新型工業煤粉鍋爐運行及排放特性試驗研究

李明浩++李國俊++劉傳鵬++董凌云++郁鴻凌

摘要： 為了改善工業煤粉鍋爐的NOx排放特性并保證其燃燒效率，對某新型空氣分級燃燒器進行了現場試驗.通過改變煤種、過量空氣系數及三次風開度，分析了鍋爐NOx及CO排放質量濃度的變化規律，同時采用反平衡法對鍋爐的熱效率進行了測算.試驗結果表明，工業煤粉鍋爐能達到較高的熱效率；煤中氮含量及揮發分含量與NOx的生成具有一定的相關性，氮含量越高，NOx排放質量濃度越高，揮發分含量越低，NOx排放質量濃度越高；過量空氣系數和三次風開度不僅影響鍋爐燃燒效率，而且對NOx排放的影響也較為顯著.研究發現，試驗鍋爐的排煙氧含量（質量分數）應控制在2.5%～2.6%之間較為合理，三次風開度為39%時NOx排放質量濃度最低.

關鍵詞： 工業鍋爐； 煤粉； 分級燃燒； 過量空氣系數； 三次風； 氮氧化物

中圖分類號： TK 227 文獻標志碼： A

Abstract： To improve the nitrogen oxides （NOx） emission characteristics of industrial pulverized coal boiler and guarantee its combustion efficiency，field test was carried out on a model of air staged burner newly developed by a company in Shanghai.The emission characteristics of NOx and carbon monoxide （CO） were analyzed by changing the coal type，excess air coefficient and opening of the tertiary air.At the same time，Thermal efficiency of the boiler was calculated by antibalance method.Experimental results showed that high thermal efficiency of this industrial boiler could be achieved.The nitrogen content and volatile content in the coal samples had some correlations with NOx generation.The higher the nitrogen content，the higher the NOx emission was.The lower the volatile content，the higher the NOx emission was.The excess air coefficient and opening of the tertiary air not only had influences on the combustion efficiency of the boiler，but also had significant influence on the NOx emission.It was reasonable to control oxygen content in the flue gas between 2.5%and 2.6%.The lowest NOx emission was achieved when the opening of the tertiary air was 39%.

Keywords： industrial boiler； pulverized coal； staged combustion； excess air coefficient； tertiary air； nitrogen oxides

中國燃煤工業鍋爐總量約為57萬臺，年耗燃料約4億t標準煤，污染物排放總量接近電站鍋爐，在許多城市甚至超過電站鍋爐的排放[1]，在燃燒過程中產生的NOx更直接危害了人類賴以生存的環境.上海等重點地區燃煤鍋爐的NOx排放極限值為200 mg·m-3[2]，而目前的工業鍋爐大多沒有達到這一標準，因此對燃燒器進行研發及改造就變得十分緊迫.本文通過對某新型空氣分級燃燒器進行現場試驗，測算鍋爐運行效率并研究不同煤種、過量空氣系數及三次風開度對氮氧化物的生成和燃燒效率的影響，為燃燒器的平穩運行和進一步改造提供依據.

1NOx生成機理及空氣分級燃燒技術

1.1NOx生成機理

燃煤煙氣中的NOx大部分是在燃料的燃燒過程中生成.在燃燒過程中，NOx的生成途徑主要有三種，溫度型NOx、快速型NOx及燃料型NOx[3].溫度型NOx的生成速率與反應溫度直接相關，與溫度T大致呈指數關系.當溫度低于1 500 ℃時，溫度型NOx的生成量極少，只有當溫度高于1 500 ℃時才開始生成[4].快速型NOx是燃料中的碳氫化合物分解后的中間產物CmHn （CH2、CH3、C2）撞擊燃燒空氣中的N2生成HCN、CN，再與火焰中產生的大量O、OH反應生成NCO，NCO又被進一步氧化成NO，快速型NOx在不含氮的碳氫燃料和在較低溫度下燃燒時才重點考慮[5].燃料型NOx在生成的NOx中占主要部分，約占整個NOx排放的75%～95% （體積分數），控制燃料型NOx的生成是控制NOx的關鍵所在.燃料型NOx的生成機理非常復雜，其反應機理現在還不能被完全掌握，其中包括了一系列化學反應.燃料中的氮元素完全氧化的化學過程是由兩個相互競爭的過程決定的，即燃料中的氮元素高溫分解生成含有氮原子的中間產物，包括N、CN、HCN、NH3等，然后中間產物和含有氧原子的反應物（包括O、OH、O2）反應生成NO；另一方面如果在缺氧環境下則與NO反應，使NO還原為N2，最終的NO生成量也就由競爭的結果決定[6-7].

1.2空氣分級燃燒技術

空氣分級燃燒是通過調整燃燒器及附近區域或整個爐膛區域內空氣和燃料的混合狀態，使燃料經過富燃料燃燒和富氧燃燒兩個階段，實現NOx生成量下降的燃燒控制技術.在富燃料燃燒階段，由于氧氣濃度較低，抑制了熱力型NOx生成，同時，不完全燃燒使部分已生成的NOx還原成N2，減少了燃料型NOx生成.在富氧燃燒階段，燃料燃盡，但由于此區域溫度已降低，新生成的NOx數量有限，因此，總體上NOx的排放量減少[8].工業煤粉鍋爐內部爐膛空間有限，煤粉停留時間短，因此在工業煤粉鍋爐上選擇空氣分級燃燒技術較為合理.

2鍋爐運行效率測算及試驗燃燒器簡介

2.1鍋爐運行效率測算

我國燃煤工業鍋爐以鏈條爐居多，其實際運行效率只有65%左右[9]，能源利用率低，而工業煤粉鍋爐則有較高的燃燒效率.本文首先采用反平衡法對本次試驗煤粉鍋爐的熱效率進行測算，以便與鏈條爐進行直觀的比較.

鍋爐型號為TQDHMF201.25AIII高溫低NOx液體排渣煤粉鍋爐，試驗工況鍋爐出力為21.19 t·h-1；試驗工況排煙溫度為170.1 ℃.

式中：q2為排煙熱損失；q3、q4分別為氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失；q5為散熱損失，可查表獲得；q6為灰渣物理熱損失；Hpy為排煙處煙氣焓；Hlk為入爐冷空氣焓；Kq4為修正系數；Qr為輸入熱量；Vgy為排煙處干煙氣體積；CCO為排煙處CO體積分數；Aar為收到基灰分；Clz為爐渣可燃物含量；Cfh為飛灰可燃物含量；（ct）fh為飛灰焓；（ct）lz為爐渣焓；αlz、αfh分別為爐渣含灰量、飛灰含灰量占入爐煤總灰量的質量分數；q為總損失；η2為總效率.

由計算可知，本次試驗的煤粉鍋爐的熱效率達到90.64%，而工業鏈條爐的效率只有65%左右.因此，若使工業煤粉鍋爐的污染物排放能較好地達到國家標準并全面推廣，將會為企業節約大量的資金，使資源得到更有效的利用.

2.2試驗燃燒器簡介

在工業鍋爐上使用煤粉，燃燒器的設計是關鍵.由于工業鍋爐的爐膛空間較小，這就要求燃燒器應能較好地組織爐內的流場，使煤粉高效穩定地燃燒，避免結渣，同時產生較少的污染物.本次試驗用的新型燃燒器采用空氣分級燃燒技術，在燃燒過程中形成3個相對獨立的部分：初始燃燒區、NOx還原區和燃料燃盡區.這種改進的空氣分級方法通過優化每個區域的過量空氣系數，在有效降低NOx排放的同時可最大限度地提高燃燒效率.燃燒器共有四次風，一次風用來將煤粉輸送到燃燒器內，二次風、三次風和四次風則先經空氣預熱器加熱后再送入燃燒器.二、三次風在進入燃燒器前均先通過固定葉柵，從而產生旋流，增強與煤粉的混合.由于三次風風量對NOx生成的影響較為顯著，在設計時，三次風共留有六個均分開度，可以通過改變閥門開度來控制三次風在總風量中所占的比例.四次風在三次風的后部送入，通過送入充足的氧氣使煤粉完全燃燒.燃燒器的尾部留有凹槽，以此來排出液態渣.為延長燃燒器的使用壽命，在燃燒器外部安裝有水冷套，通過循環水對其進行冷卻降溫.

3試驗及結果分析

3.1試驗前準備

本試驗使用德國ECOMJ2KN便攜式多功能煙氣分析儀對鍋爐尾部的NOx及CO質量濃度進行檢測，每個試驗工況取 4～5 組數據進行平均，并根據GB 13271—2014[2]將含氧量（體積分數）修正到9%.煤粉在煤倉上方的取樣口取得，所取樣品立即進行工業分析和元素分析，以保證分析結果的準確性和及時性.

3.2測點布置及試驗方法

測點布置在爐膛尾部與空氣預熱器之間.系統概況及測點布置如圖1所示.

試驗方法為：

① 保持相同的給煤量及配風量，且煤粉均由同一磨煤機在相同條件下磨得，改變煤種測量NOx排放質量濃度；

② 使用伊泰3煙煤且保持送煤量恒定，改變配風量（即過量空氣系數），測得NOx及CO排放質量濃度；

③ 使用伊泰3煙煤且保持送煤量、配風量恒定，改變三次風開度（即三次風率），測得NOx及CO排放質量濃度.

3.3試驗結果及分析

表1為煤樣工業分析與元素分析數據；其中：Mad、Aad、Vad分別為煤樣的水分、灰分和揮發分；FCad為固定碳；Qar，net為發熱量；Cado、Had、Nad、Sad分別為碳含量、氫含量、氮含量、硫含量.

圖2（a）為NOx排放質量濃度與揮發分含量（質量分數）的關系.從圖中可以看出，隨著揮發

分含量的增加，NOx生成量呈下降趨勢.揮發分

對NOx轉化率的影響與過量空氣系數α有關.在

〖CM（78mm〗α>1的氧化性氣氛中，煤的揮發分越多，NOx轉化率越高；但在α<1的還原性氣氛中，高揮發分煤種的燃料型NOx轉化率反而降低，因為高揮發分的煤在迅速著火后，局部氧含量進一步降低，增強了煤粉氣流低溫燃燒階段的還原性氣氛，不僅抑制了燃料氮向NOx的轉化，而且還會使生成的NOx部分被還原，因此煤中的揮發分含量越高，其生成的NOx質量濃度越低.本試驗中燃燒器在揮發分燃燒階段正處于還原性氣氛，因此隨著煤中揮發分含量的增加，NOx最終生成量會減少.

圖2（b）為NOx排放質量濃度和煤中氮含量（質量分數）的關系.

從圖中可以看出，隨著煤中氮含量的增加，NOx生成量逐漸增加，但并不是簡單的線性關系.在燃燒時，煤中的氮一部分隨揮發分析出，一部分留在焦炭中.揮發分氮隨著其燃燒而形成中間產物HCN、NH3和焦油等，這些中間產物的燃燒產物是NO或N2；焦炭中的氮元素在燃燒過程中以CN的基團形式與O、NO等反應，同時在焦炭的催化作用下形成NO、N2 等[10].所以揮發分燃燒階段生成的NO可以在后一階段的焦炭的燃燒過程中得到還原，但焦炭的燃燒依然有NO的生成.總的NO的轉換率是由揮發分、焦炭兩個階段的NO生成量和焦炭表面上NO的還原量決定的[11]，因此煤中氮含量對NOx生成的影響并不是簡單的線性關系.

圖3（a）為NOx和CO排放質量濃度與氧含量的關系.

隨著配風量的增加，鍋爐出口處的氧含量開始增加，與此同時，NOx的生成量也開始增加，但出口處的CO質量濃度迅速減少，直至為零.產生這種現象的原因是隨著入爐氧含量的增加，燃燒加強，使爐內局部火焰溫度上升，為

燃料氮轉化為燃料型NOx提供了條件.同時，入爐生成量迅速增加，因此，總的NOx生成量隨著入爐氧含量的增加而增加.但還應注意的是，若配風量過少，CO的生成質量濃度會急劇增加.CO的增加會使灰熔點大大降低，導致爐膛結焦，且過高的CO質量濃度會在相應的區域產生強烈的還原性氣氛，引起高溫腐蝕；同時，隨著CO質量濃度的增大，不完全燃燒損失增加，使鍋爐效率降低.因此應選取合適的過量空氣系數.從所測數據可以看出，本試驗中燃燒器的鍋爐出口氧含量應控制在2.5%～2.6%之間，此時不僅NOx的排放可達到國家標準，CO的生成量也較少.

圖3（b）為NOx及CO 排放質量濃度與三次風開度的關系.當三次風的開度在33.3%和50.0%時，NOx生成量較低，而在16.7%和66.7%開度時，NOx生成量則明顯增加.由圖可以看出，三次風存在一個最佳開度，使NOx的生成量最小.但由于燃燒器在設計時共有六個均分開度，所以無法通過試驗找出.擬合試驗數據得到NOx生成量y與三次風開度x的關系為

由此可知，當三次風開度在39%左右時NOx生成量將達到最小，此時CO排放質量濃度也在合理范圍內，燃燒器運行狀況良好.在燃燒器下一步改造時可考慮增加三次風39%開度，然后再次進行試驗測量，并與擬合數據進行對比.

4結論

（1） 本試驗中工業煤粉爐熱效率達到90.64%，而鏈條爐實際運行效率只有65%左右.再次證明了煤粉爐在資源有效利用上的優勢.

（2） 不同煤種對煤粉爐的NOx排放有很大影響，尤其是煤的揮發分和氮含量.在污染物排放要求較高的重點地區，煤粉鍋爐應燃燒揮發分含量相對較高的煙煤，從而降低NOx排放.

（3） 過量空氣系數對煤粉鍋爐的燃燒效率和污染物排放影響很大.在保證NOx排放達到國家標準的前提下，盡量使煤粉充分燃燒.本試驗中燃燒器應將鍋爐出口氧含量控制在2.5%～2.6%之間較為合理.

（4） 三次風開度對NOx排放的影響較為明顯.應合理選擇三次風在總配風量中所占的比例.由測得數據可知，本試驗中燃燒器的三次風開度為39%時較為合理.

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