空氣垂直分級低氮燃燒調整試驗研究

魏健鵬，董 輝，胡穎炯，魏爭鳴

（甘肅電力科學研究院，蘭州730050）

煤炭燃燒會產生大量的煙塵、SO2、NOx和CO2等污染物，其中NOx的主要來源是電站鍋爐的燃燒產物，采取相應措施來控制NOx的生成已變得非常重要。對NOx排放進行控制，一是燃煤鍋爐采用爐內低氮燃燒技術，降低燃煤機組燃燒產物中NOx的生成量；二是利用脫硝技術對煙氣進行脫硝。目前執行的GB 13223—2003《火電廠大氣污染物排放標準》中NOx排放質量濃度限值為450～1 100mg／m3，而發達國家和地區的NOx排放質量濃度限值一般在200mg／m3以下（歐盟現行的NOx排放質量濃度限值為200mg／m3，美國為135～184mg／m3，日本為200mg／m3）；同時我國還要求新建火電廠必須同步建設脫硝裝置，重點地區NOx排放質量濃度限值為200mg／m3；2015年年底前，現役機組全部完成脫硝改造，實現NOx排放質量濃度限值為200mg／m3的目標。

空氣垂直分級燃燒技術是目前應用較廣泛的一種低氮燃燒技術。空氣分級燃燒的基本思想是降低主燃燒區域的氧氣質量分數，進行亞化學當量的缺氧燃燒，以抑制煤粉燃燒過程中NO的形成，使燃料在缺氧條件下燃燒，降低燃燒速度和燃燒溫度，減少熱力型NO的生成。還原燃料中釋放的含氮中間產物HCN，也會將NO還原分解成N，從而抑制燃料型NO的生成。在燃盡區供給充足氧氣，加快燃料的燃盡，充分利用低氮燃燒技術降低脫硝成本［1］。

1 試驗爐燃燒器及燃料特性

燃燒器由主燃燒器和分離燃盡風（SOFA）燃燒器組成。主燃燒器有13層噴嘴，其中5層一次風噴嘴（最下層為等離子點火燃燒器），8層二次風噴嘴。SOFA燃燒器設計有3層二次風噴嘴。為了控制鍋爐爐膛出口左、右側煙溫偏差，燃燒器的頂部2層二次風EE、EF（燃盡風OFA）和中間1層二次風CD采用反切布置，順時針旋轉，反切角為12°，反切切圓直徑分別為3 210mm和2 998mm，其余噴口氣流均為逆時針旋轉。在主燃燒器的上方布置有SOFA燃燒器，使主燃燒器區域的過量空氣系數維持在1.03左右，這樣可降低主燃燒器區域NOx的生成量。設計各類風比例：一次風20.89%，二次風61.19%，SOFA 12.92%。設計風速：一次風30.9m／s，二次風49.4m／s，SOFA49.4m／s。漏風率5%，二次風阻力1 150Pa。煤質特性見表1。

表1 試驗煤質

2 爐內空氣垂直分級控制

空氣垂直分級燃燒技術是將燃料的燃燒過程分階段進行控制，即主燃區α＜1，還原區α≈1，燃盡區α＞1，使整個燃燒過程中第一階段減少空氣供應量，第二階段將部分燃燒所需的空氣通過布置在主燃燒器上方的OFA送入，第三階段將其余燃燒所需的空氣通過布置在主燃燒器頂部的SOFA送入爐膛；因此需要確定：（1）燃燒的理論空氣量；（2）燃盡風比例；（3）燃燒器出口過量空氣系數，以尋求最低NOx排放質量濃度的控制期望值。

燃煤特性變化較大時，需要基于燃煤特性對鍋爐運行進行優化調整，以滿足變煤種高效、低污染燃燒的要求。煤種的燃料系數為：

式中：w（Ndaf）為燃煤的干燥無灰基質量分數，%；w（Cdaf）為干燥無灰基碳質量分數，%；d為煤粉平均粒徑，mm。

鍋爐采用變煤種運行時，可通過式（1）計算相應煤種的燃料系數FCI值，判斷變煤種運行對NOx排放質量濃度的影響，從而可為選擇配備燃料或運行的調節手段，為變煤種運行達到高效、低污染燃燒要求提供依據。

燃煤特性對燃料氮轉化率的影響主要為w（Ndaf）及w（Cdaf）。隨著煤粉粒徑的增大，燃料系數FCI也增大，NOx排放質量濃度也增大。燃料w（Vdaf）越高，燃料氮轉化率越低；w（Vdaf）越低，燃料氮轉化率越高。

在垂直空氣分級燃燒調整過程中，首先給定爐膛出口過量空氣系數α″f，然后根據煤質資料計算理論空氣量V0（m3／kg）計算實際空氣量Vk為：

式中：αt為爐膛內總的過量空氣系數；Δαf為爐膛漏風率。

最后根據給定分離燃盡風份額Δαr和給定一次風比例Δα1t，確定燃燒器出口過量空氣系數：

3 垂直空氣分級燃燒控制參數

3.1 設計工況下的過量空氣系數

額定負荷下SOFA比例設計值為0.129 3，主燃燒器過量空氣系數1.00，爐膛漏風系數0.05，即SOFA份額與爐膛三區（主燃燒區、還原區和燃盡區）總的過量空氣系數等于0.15，實際爐膛漏風5%。對于整組燃燒器來說，爐內燃燒情況復雜，不能嚴格劃分出三個區域，但可以通過煤粉的燃盡高度大致確定分級風量，當燃盡區最大過量空氣系數在1.15左右時，燃燒器出口區空氣過量系數約等于1.05，即在送入爐膛總風量和煙氣中φ（O2）不變的情況下，增加SOFA風量相當于降低還原區和主燃燒區過量空氣系數，見表2。

表2 爐膛過量空氣分布

3.2 煤粉燃盡高度與NOx脫除率的變化

燃燒器煤粉燃盡高度H根據煤質特性w（Vdaf）計算：

試驗中兩種煤質的計算燃盡高度分別是2.10m和2.29m。當燃盡風投入時，煤粉的燃盡高度均大于計算值；當SOFA全部關閉后，E層燃燒器投運時煤粉燃盡高度為1.85m，小于計算燃盡高度。由于SOFA關閉后爐膛主燃區過量空氣系數增大和燃盡區的過量空氣系數增大，對NOx脫除率影響較大，因此在不同磨煤機的運行方式下燃盡高度也在變化。SOFA高度的選擇，對鍋爐改造及提高NOx脫除率意義重大。鍋爐額定負荷下，燃盡高度隨磨煤機運行組合方式（4臺磨煤機運行，E磨煤機不運行或運行）而變化。鍋爐各一次風燃燒器噴口設計標高及間距見表3。

表3 設計燃燒器標高

當鍋爐負荷不變，控制φ（O2）一定的條件下，通過改變上層磨煤機運行組合方式，改變燃盡風送入高度，測量煙氣NOx質量濃度。當磨煤機運行ABDE改變為ABCD時，燃盡高度發生變化，測試煙氣成分，計算NOx脫除率的變化（見表4）。

表4 燃盡高度變化時試驗結果

表4表明：SOFA高度的增加會提高垂直空氣分級燃燒中NOx的脫除率；同時垂直分級程度越大，即燃盡區出口過量空氣系數越小，對NOx脫除率影響越大。對于不同的磨煤機運行組合方式，SOFA風量對NOx質量濃度的影響程度有所不同，其關聯程度與運行的磨煤機臺數及最上一層運行的燃燒器與SOFA風口的距離相關，距離越小關聯度越高，運行磨煤機臺數越多關聯度越高。

在燃盡高度增大至5.0m以上時，OFA與SOFA其中任一組風切換運行，對NOx質量濃度的影響幾乎相同；在ABCD磨煤機組合運行方式下OFA（頂層二次風）與SOFA（共三組）中任一組風可相互替代。

3.3 燃盡風比例變化

維持爐膛出口φ（O2）一定的條件下，改變燃盡風比例，鍋爐負荷不變，主燃燒區一、二次風配風方式不變，改變SOFA風量，測量煙氣中NOx質量濃度（見表5）。

表5 燃盡風比例變化時試驗結果

當磨煤機運行ABCD組合時，二次風配風不變，僅開啟SOFA，煙氣中NOx質量濃度明顯降低，降低幅度隨SOFA比例增大而增大，通常在φ（O2）為3.2%～4.0%時，可降低25.2%左右。燃盡風比例的增大，必須提高大風箱二次風阻力，增大燃盡風風速。二次輔助風阻力增大意味著燃盡風比例的增加。

3.4 鍋爐變負荷過程中NOx質量濃度的變化

在鍋爐變負荷狀況下，由于爐膛斷面熱負荷的急劇變化，爐膛上部溫度大幅降低，停止D磨煤機NOx質量濃度降幅100mg／m3，停止C磨煤機NOx質量濃度降幅60mg／m3；而上層磨煤機的停運，也使相應送入的二次風減少，擴大了NO還原區域，并使上爐膛溫度降低，十分有利于降低NOx質量濃度。圖1為鍋爐變負荷運行中NOx質量濃度變化趨勢圖。

圖1 鍋爐變負荷運行中NOx質量濃度變化趨勢圖

圖1表明：燃料量的減少與NOx質量濃度降低呈現正比例趨勢，磨煤機一次風量的驟減點即NOx質量濃度的驟降點。垂直分級燃燒中一次風比例對NOx脫除率有著直接的影響，適當降低一次風比例有利于NOx排放質量濃度控制。

4 結語

對煤粉鍋爐空氣分級燃燒而言，主燃區及還原區空氣的配比、燃盡區長度、過量空氣系數等對NOx排放質量濃度影響很大。如果將燃燒器組按ABCD＼ABCE＼ABDE三種典型運行方式劃分，假定二次風阻力不變，當過量空氣系數1.17（φ（O2）＝3.05%），SOFA 風量分數13%，主燃燒區及還原區總過量空氣系數1.03時，方可達到設計要求，NOx排放質量濃度隨著分級風量的增加而減少；但在分級風量過大時，不完全燃燒產物迅速增加，主燃燒區長度增大，增大了NOx在還原區的停留時間，NOx排放質量濃度也會明顯降低，在過量空氣系數逐漸增大的過程中，NOx排放質量濃度呈現先增大后減少的趨勢。

［1］周永剛，鄒平國，趙虹.燃煤特性影響燃料N轉化率試驗研究［J］.中國電機工程學報，2006，26（15）：63-67.