480 t/h鍋爐低氮燃燒系統改造及效果分析

胡志杰，盛 春

（宜興協聯熱電有限公司，江蘇宜興214200）

宜興協聯熱電有限公司8號鍋爐由哈爾濱鍋爐廠設計制造。按照設計要求，NOx排放值需在450 mg/m3以下，但在實際運行過程中，無法達到設計要求。隨著國家環保政策對NOx排放限制的不斷趨嚴，有必要提前做好減排工作。此外，由于煤炭市場的原因，多種煤種摻燒成為一種趨勢，而如何更好地把握摻燒比率，最大限度減少鍋爐結焦，提高燃燒的安全性及經濟性，是關乎公司可持續發展的大事。總之，節能減排是本次改造的動因和目的。

1鍋爐設備概況

公司2臺135 MW機組擔負著宜興市的主要集中供熱任務，機組于2005年1月正式運營。8號鍋爐為哈爾濱鍋爐有限公司生產的HG-480／13.7-YM16型單汽包自然循環，超高壓、一次中間再熱、π型露天布置的固態排渣煤粉爐。爐膛為膜式水冷壁結構，爐膛上部布置前屏過熱器，爐膛出口處布置后屏過熱器。過熱器采用兩級噴水減溫，再熱汽溫主要采用煙道擋板調節。制粉系統采用中間儲倉熱風送粉，配2臺MG350/600型低速鋼球磨煤機。直流燃燒器四角切向布置，假想切圓直徑D為814 mm。每臺爐配有16只燃燒器分4層布置（進行微油系統改造后），第1層為微油點火燃燒器，第2層為雙穩燃可調式水平濃淡燃燒器，第3層和第4層為碰撞式濃淡分離燃燒器。所有一次風噴口均帶周界風。燃燒器的設計參數見表1。

2改造要求

（1）任何工況下NOx排放小于300 mg/m3。

（2）在保證NOx減排的前提下飛灰含碳量降低15%。

（3）鍋爐蒸發量，主、再熱蒸汽溫度，及原有的控制方式基本不變。

表1燃燒器特性參數

（4）鍋爐燃燒穩定并減少鍋爐受熱面結焦。

（5）最下層微油燃燒器保留不改造。

（6）盡可能減少對現有設備、系統運行方式的影響，保持鍋爐性能基本不變（特別說明的除外）。

3低氮燃燒原理

大型電站鍋爐爐內產生的NOx主要分為熱力型NOx和燃料型NOx。大量研究表明，熱力型NOx和燃料型NOx與下列因素有關：作為熱力型NOx，當溫度高于1 500℃時，NO生成量呈指數規律迅速增長，在高溫下停留時間越長，氧濃度越大，NO生成量就越多。作為燃料型NOx，燃料含氮量越高，過量空氣系數越大，燃料型NOx的生成量就越大，轉化率也越高。可見，降低熱力型NOx，要求氧濃度低，溫度低，在高溫區的停留時間短。降低燃料型NOx，要求氧量低，尤其是揮發份的析出和燃燒階段，氧量越低越好。

而要保證煤粉穩定燃燒及飛灰灰渣含碳量低，則要求燃燒時有足夠高的溫度、足夠的氧量和煤粉濃度以及后期要強烈擾動。爐內溫度越低或越分布合理，越有利于防止結渣及高溫腐蝕。

從以上的分析可以看出，降低NOx排放的技術措施在一定程度上和穩定燃燒、降低飛灰可燃物、防止結渣和降低高溫腐蝕相矛盾。因此，在采用降低NOx排放技術措施時要綜合考慮。

分級燃燒是一種有效的低NOx燃燒技術，運用空氣分級燃燒原理對傳統的煤粉爐燃燒系統進行綜合改造，不僅可有效降低NOx的排放量，還能保持其較好的經濟性。分級燃燒的基本思想是：（1）降低主燃燒區域的氧氣濃度，進行亞化學當量的貧氧燃燒，以抑制煤粉燃燒過程中NOx的形成，因為無論是熱力型還是燃料型NOx，燃燒區空氣過量系數對NOx生成量影響很大，當過量空氣系數a＜1時，燃燒區處于富燃料燃燒狀態，這對減少NOx生成有明顯的效果。根據這一原理，把供給燃燒的空氣分為主燃燒區和燃燼風分級送入。即把80%左右的理論空氣量送入主燃區，使燃燒在富燃料燃燒的條件下進行，降低了主燃燒區的氧濃度，也降低了主燃區的溫度水平，從而降低了生成NOx的轉化率。（2）在爐墻附近及爐膛上部增大氧氣濃度，進行過化學當量的富氧燃燒，避免水冷壁及過熱器的高溫腐蝕，同時促進煤粉的完全燃燒。

在分級燃燒時，利用一級富燃區燃料在缺氧條件下燃燒，燃燒速度和燃燒溫度降低，熱力NOx減少，同時，燃料中釋放的含氮中間產物HCN，NH3等會將NO還原分解成N2，因而抑制NO的生成。到了燃燼區，燃料在富氧條件下燃燼，不可避免的有一部分殘留的氮會氧化成NOx。但由于火焰溫度較低，NOx生成有限。所以在空氣分級條件下總生成量是降低的。

4 分級燃燼風系統（SOFA）及特點

美國阿米那電力環保公司 （LP Amina公司）的改造方案，將SOFA設計成雙切圓形式，SOFA布置如圖1所示，SOFA截面速度場分布如圖2所示。

圖1 SOFA布置三維圖

圖2 改造后燃盡風截面速度場

該方案不僅有利于水冷壁附近形成富氧環境，防止上層水冷壁高溫腐蝕，而且內外燃盡風雙切圓旋轉可以加強擾動，促進未燃盡碳和CO的充分燃燒。這種SOFA風的布置對降低飛灰含碳量十分有利。改造后，根據不同鍋爐負荷和爐內環境，通過調節SOFA風，靈活控制燃盡風的旋流強度，同時相對大的切圓可以增強SOFA風與未燃盡碳的擾動，加強了高溫煙氣與未燃盡碳的對流傳熱，減少煙氣飛灰含碳量和CO，并可徹底解決SOFA風區域水冷壁周圍由于缺氧導致的結焦和高溫腐蝕的問題。這些都是該設計優于其他類型分級燃燒的原因。

為了解決空氣分級燃燒后，主燃燒器區域低氧富燃料燃燒對附近水冷壁造成不良影響，LP Amina公司改造方案中采用了偏置二次風。偏置二次風射流與主燃燒器射流呈12°夾角布置，如圖3所示，偏置二次風的優勢體現在以下幾個方面。

圖3偏置二次風示意圖

（1）偏置二次風將部分二次風分離到煤粉氣流的下游，推遲了一、二次風的混合，形成了水平方向的分級送風，加強了分級送風的效果，有利于減少NOx的生成。

（2）偏置二次風可以通過風門調節，控制水冷壁附近的氧量與爐膛平均氧量基本相當，因而比較合理地改變了水冷壁附近的煙氣氣氛，可以有效地防止水冷壁的高溫腐蝕和結渣。

5 計算流體動力學（CFD）模擬研究

改造方案確定之后，LP Amina公司就改造方案進行了數值模擬計算，下面是CFD模擬的結果。

圖4為改造前后爐膛溫度分布的對比。改造前主燃燒區的溫度比較高，而且高溫區相對集中，這樣的溫度分布勢必導致大量熱力型NOx的生成。改造之后，溫度分布隨爐膛高度均勻分布。此外，爐膛出口的煙溫沒有變化，可以保證鍋爐參數不變。控制爐膛內的高溫點，有效減少熱力型NOx的生成。

圖5為改造前后NOx分布。改造前，在主燃燒區產生大量的NOx，當煙氣經過原有的OFA時NOx的濃度基本上沒有變化。改造后，雖然在主燃燒區也產生了大量的NOx，但是由于在主燃燒區氧氣濃度降低，氧化性氛圍減弱，且由于SOFA風的作用，NOx的濃度在爐膛出口處下降得非常明顯。

圖4改造前后煙氣溫度分布

圖5 改造前后NOx分布

圖6為改造前后流速分布。改造后煙氣沿爐膛高度的速度比改造之前小，增加了煤粉顆粒在爐膛內的停留時間。引入SOFA后，加速上升煙氣的擾動，促進了可燃物隨煙氣上升過程中的充分燃燒。

圖7為改造前后顆粒碳在爐膛內軌跡。改造增加了爐內的擾動，更多的煤粉顆粒隨煙氣的上升面向上運動。CFD結果表明，經過改造之后，主燃燒區未燃盡碳在燃盡區充分燃燒，而不是隨煙氣帶出，或沉積到灰斗，這樣使得燃燒效率提高。

圖6改造前后流速分布

圖7改造前后顆粒碳在爐膛內軌跡

6現場改造及試驗效果分析

6.1改造范圍和內容

根據改造目的和現場實際情況，LP Amina公司方案的具體改造如下。

（1）主風箱改造。針對鍋爐的具體情況，設計了新的一次風噴口及二次風噴口，并重新調整各燃燒器噴口的位置。在保證最下層微油燃燒器不變的情況下，對其他噴燃器進行了整體下降布置。

（2）SOFA風箱帶改造。SOFA管道與主二次風管道相連，抽取部分二次風送至SOFA噴口。風箱帶布置于主風箱上方，并圍繞整個爐膛。

（3）新增SOFA風道及風道系統支吊架。

（4）新增SOFA處水冷壁的開孔及開孔處密封部件。

（5）新增SOFA風箱，安裝了熱線型質量流量裝置，可準確檢測風量的變化。

（6）為了保證新的燃燒系統的正確運行，對燃燒系統相關的控制邏輯進行修改。

改造前后燃燒器噴口的布置如圖8所示。

圖8改造前后燃燒噴口布置

6.2改造效果

改造完成投運后，進行了燃燒調整試驗，試驗由電廠配合LP Amina公司調試人員進行。在不同負荷下，對SOFA開度及二次風門配比進行了36個不同組合工況的調試試驗，對鍋爐空預器前后的NOx、CO、O2進行了網格法測量，對飛灰進行了取樣和可燃物化驗。

各種燃燒調整試驗優化后的測試數據如表2所示，可以看出2種滿負荷工況NOx與改造之前相比降幅達到了40%，飛灰可燃物含量也有所降低[1]。

表2改造前后效果對比

在調整試驗完成后，由江蘇方天電力技術有限公司對改造鍋爐進行了對比試驗，結果參見表3。

6.3調試和燃燒調整經驗

（1）SOFA風量對NOx影響很大。在其他因素不變的前提下，一般情況NOx會隨著SOFA擋板的開度增加而減小，檔板開度大于60%時，NOx水平基本就維持恒定。此外，甲、乙側SOFA風量調節需控制均勻，這有利于降低NOx及飛灰含碳量。

表3改造前后性能試驗對比

（2）改造后，運行空預器入口氧量與NOx之間的關系參見圖10。改造后最佳氧量控制在3%左右，此時飛灰含碳量較低。與改前相比，相同負荷下總風量可以減小，電耗因此降低5%左右。

圖10改造后空預器入口氧量與NOx的關系

（3）燃燒器改造后，燃燒器壁面金屬溫度分布趨勢有很大改觀，通過SOFA調整能有效降低燃燒器金屬溫度，可做到任何工況下控制燃燒器管壁溫度不超限。在燃用褐煤時爐內結焦情況明顯減少。分析原因是SOFA的剛度大，距離上部燃燒器較近，不但對火焰、煙氣流速場產生很大影響，且對火焰溫度場及氧質量分數分布有直接影響，故調節SOFA的風量分配能靈活改變燃燒器管壁溫度的分布趨勢。改造后燃燒器區域的火焰溫度明顯降低。這也是該設計能有效降低熱力型NOx的原因。

7結束語

改造后氮氧化物排放濃度顯著降低，降幅在40%以上，平均達到300 mg/m3左右；改造后鍋爐效率基本維持不變，日常運行中送、引風機的電耗相對減少；改造前，運行中再熱器溫度明顯偏低，改造后再熱器溫度升高，提高了整個機組的效率。

總體來說，8號爐經過低氮燃燒技術的改造，大幅度降低了NOx排放水平，達到了預期的目的，取得了明顯的環境效益。同時，改造后機組運行的整體經濟性略有提高，獲得了節能減排的綜合效果。此外，Amina公司的技術方案簡單易行；改造工作量小，易于實施，值得同類型鍋爐改造借鑒。

[1]DL-BG-2009-767.宜興協聯熱電有限公司8號鍋爐燃燒器改造后鍋爐熱效率試驗報告[R].