300MW煤—煤氣混燒鍋爐高效低氮燃燒優化技術的實踐

張達等

【摘 要】300MW煤-煤氣混燒發電機組爐膛出口原煙氣NOx含量超出設計值。在經過對混燒燃燒工況的試驗研究后，找出了有效的降低NOx的燃燒優化途徑。充分利用高爐煤氣熱值低的特性，使爐膛中心溫度降低，減少熱力型NOx的形成。同時煤-煤氣進行分級燃燒，營造還原反應氛圍，使部分NOx在爐膛內進行還原反應。最終降低了原煙氣NOx濃度，減輕了爐后SCR的處理壓力，節約了液氨的消耗量，實現經濟、環保的雙贏。

【關鍵詞】鍋爐；低氮燃燒；實踐

0 概述

“十二五”規劃環保新標準，現有火力發電鍋爐及燃氣輪機組從2014年7月1日起，執行NOx排放濃度100mg/Nm3的標準。對環保要求更加嚴格，如果單純從爐后進行治理，不僅增加設備投資和運行維護費用，還可能由于過多的消耗液氨而引起預熱器等鍋爐尾部受熱面的堵塞等。通過高效低氮燃燒優化技術，在滿足環保要求下，使得運行更加安全、經濟、穩定。

1 現狀

首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司熱電分廠（以下簡稱：京唐熱電）鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司制造，型號為HG-1 025/17.5-MQ42，鍋爐型式為亞臨界參數鍋爐。設計燃料為神華煤，校核煤種為山西大同煙煤。鍋爐為100%燃燒煤粉的鍋爐，具有同時摻燒比例設計為20%（熱量百分比）的高爐煤氣及0～35000Nm3/h焦爐煤氣的能力。

鍋爐為單爐膛設計結構，燃燒器為四角布置的擺動式燃燒器，切向燃燒。通過采用水平濃淡煤粉燃燒器、較高的燃盡高度、燃燒器分級布置等措施保證燃用設計煤種及摻燒爐氣時及時著火和充分燃盡。燃燒器布置圖，如圖（1）所示。

鍋爐日常運行時的燃料有煤、高氣、焦氣三種，熱值分別為21.32MJ/kg、3.536MJ/kg、17.405MJ/kg。

2 鍋爐低氮燃燒的理論研究

2.1 NOx生成的機理[1]：

爐內燃燒過程NOx生成主要有三種類型，燃料型、熱力型及快速型三種，燃料型NOx約占75～85%，是低NOx燃燒技術控制的主要對象。其次是熱力型，主要是由于爐內局部高溫造成，快速型NOx生成量很少。

2.2 影響氮氧化物轉化率的的因素

主要因素包括燃料的成分和燃燒設備運行參數：

（1）燃料中氮含量；（2）燃料比FC/V；（3）煤的揮發份；（4）過量空氣系數；（5）燃燒溫度；（6）負荷的變化；（7）除以上影響因素外，京唐熱電鍋爐摻燒高、焦爐煤氣，對燃燒動力場有一定的干擾，高、焦爐煤氣摻燒比及分層布置也是影響氮氧化物轉化率的一個重要因素。

2.3 低NOx燃燒技術

采用第三代燃料與空氣的三分級燃燒技術。在燃燒中已生成的NO遇到烴根CHi、未完全燃燒產物CO、H2、C以及CnHm時，會發生NO的還原反應[2]，反應式為：

利用這一原理，將80～85%的燃料送入第一級燃燒區，在α>1條件下，燃燒并生成NOx。送入一級燃燒區的燃料稱為一次燃料，其余15～20%的燃料則送入二級燃燒區，在α<1的條件下形成很強的還原性氣氛，使得在一級燃燒區中生成的NOx在二級燃燒區內被還原成氮分子，送入二級燃燒區的燃料又稱為二次燃料。在二級燃區中不僅使得已生成的NOx得到還原，還抑制了新的NOx的生成，可使NOx的排放濃度進一步降低。在二級燃區的上面布置的“燃盡風”噴口，形成第三級燃燒區（燃盡區），以保證二級燃區中生成的未完全燃燒產物的燃盡[3]。

3 京唐公司低氮燃燒的實踐

3.1 技術路線

根據NOx生成原理及影響因素，采用空氣分級和燃料分級技術。通過爐內一、二次風的射流組織，爐膛的縱向空間尺度上，將燃燒分為一級燃燒區、二級燃燒區和三級燃盡區，在二級燃燒區形成NOx還原區，最終達到降低原煙氣NOx的目的。

3.2 低氮燃燒的實踐過程

3.2.1 第一級燃燒區

在第一級燃料區投入80%的燃料的需求下，將煤粉層A、B層投入，同時將高氣A、B層，GA層、AB層、BC焦氣等全部投入作為第一級燃燒區集中燃燒。

在配風控制上，對應的二次風配風開至50%，在a1=1.05-1.11的條件下燃燒。

3.2.2 第二級燃燒區

選取焦爐煤氣作為二次燃料，但是由于二次燃料所需要的比例為15%～20%（熱量），而焦爐煤氣在二級燃燒區域只有DE層的4個火嘴，單層焦爐煤氣從熱量配比上達不到15%-20%的熱量，仍然需要少量投入一層煤粉，以滿足熱量需求。作為二次燃燒區煤粉層的選取上，如果選擇E磨作為二級燃料的補充，那么E層還原區變短，停留時間不足，對降低NOx不利，另外由于E層靠近爐膛出口，導致出口煙氣溫度升高，需要增加減溫水使用量，降低鍋爐效率；如果選擇C層煤粉，C層煤粉與一級燃燒區距離較近，不能很好的控制空氣的分級，而且由于燃料的過于集中，且距離爐膛出口較遠，導致出口溫度偏低，使再熱器的溫度不夠，同樣造成機組的效率降低。綜合比較后選取D層作為二級燃燒區燃料。

作為二次燃料的煤粉細度的控制上，將煤粉細度進行偏置，A、B磨煤粉細度按R90=20控制，由于D層煤粉作為二次燃料，將煤粉細度控制在R90=15，細煤粉更易于使揮發份分解，產生有較多的氣化物作為還原氣體對已生成的NOx及中間產物產生還原作用，使NOx的生成量降低。

在配風的控制上，將二級燃燒區對應的二次風擋板開度開至30%，保持過量空氣系數a2=0.95。

3.2.3 第三級燃燒區

將上兩層燃盡風投入，保持燃盡風開度在40%，調整爐膛出口的氧含量在3.5～4.0%，以保證可燃物的燃盡。在保證原煙氣低氮排放的基礎上，盡可能的降低飛灰。

3.2.4 保證還原區長度

所謂還原區，是指二次燃料噴嘴與燃盡風風口之間的距離。隨著還原區的增加，NOx的排放量下降，但飛灰可燃物含量會有所增加。我們爐膛的還原區的高度為約5米，可保證二次燃料的還原區內的停留時間在0.7s～1.5s，能夠滿足化學反應時間及可燃物進一步燃盡的的需求。

3.2.5 保證二級燃燒區燃料的噴射速度

二級燃燒區燃料與來自一級燃燒區的高溫煙氣混合，二級燃燒區燃料的噴射速度對燃燒的動力場起了比較關鍵的作用，如果二級燃料噴射速度低，不能達到混合強度的要求，那么還原反應不能充分的進行，使已生成的NOx及中間產物被還原成N2的概率降低。因此，需要保證二級燃料的噴射速度，通過采取一次風壓力偏置即實現。

3.2.6 保證二次風噴射速度

二次風的噴射速度，對爐膛內切圓燃燒，起到擾動加強的作用，使空氣與燃料混合充分，使燃燒更加充分、徹底。所以，二次風剛度的加強，對爐膛內的三個燃燒區域起到很重要的作用。在高、焦氣用量穩定的情況下，不投入使用的燃燒器，適當開5%～10%的周界風，用于冷卻即可；正在使用的燃燒器，不開周界風；沒有投入使用的二次風，適當開5%用于冷卻，通過采取以上措施，將二次風風箱的壓力提高至0.6kPa，加強的二次風的噴入速度。

3.2.7 燃燒區域熱量的分配

在煤氣摻燒比約35%（其中高爐煤氣20%，焦爐煤氣15%，煤粉65%）的情況下。按照燃料分級的原則（一級燃料/二級燃料=8：2），將A、B、D三臺磨的出力設置偏置，按A=B>D的模式，高、焦爐煤氣采取平均分配方式，熱量分配：A層煤粉25%、 B層煤粉25%、D層煤粉15%、焦爐煤氣4×4%、高爐煤氣2×10%。

3.2.8 摻燒高爐煤氣后，對爐內燃燒的影響

（1）在相同負荷下，隨著高爐煤氣的摻燒量的增加，鍋爐煙氣量增加明顯，煤粉在爐膛內的停留時間明顯下降，煤粉燃燒時間不夠，燃盡困難，使得飛灰含碳量明顯升高。理論煙氣生成量和高爐煤氣摻燒率成正比，但是實際過程中，由于高爐煤氣摻燒還使得爐膛溫度下降，煙氣比容隨之下降，相反會抵消一部分煙氣量的增大值，煙氣量增加不是完全與摻燒率成正比，實際變化曲線較理論曲線的斜率稍小，但是增加的趨勢不會改變。

（2）由于高爐煤氣是低熱值燃料，其燃燒溫度明顯低于煤粉燃燒溫度，高爐煤氣的摻燒使得爐膛溫度水平明顯下降，而實際上煤粉的燃盡程度隨著爐膛溫度的降低而下降，使NOx濃度有明顯下降。

4 結論

通過此次低氮燃燒的三級技術，達到了預期的效果，原煙氣NOx含量降低至400 mg/Nm3左右，有時能運行在350 mg/Nm3以下；月液氨使用量可降低約100噸。由于摻燒低熱值高爐煤氣，使得火焰中心溫度降低，減溫水量使用量大量減少，過熱器減溫水由80t/h降至30t/h以下，再熱器減溫水由15t/h減少到2t/h，整體來說提高了鍋爐效率。

另外，由于鋼鐵廠煤氣調整根據全廠的調度平衡，電廠高、焦氣的用量進行頻繁調整，增加了燃燒調整難度，在煤氣摻燒比減少的情況下，依然按照此燃料分層的比例，同步增加煤粉的量，如果焦爐煤氣減少，優先減下層噴入量，DE層焦爐煤氣保持滿量供給。保證燃燒區80%的燃料，二級燃燒區20%燃料的配比關系，始終形成三分級燃燒模式，能維持原煙氣NOx在較低水平運行。

【參考文獻】

[1]周新雅.大型燃煤鍋爐低氮燃燒技術分析及應用策略[J].華東電力，2003（6）.

[2]吳碧君.燃燒過程NOx的生成機理[J].電力環境保護，2003，19（4）：9-12.

[3]馬風哪，程偉琴.國內火電廠氮氧化物排放現狀及控制技術探討[J].廣州化工，2011，39，15（58）.

[責任編輯：鄧麗麗]