410 t/h鍋爐低NOX燃燒器改造及運行優化

胡琦，龔家猷，胡偉

（1.神華國華電力研究院，北京100069；2.神華國華國際電力股份有限公司北京熱電分公司，北京100025）

發電技術

410 t/h鍋爐低NOX燃燒器改造及運行優化

胡琦1，龔家猷2，胡偉2

（1.神華國華電力研究院，北京100069；2.神華國華國際電力股份有限公司北京熱電分公司，北京100025）

介紹了國華北京熱電分公司410 t/h鍋爐低NOX燃燒器改造情況及運行優化試驗，對燃燒調整試驗進行了細致的分析，對改造后的運行情況進行了總結，為運行中如何控制NOX的排放提出了可操作的指導建議。

低NOX燃燒器；一次風；三次風

0 引言

國華北京熱電分公司4臺鍋爐為哈爾濱鍋爐廠設計的410 t/h煤粉爐，原設計使用大同混煤，后改為神華和準格爾的混煤，煤質分析見表1。爐膛斷面為9 800 mm×9 800 mm，由膜式水冷壁組成。頂棚管中心線標高39 000 mm，鍋筒中心線標高42 600 mm，運轉層標高9 000 mm，燃燒器布置在13～16 m標高之間。燃燒方式為四角噴燃切圓燃燒，均等配風，一次風噴嘴分為3層，制粉乏氣作為三次風從燃燒器上部送入爐膛，采用單層燃燼風。

鍋爐NOX原排放量基本在650～800 mg/m3（以下數值均換算到標況下）。近年來國家對于環境質量日益重視，北京市對燃煤發電廠環保排放提出了新的要求，而國華北京熱電分公司鍋爐的NOX排放大大超過了北京市即將出臺的200 mg/m3的標準。

表1 煤種參數

為了滿足北京市對于燃煤鍋爐NOX的排放要求，將4臺鍋爐的燃燒器改為低NOX燃燒器，并將燃燒器的布置進行了改動。改造后，鍋爐按照改造前的運行方式，鍋爐煙氣中NOX的排放濃度明顯下降，由改造前的超過600 mg/m3下降到400 mg/m3左右。在此基礎上，根據NOX生成機理結合改造后設備的特點，對鍋爐進行了燃燒調整試驗。

1 NOX的生成機理

燃煤鍋爐煙氣中NOX的構成原因目前在學術界一般認為由以下3個主要部分。

1.1 熱力型

一般認為這部分NOX主要由空氣中的N2在高溫下與O2發生反應生成，其反應方程式如下：

該反應在溫度＜1 350℃時不會發生，但是當＞1 350℃時，每升高100℃，NOX的生成量將成倍增加，這部分NOX占總排放量的5%～15%左右[1]。

1.2 瞬時反應型

在高溫條件下空氣中的N2與O2在“偶然”碰撞中發生反應生成NOX，約占總生成量的5%。

1.3 燃料型

燃料中的N元素，送入爐膛燃燒，受熱后會隨著揮發分的釋放而產生大量的含N基團，如N，CN，HCN，NHi等，這些中間產物很不穩定，反應活性很強，遇到O2極易發生反應生成NOX，但是在缺氧的氣氛中，這些中間產物則會彼此之間發生反應生成N2。

隨揮發分釋放的含N基團一般認為也是跟溫度環境有關，周圍煙氣環境溫度越高，釋放的基團越多，生成的NOX也就越多，周圍煙氣環境溫度越低，隨揮發分釋放出來的基團越少，生成的NOX則越少。

2 低NOX燃燒器改造

利用目前國內外廣泛采用的燃料分級和空氣分級技術，通過對燃燒器的改造，達到燃料和空氣雙分級的目的，通過調整風粉在爐膛空間的配置，來實現降低NOX排放的目的。

各噴口改造前后位置對比見表2和圖1。

表2 噴口中心高度

圖1 噴燃器改造前后位置對比

燃燒器寬420 mm，總高度為6 162 mm。再燃噴口布置在15 862 mm標高處，中心到屏底的距離為13.3 m。

將爐膛從下往上依次分為主燃區、再燃區和燃燼區3個部分。在主燃區送入75%的燃料在過氧條件下進行充分燃燒。再燃區將其余25%的煤粉燃料送入，并控制燃料/氧化學當量比＜1，形成還原性氣氛，再燃燃料與主燃燒區生成的NOX進行還原反應，最終生成N2。在燃燼區加入其余空氣，過量空氣系數恢復到正常值（a=1.15，氧量2.7%），使未完全燃燒產物充分燃燒，以保證燃燼效果。主燃區低氧分級燃燒：在組織燃燒時，結合空氣分級燃燒技術、低氧燃燒技術，并采用浙江大學自主研制的煤粉濃淡穩燃及低NOX燃燒技術，同時減少熱力型和燃料型NOX的生成，使NOX生成總量大幅度降低，并有效減少爐內結渣現象。

3 燃燒調整試驗

改造后，額定負荷410 t/h工況，各層二次風風量相同的情況下，實測得鍋爐尾部煙氣中NOX的濃度為400～450 mg/m3。

為了研究改造后鍋爐的性能及風、粉的調節與NOX排放之間的規律，進行了燃燒調整試驗，考察了不同制粉系統投運方式、燃燼風率等運行參數對鍋爐效率及NOX排放的影響。

3.1 制粉系統運行試驗

每臺鍋爐配2套中儲式制粉系統，每臺排粉機出口對應1層三次風噴口，三次風分上下2層布置。為了考察在相同負荷下三次風對NOX排放量產生的影響，在410 t/h負荷下進行了雙磨、單磨和無磨3種工況試驗。具體試驗數據如表3所示。

表3 磨煤機不同投運方式試驗結果對比

由表3可見，在雙磨、單磨和無磨的運行工況下，NOX排放量依次降低。這主要是因為三次風中煤粉濃度較低，而氧量充足，三次風所帶煤粉從燃燒初期就在富氧的條件下燃燒，而且三次風所在的位置也是熱負荷比較高的部位，溫度較高，因此易生成大量NOX，這部分生成的主要為燃料型NOX。磨煤機投運越多，由一次風攜帶出來的煤粉相應減少，三次風量就越大，故而NOX生成量就越多。

3.2 燃燼風開度調整試驗

為了考察不同燃燼風量在滿負荷狀態下對NOX排放的影響關系，在410 t/h負荷下保持總風量和下二次風風量不變，上層二次風全開，通過調整中間2層三次風風門開度和燃燼風開度來實現對燃燼風率的調整。試驗數據參見表4。

表4 不同燃燼風開度試驗結果對比

從表4可以看出，隨著中間2層風門的關小和燃燼風門的開大，燃燼風率增大，NOX排放呈現出先降后漲的趨勢，為了驗證此規律非偶然因素所致，特安排做了2次重復性試驗，規律都一致。改變燃燼風門開度對NOX排放的影響很大，燃燼風門開度控制在80%左右為宜。

減小中二次風和上二次風風門開度，降低這2層二次風風量，將使下層噴燃器和第2層噴燃器出來的煤粉相對處于缺氧的環境中燃燒，可以有效地減少燃料型NOX的生成。而增大燃燼風則可以使下2層未完全燃燒的煤粉獲得燃燼的補充，從而使燃燒更加完全。

神華煤揮發分高，是一種易燃煤種。易燃特性導致神華煤燃燒過快、過分集中，局部區域（燃燒器區）熱負荷偏高，為熱力型NOX的生成客觀上創造了有利的條件。在＞1 350℃的條件下，溫度每升高100℃，NOX的生成將成倍的增加。因此，在試驗中減少中二次風和上二次風風量，可以起到延緩煤粉燃燒的目的，使燃燒在爐膛的垂直方向上更為均衡，熱負荷更為均衡，減輕局部熱負荷過高的壓力，從而減少燃料型和熱力型NOX的生成。此次燃燒器的改造根據這一原理，將燃燒器的距離在垂直方向拉大，也是為了均衡熱負荷在垂直方向上的強度，從而起到降低NOX生成的作用。由于爐膛熱負荷的分散，燃燒器區域附近水冷壁結渣也得到緩解。

4 運行策略

4.1 制粉系統的運行調節

從以上試驗數據可以看出，無磨和單磨運行時NOX的排放是較低的。因此在實際的運行中，運行人員應該合理地配置制粉系統的運行方式，盡可能采取無磨和單磨運行方式，減少三次風帶粉。比如在鍋爐負荷比較低的時候（＜310 t/h），應該使制粉系統保持最大出力，提高粉倉粉位，創造停磨時間；在高負荷時，應該盡量減少三次風帶粉量。

4.2 給粉的調節

應該盡量考慮提高下2層給粉機轉速，讓下2層給粉機多帶粉運行，盡量減小上層給粉機轉速，在負荷較低時，可以停止1～2個上層給粉機的運行。增加下2層給粉后，通過二次風的調節，刻意創造出下面2層給粉缺氧燃燒的氛圍，使下2層給粉的燃燒滯后，從而降低該區域的熱負荷，抑制NOX的大量生成。

由于在改造中將下一次風位置下移605 mm，下層噴燃器出來的煤粉燃燒空間減少，如果下一次風煤粉增加過多，下二次風將托不住下層煤粉，下層煤粉將大量掉落在冷灰斗，渣含碳量將增大，未完全燃燒損失也將增大。因此，在運行過程中，可以考慮增加第2層給粉機的轉速，減少第1層給粉機轉速。運行中，根據不同的負荷可以將下層給粉機與第2層給粉機轉速偏差設定為5%～15%。實際試驗證明，2層轉速的偏差調節可以使NOX降低10～20 mg/m3。

4.3 二次風的調節

二次風的調節是降低NOX運行調節的關鍵，一般認為，創造還原性燃燒環境可以有效減少燃燒過程中燃料型NOX的生成。在實際運行中，由于下二次風要起托火的作用，不能關得太小。在此條件下，可以通過減少中二次風和上二次風的風量，配合下2層給粉的增加，使下2層燃燒器所處燃燒區煤粉的燃燒處于相對缺氧的還原性氣氛，從而達到降低燃料型NOX生成的目的。表5是不同鍋爐負荷和磨煤機組合工況時，各層二次風小風門開度的推薦值。

4.4 鍋爐出口氧量的控制

鍋爐出口氧量是表征燃料在爐膛里燃燒是否充分的參數。出口氧量過高將導致排煙損失增大，而且燃料在高氧量下燃燒將對NOX的生成產生負面的影響，但是過低的氧量會使飛灰可燃物含量增大，降低鍋爐效率，所以在運行中，應該二者兼顧。

表5 不同工況各層二次風小風門開度控制值

從低氧燃燒試驗和以上的試驗結果來看，在氧量大于4%時，NOX的生成大大提高，在額定工況下飛灰可燃物為1.5%～2.0%；當氧量小于2.5%時，飛灰可燃物迅速增大到3.5%～4.5%。最終確定爐膛出口氧量控制在2.7%～3.3%之間為宜，此時飛灰可燃物可控制在2.0%～2.5%。

5 結語

根據燃煤鍋爐煙氣中NOX的主要生成因素，利用燃料和空氣雙分級的技術，有針對性地對鍋爐進行了低NOX燃燒器的改造，降低了燃燒器區域的熱負荷強度，減少了熱力型NOX的生成。改造完成后，通過燃燒調整試驗確定了最佳運行方式，有效降低了NOX的排放，取得了良好的效果。

[1]陳進生.火電廠煙氣脫硝技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]趙振宇，趙振宙，李寶義.燃用神華混合煤的鍋爐燃燒試驗和研究[J].華東電力，2006（8）∶34.

（本文編輯：陸瑩）

Retrofit and Operation Optimization of Low NOXBurner for 410 t/h Boiler

HU Qi1，GONG Jia-you2，HU Wei2
（1.Shenhua Guohua Electric Power Research Institute，Beijing 100069，China；2.Beijing Cogeneration Branch Company of CSEC Guohua International Power Co.，Ltd，Beijing 100025，China）

This paper introduces the low NOXburner retrofit and operation optimization tests for the 410 t/h boiler of CSEC Guohua Beijing Cogeneration Branch Company，analyzes the combustion adjustment tests in detail and summarizes the operation situation after the retrofit.The practical suggestions on how to control NOXemission in operation are also provided.

low NOXburner；primary air；tertiary air

TK223.2

：B

：1007-1881（2012）01-0028-04

2011-09-28

胡琦（1979-），男，山西運城人，碩士，工程師，從事發電設備管理工作。