低氮燃燒器在燃煤鍋爐上的運用

羅　新

（四川大學化學工程學院,成都 610065）

低氮燃燒器在燃煤鍋爐上的運用

羅新

（四川大學化學工程學院,成都 610065）

為提高川維廠9#燃煤鍋爐燃燒的穩定性及降低NOX排放量，對9#爐進行了低氮燃燒器改造。改造后，NOX濃度由改造前的645.1 mg/ m3降低到改造后的463mg/m3，低負荷不投天然氣能保證穩燃，達到了節能減排效果。

鍋爐;低氮燃燒器;NOX

1　引言

隨著經濟的發展，環境問題已成為當今社會日益關注的問題，而電站燃煤鍋爐是大氣NOX污染的主要污染源之一。按照《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）的規定，2014年現有火力發電鍋爐NOX排放濃度降到100mg/m3以下。中國石化四川維尼廠（簡稱川維廠）鍋爐車間9#爐是四川鍋爐廠制造的中溫、中壓煤粉爐。鍋爐露天布置、固態排渣、燃燒器為四角切圓布置形式，額定蒸發量為240t/h。鍋爐改造前，NOX的排放濃度平均在645.1mg/m3，如果使用低熱值煤，排放濃度還要較高。隨著國家對燃煤鍋爐氮氧化物排放控制越來越嚴格，降低NOX排放濃度刻不容緩。

2　NOX的生成途徑

燃燒過程中，NOX的生成主要為三種：熱力型NOX、燃料型NOX和快速性NOX。NOX的產生量和爐膛溫度、氧含量等有關密切關系。

①熱力型NOX：空氣中的氮氣在高溫下氧化而成。

②燃料型NOX：燃料中含有氮氧化物在燃燒過程中分解后，接著又氧化而成。

③快速型NOX：燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團等反應而成。

通常來說，鍋爐氮氧化物的生成的主要來源在于燃料型NOX，占總生成量的60%到80%。溫度足夠高時，熱力型NOX的產生量占總產生量的20%，但在溫度小于1500度時，基本上沒有熱力型NOX的產生。而快速型NOX產生量較少可忽略不計。

3　NOX控制技術

煤粉鍋爐降低NOX排放控制技術一般采用改變燃燒條件的低NOX燃燒技術和煙氣脫硝技術。改變鍋爐燃燒條件的低NOX燃燒技術簡單易行，投資和運行費用較低，盡管降低NOX的幅度有一定限制，但是聯合脫硝技術的使用最終能達到國家規定的排放標準。結合川維廠自身實際，2014年4月使用哈爾濱工業大學立體分級低氮燃燒技術對9#爐進行了低氮燃燒器改造。鍋爐設計參數見表1。

表1　鍋爐設計參數

3.1 原燃燒器參數

鍋爐原燃燒器為百葉窗式燃燒器，假想切原直徑為Φ600mm，每角燃燒器共布置6層噴口，包括有2層一次風噴口，1層三次風噴口，3層二次風噴口（最下層布置有燃氣裝置），一次風裝置兩側布置有周界風噴口。改造前燃燒器的主要設計參數(B-MCR工況)為一次風溫147℃，一次風速28m/s；二次風溫330℃，二次風速42m/s；三次風溫60℃，三次風速50m/s。原燃燒器結構型式欠妥，不利于抑制NOX生成。爐內空氣分級燃燒效果不明顯，無法起到大幅降低NOX的目的，NOX排放濃度過高，額定工況下平均達到645.1mg/m3。

3.2 立體式低氮燃燒技術

低氮燃燒器降低燃料型和熱力型NOX形成是基于：

①在燃燒的前期階段最大量地釋放揮發份；

②造成一個最初的缺氧區域以抑制燃料氮轉化成NOX和熱力型NOX的生成；

③延遲燃料和空氣的混合，降低火焰溫度抑制熱力型NOX的生成；④后期延長富氧區的滯留時間（三次風）保證燃盡；⑤良好的煤粉細度有助于燃料氮更早地逸出和燃盡；

在實際中,將水平空氣分級燃燒技術、垂直空氣分級燃燒技術與水平燃料分級技術結合起來,形成立體分級低氮燃燒技術。在爐膛煙氣流動的主流方向上采取空氣分級燃燒技術,增設若干層燃盡風噴口,使主燃燒區域形成缺氧燃燒狀態,降低爐溫及NOX的生成量。在水平方向上,采取水平方向上高效分離技術對燃料進行水平方向上的分級,使得火焰外部形成氧化性氣氛,有效緩解了爐膛受熱面的結渣和高溫腐蝕問題,火焰內部為高煤粉濃度的還原性氣氛,不僅降低了煤粉氣流的著火點,還有利于保證燃燒穩定性,特別是在低負荷情況下燃燒的穩定,而且還原性氣氛也有效抑制了燃料N向NO的轉變。

4　低氮燃燒器的運用

根據川維廠的原常燃用煤質揮發份較高煤質特性與燃燒系統設計特點，充分考慮燃燒器的煤質適應性進行了改造。改造后的燃燒器主要設計參數為一次風溫200℃，一次風速23.5m/s；二次風溫340℃，二次風速約45m/s；燃盡風溫340℃，燃盡風速約45m/s；三次風溫80℃，三次風速50～60m/s。

4.1 一次風燃燒器改造

將一次風燃燒器改為高濃縮比水平濃淡燃燒器，改造后一次風風速由原來26m/s～30m/s適當減低至23m/s，適用于燃用低揮發分劣質煤種，改造后一次風率維持不變，保證原制粉系統的出力不變。在燃燒器濃一次風噴口內加裝大尺寸水平波形鈍體和在濃一次風向火側出口壁面處加裝多個大尺寸穩燃齒。鈍體和穩燃齒起到卷吸高溫煙氣、強化擾動的作用，當煤粉氣流流經鈍體后形成熾熱的高溫煙氣回流旋渦，在回流區邊緣，由于速度梯度大，煤粉濃度及燃燒溫度較高，具有極好的著火穩燃條件，大幅度提高一次風煤粉氣流的出口火焰穩定性。

同時在一次風噴口周圍加裝適當大小的周界風。在一次風噴口的背火側周界風噴口面積適當增加，形成較大出口動量的側二次風噴口，形成偏置型周界風噴口。側二次風的噴入有效避免水冷壁壁面形成還原性氣氛，起到在燃用高揮發份煤質時，防止爐膛水冷壁結渣和高溫腐蝕的作用。此外，在一次風噴口四周均設有周界風，運行時利用各自獨立的風量控制擋板調整得到合適噴口周界冷卻風量，以便在煤質較大幅度變化下，如變為揮發分高的煙煤時，在噴口四周投運冷卻風保證充分風量冷卻噴口，以防止回火和高溫受熱變形或燒壞噴口。

4.2 主燃燒器區二次風噴口改造

主燃燒器區二次風噴口面積根據主燃燒器區有組織二次風減少的程度進行相應縮小，保證出口的二次風風速達到較高風速（45m/s）。保證最下層較大二次風噴口面積，使其具有較大出口二次風動量，起到在最下層托粉的作用，減少爐膛底部的掉渣量和大渣的含碳量。一二次風切圓布置沒有改變，與原設計相同。

4.3 燃盡風改造

在主燃燒器上方布置一層共8只燃盡風噴口，整個燃盡風噴口在燃燒器區上部相同的水冷壁角部位置開出燃盡風安裝口，燃盡風量占總空氣量約為25%～30%，燃盡風噴口風速采用較高風速45m/s，所有燃盡風噴口均可以垂直和水平方向擺動，上下擺動±15°，水平方向上±10°左右擺動，可根據鍋爐運行狀況進行噴口角度的適當調整，可有效調節爐膛出口煙溫偏差，并保證過熱器管壁不出現超溫問題。各個燃盡風噴口的供風風道均由相對應的各角主二次風道引出分別向燃盡風噴口供風，保證供風阻力小，運行中燃盡風噴口風量均由各自獨立的風門擋板及電動執行器進行自動控制。主燃燒器區二次風噴口面積根據主燃燒器區有組織二次風減少的情況進行相應縮小，爐內燃燒器噴口布置如圖1。

圖1　燃盡風水平布置和噴口布置圖

5　改造效果

改造完成后，調試小組對9#爐低氮燃燒器在不同鍋爐負荷進行了性能調試，主要是保持下層燃盡風全部關閉，分別改變上層燃盡風開度進行測量。每個工況保證穩定運行不低于兩個小時，變燃盡風測試結果如下表2。

表2　變燃盡風開度試驗測定結果

在進行低氮燃燒器改造后，通過對低氮燃燒器進行調試，由試驗結果可以看出：隨著燃盡風風門開度的增加，NOX排放量呈明顯遞減趨勢。燃盡風開度為60%時,NOX值降低為463mg/Nm3，比改造前NOX排放值降低顯著，脫硝效率達到28%。隨著爐膛出口氧量的降低，NOX排放量呈遞減趨勢，入爐總風量減小時，主燃燒器區域的供氧量減少，增加了主燃燒器區還原性氣氛，主燃燒器區形成富燃料燃燒，燃料型NOX的生成量隨之減少，NOX排放量下降。

6　結論

本次#9鍋爐燃燒器經過低氮改造后，燃燒穩定，煤粉燃燒器著火，脫硝入口的濃度平均在480㎎/Nm3，達到煙氣脫硝設計進口小于550㎎/Nm3要求，經噴氨反應后，脫硝出口NOX排放濃度平均在80㎎/Nm3以下，達到國家環保標準低于100mg/Nm3的要求，低氮燃燒器技術的可行性和有效性得到充分體現。

[1]李明.淺析火電低氮燃燒器的改造與應用[J].科技風,2011(15).

[2]顧衛榮,周明吉,馬薇.燃煤煙氣脫硝技術的研究進展[J].化工進展,2012(09)．

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.059