沈幼庭，楊昌瑞.鍋爐原理及計(jì)算（第三版）[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]周強(qiáng)泰主編 鍋爐原理（第二版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[3]趙永黎，任恒昌，朱焱松.130t/h中壓煤粉爐低氮燃燒器改造[J].中國(guó)設(shè)備工程，2014（11）.