低氮燃燒在大比例摻燒焦爐煤氣煤粉鍋爐上的應用

張永福,王 琴

1 引言

低氮燃燒是采用水平濃淡煤粉燃燒技術，與爐內垂直水平分級燃燒相結合形成復合低NO x排放的燃燒系統，促進四角切圓鍋爐運行性能得到有效改善，同時通過實行有效的分級燃燒時（采用高位燃盡風），獲得優良的鍋爐運行性能。

焦爐煤氣（Coke Oven Gas,以下簡稱COG）作為鋼鐵行業煉焦附產品，以其高熱值特性被廣泛使用。但由于在燃燒過程中耗氧量大，如果大比例摻燒對低氮燃燒系統影響較大，如何合理布置COG燒嘴位置是一項現實課題，本文針對摻燒煤氣鍋爐在低氮燃燒器改造中，如何做好大比例摻燒COG而開展的實踐和應用工作。

2 運行現狀

馬鋼熱電總廠新區12#煤粉爐是東方鍋爐工業集團有限公司制造的DGJ480/13.7-M型煤粉鍋爐，設計最大可摻燒13萬m3/h高爐煤氣（Blast furnace gas,以下簡稱BFG），四角切向燃燒，單汽包，一次中間再熱、平衡通風、固態排渣，全鋼架結構懸吊布置的Π型汽包鍋爐。燃燒器采用固定式水平濃淡煤粉燃燒器，采用冷一次風機正壓直吹式制粉系統，每爐配4臺中速磨煤機，磨煤機型號：HP683，設計煤粉細度R90＝20%。

根據煤氣管網平衡情況，實際生產中經常需要12#煤粉爐在摻燒BFG基礎上，再摻燒COG2.0萬m3/h，同時BFG中還摻有少量轉爐煤氣 (Linz-Donawitz Process Gas,以下簡稱LDG)，上述三種煤氣特性參數見表1。

說明：大比例摻燒焦爐煤氣，意味著 2.0萬m3/h的摻燒量相當于鍋爐總熱量20%，也就是說增加2.0萬m3/h焦爐煤氣后，12#鍋爐摻燒煤氣熱值總量超過鍋爐熱負荷50%。

表1 高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣特性參數

鍋爐脫硫系統運行正常，但無脫硝裝置，2014年3月利用機組大修期間，進行爐內低氮燃燒改造，提高焦爐煤氣摻燒比例、同時實施選擇性催化還原煙氣脫硝（SCR）改造。

3 低NOX燃燒改造方案說明

針對480 t/h鍋爐燃燒設備布置情況，在安全、經濟、穩定、可靠等基礎上進行低NOx燃燒改造。根據現代優化燃燒和低NOx排放燃燒技術：

①燃燒器采用水平布置的對置丘體式高濃縮比燃燒器；

②根據新的風量配比重新設計二次風噴口；

③爐內縱向高度方向預留大空間還原區間；

④增設兩層SOFA燃盡風噴口。將爐膛內燃燒人為的劃分為三個區域：主燃燒區、NOx還原區和可燃質燃盡區，詳細見圖1。依據區域劃分合理配風：主燃燒區域欠氧燃燒（a<1即供入總風量的82.5%；燃盡區域過氧燃燒，即供入總風量的27.5%）。此種技術的利用，最大限度的優化了爐內燃燒、并可在不降低鍋爐效率前提下大幅度降低NOx生成和排放。

4 焦爐煤氣燒嘴布置形式分析

圖1 鍋爐主燃燒區、NOX還原區、可燃質燃盡區

鍋爐四角燃燒器布置情況，見圖2，從燃燒器布置情況來看，增加2.0萬m3/hCOG燒嘴只有放在AB層（油點火層）和CD層（助燃油層），取消原來的燃油系統。從燃燒穩定性和風量均衡性分析，2.0萬m3/hCOG平均分為二層布置，每層增加1.0萬m3/h較為合理。

但考慮到COG為易燃易爆、有毒有害氣體，運行安全控制要求很高，如果是二層布置，控制系統快切裝置和調節裝置就要增加一倍，同時，從現場設備布置情況來看，管道布置也十分困難，因此，分二層布置方式很難實施。

另外，通過分析，COG布置位置對低氮燃燒和鍋爐影響有以下因素：COG熱值為16580 kJ/m3僅次于燃煤熱值，當最大摻燒2.0萬m3/h COG時，需要空氣量80220 m3/h（a=1），需要減少燃煤供應量接近20%，從風量調整和爐膛熱負荷強度分布來分析，就要相應停止一層一次風燃燒器。如果我們將COG燃燒器布置在AB層，那么，就需要停用A層或者是B層一次風燃燒器，此時燃燒器運行狀況為：二層BFG、AB層COG、A層或者是B層一次風燃燒器，再加上C層或者是D層一次風燃燒器，這時我們發現，鍋爐燃燒區域過分集中在爐膛下部，火焰中心大幅度下移，造成蒸汽溫度難已控制。低氮燃燒技術中燃料分級原理告訴我們：主燃料（煤）應該在主燃燒區燃燒，氣體燃料須分布在主燃區邊緣。如果COG布置在AB層，這與降氮燃燒技術中的燃料分級原理相違背。

綜上所述：對于12#鍋爐而言，大比例摻燒COG噬嘴的合理布置應在CD層比較科學合理。

5 大比例摻燒時燃燒調整

由于此鍋爐設計是以煤為主要燃料，摻燒煤氣量最大不超過30%（按熱值比），此次大比例摻燒后，摻燒煤氣總量將超過50%，因此，二種極端工況運行調整就顯得尤為重要。如果是摻燒煤氣量不超過30%，運行調整控制同正常情況相同，沒有特別要求，如果是摻燒煤氣量超過30%，特別是在最大比例摻燒情況下，要做好以下幾方面調整：

①磨煤機運行方式：由于煤氣摻燒量增減，燃煤量將減少，此時只能投用A層和B層制粉系統，嚴禁使用C層或者是D層制粉系統，否則的話鍋爐汽溫、飛灰含碳量將會上升較快，鍋爐效率將會大幅度下降。

②二次風量調整：此次低氮改造在主燃區域上方角水冷壁管屏開孔，增設兩層SOFA燃盡風噴口，作為燃盡風使用，在大比例摻燒煤氣合，由于C層好D層制粉系統沒有投用，所以二次風量控制就要做相應的調整，具體風門控制見表2。

表2 二次風門擋板控制方法

大修后通過鍋爐穩定性試驗和性能試驗，證明，此次大比例摻燒COG的改造，對低氮燃燒和鍋爐效率的影響相對較小，改造達到預期效果。

6 結論

（1）針對摻燒高熱值COG而言煤氣鍋爐而言，只要布置合理，較大比例摻燒不會影響運行經濟性、安全性；

（2）在大比例摻燒COG時，燃煤用量將會大幅度下降，此時應同步做好鍋爐負荷、磨煤機運行方式調整和二次風量調整，杜絕超負荷現象發生，否則會造成鍋爐效率下降和受熱面磨損增加；

（3）如果摻燒比例進一步增加，只要對現場設備布置進一步優化，可以考慮分層布置。

總之，對于摻燒煤氣鍋爐低氮燃燒改造而言，如果燃燒器布置合理、燃料量和風量調整及時到位，就能夠保證NOx達標排放，同時也能夠保證在最大摻燒煤氣工況下鍋爐效率相對穩定。