160t/h煤粉鍋爐低氮燃燒技術研究與應用

李景忠 畢加佳 姜軍虎 陳健 王偉

摘 要：為了適應國家鍋爐煙氣2020超低排放環保要求，進一步降低煤粉鍋爐氮氧化物排放指標，公司采用低氮燃燒器和空氣分級的低氮燃燒技術對兩臺160t/h煤粉鍋爐進行了提標改造。SCR入口NOx大幅下降，燃燒效率和鍋爐運行參數穩定可靠，效果顯著。

關鍵詞：低氮燃燒器;空氣分級;SCR脫硝系統

Abstract：In order to meet the environmental requirements of 2020 ultra low emission of boiler flue gas， the index of nitrogen oxide emission from pulverized coal fired boilers is further reduced. The company adopted low nitrogen burner and air classification low nitrogen combustion technology to upgrade two 160t/h pulverized coal fired boilers. The nitrogen oxide of the SCR inlet decreased significantly， and the combustion efficiency and boiler operation parameters were stable and reliable， and the effect was remarkable.

Key words：Low nitrogen burner;Air grading;SCR denitrification system

渭化集團公司1、2#鍋爐為HG-160/10.8-YM1型煤粉鍋爐，由哈爾濱鍋爐廠設計、制造和配套。系高壓單鍋筒、自然循環、倒U型布置的固態排渣煤粉爐。

設計煤種為陜西黃陵煙煤，燃燒器采用四角布置切向燃燒直流式，四組8個煤粉噴嘴，每組五個風室和噴口，其中煤粉噴口兩個，二次風噴口與煤粉噴口間隔布置，有上、中、下三層。煤粉噴口四角有周界風以防止在水冷壁上結渣。

為了適應嚴苛的環保要求，2014年兩臺鍋爐都增設了SCR脫硝裝置，SCR入口NOx為700-980mg/Nm3，出口為60-90mg/Nm3，雖然符合《關中地區重點行業大氣污染物排放限值》（DB61/941-2014），但達不到2020超低排放標準，因此再改造勢在必行。

1 NOx在燃燒中占比

煤燃燒過程中生成的氮氧化物NOx主要是指NO、NO2和N2O，其中NO約占90%。根據燃料和燃燒條件不同，NOx的生成分為熱力NOx、快速NOx和燃料NOx三種。對于煤粉鍋爐，熱力NOx占總NOx排放量的20%左右，快速NOx占5%以下，燃料NOx占總生成量的75%左右，是NOx排放的主要來源。

2 低氮燃燒技術措施

2.1 低氮燃燒技術原理

爐內脫氮就是采用各種燃燒技術手段來控制燃燒過程中NOx的生成，又稱低NOx燃燒技術，目前常見的主要有三種：

2.1.1 低過量空氣系數（LEA）

低過量空氣燃燒也叫低氧燃燒，是使燃料在爐內總體過量空氣系數較低工況下燃燒，主要針對熱力型NOx。實際運行時可能導致飛灰含碳量增加，燃燒效率降低，爐膛結焦等不良影響，對大幅降低NOx效果有限。

2.1.2 濃淡偏差

濃淡偏差原理，是基于過量空氣系數對NOx的變化關系，使部分燃料在空氣不足條件下燃燒，即“富燃”燃燒;另一部分燃料在空氣過量條件下燃燒，即“富氧”燃燒。濃淡兩股煤粉氣流分別在還原氣氛和煙溫較低條件下燃燒，以擬制NOx的生成。但在實際運行中，煤粉的濃淡偏差分布，與提高燃燒效率的煤粉均勻分布相矛盾;煤粉過濃造成的嚴重缺氧氣氛，又會造成燃燒器結焦。

2.1.3 空氣分級

從NOx的生成機理可以知道，反應區域內空氣與燃料的比例極大影響著NOx的形成。空氣過量會使NOx排放量增加，因此在燃燒器設計中采用空氣分級原理來控制反應區域內的氧量。把供燃燒用的空氣由原來的一股分為兩股或多股，在燃燒開始階段只加入部分空氣，造成燃料部分燃燒，燃料中氮的化合物一部分發生分解、還原反應生成穩定的氮分子，從而減少了“燃料型”NOx的生成。作為完全燃燒用的其余二次風，噴射到富燃料區域的上層，形成二次燃燒區使燃料完全燃燒。空氣分級布置，燃料的燃燒是分部進行的，火焰整體溫度包括二次燃燒區域溫度都比不分級時低，于是二次燃燒區域內NOx形成受到抑制。空氣分級原理是一種簡單可行的降低NOx的有效手段，與其他技術相比，NOx可降低25%-40%。

2.2 低氮燃燒技術比較

①低氧燃燒：根據原來運行條件，氮氧化物最多降低20%，具有投資少的優點，但會導致飛灰含碳量增加;

②降低投入運行的燃燒器數目：氮氧化物可實現降低15%-30%，具有投資低，易于鍋爐改裝上午優點，但有引起爐內腐蝕和結渣的可能，并導致飛灰含碳量增加;

③空氣分級燃燒（OFA）：氮氧化物可實現降低25%-40%，具有投資少的優點，但并不是對所有爐膛都適用，有可能引起爐內腐蝕和結渣，并降低燃燒效率;

④低NOx燃燒器：與空氣分級燃燒相結合時可達50%左右，可用于新的和改裝的鍋爐，中等投資，且有運行經驗，但結構比常規燃燒器復雜，可能引起爐膛結渣和腐蝕，并降低燃燒效率。

3 低氮燃燒改造方案

根據鍋爐運行狀況和氮氧化物排放情況，在已有SCR脫硝的基礎上，經過廣泛調研，公司決定實施低氮燃燒改造，對鍋爐燃燒器系統進行重新設計布置，采取空氣分級技術。

3.1 設置燃盡風及二次風噴口改造

在改造后的主燃燒器上部約3.5-4米左右的位置，每個角各增加1個燃燼風噴口及相應組件。每個燃盡風噴口配置單獨的執行機構，能夠使噴口在垂直方向擺動。燃盡風處水冷壁管重新讓管，增加燃燼風噴口及打焦孔。在主燃燒器上部增設燃燼風是為了在爐膛縱向實現分級燃燒，控制燃燒溫度，燃燼風噴口面積占二次風噴口總面積的20-30%。爐膛內的燃燒區域分為兩部分，即主燃燒區和燃燼區。主燃燒區空氣占總風量的70%-85%，燃燼區占總風量的15%-30%。通過燃燼風來實現爐膛豎直方向的分級燃燒、降低NOx的生成。燃燼風取自二次風箱，采用鋼管引至燃燼風噴口，中間增設自動控制與測量裝置。

為實現在主燃燒區過量空氣系數為0.8左右的要求，需對上中下二次風噴口進行改造。

由于增設了燃燼風噴口，在原燃燒器上部3-5米左右的位置需要在水冷壁上開孔，增加水冷壁讓管及密封盒。

3.2 一、二次風不等切圓設計

在爐內采用一二次風不等切圓，即采用一次風假想切圓直徑小、二次風假想切圓直徑大，在水平斷面控制一次風與二次風的混合燃燒過程，實現爐內在水平斷面方向的分級燃燒。一方面通過水平方向分級燃燒的方式減少NOx的生成量，同時在靠近爐墻處形成氧化性氣氛，減弱爐內的結焦及結渣。一次風假想切圓直徑將最終通過冷態試驗確定。

3.3 一次風燃燒器

考慮現鍋爐制粉送粉方式為單磨直吹式系統特點，一次風系統仍采用扭曲板實現垂直濃淡燃燒方式，一次風噴口仍采用不等邊周界風結構。

4 改造后效果分析

4.1 調試分析

為了驗證低氮燃燒改造效果，對改造項目進行了調試試驗。試驗內容為鍋爐在不同負荷下，通過調整各二次風及燃燼風風門開度，實現不同的分級風比及氧量，在不違反熱態調試原則情況下，達到較低的NOx排放與鍋爐運行經濟性的統一。特選擇三個典型工況進行熱態調試。分別為：

工況1：額定負荷下單投上級燃燼風工況;上級燃燼風風門開度90%左右，下級燃燼風風門開度12%，二次風配比為：上70%-80%，中60%-70%，下100%。實驗結果SCR入口NOx為447 mg/Nm3，排煙溫度153.5℃，飛灰含碳量5.95%，渣含碳量7.42%。

工況2：額定負荷下投運兩級燃燼風工況;上級燃燼風55%，下級燃燼風98%，二次風配比為：上70%-80%，中60%-70%，下100%。實驗結果SCR入口NOx為435 mg/Nm3，排煙溫度152.5℃，飛灰含碳量11.21%，渣含碳量5.57%。

工況3：低負荷工況試驗; 140t/h，上級燃燼風95%，下級燃燼風12%，二次風配比為：上60%-70%，中50%-60%，下100%。實驗結果SCR入口NOx為446 mg/Nm3，排煙溫度155℃，飛灰含碳量10.2%，渣含碳量4.73%。

4.2 性能考核

①經過72h考核試運行，鍋爐煤專燒負荷在140t/h-160t/h，均達到以下效果：爐內燃燒穩定、煤粉著火距燃燒器噴口距離合適;

②四角噴燃器、爐膛水冷壁及過熱器無明顯結焦;

③排煙溫度無異常升高;

④SCR裝置入口NOx折算值<450mg/Nm3。

5 結論

①鍋爐低氮燃燒改造后，在設計煤質條件下，SCR反應器進口處NOx可達到450mg/Nm3以下，與改造前相比，脫硝效率可達到50%以上;

②在低氮工況下鍋爐負荷等主要運行參數合格，鍋爐燃燒穩定、著火及時，未發現嚴重結焦和腐蝕現象，爐膛出口煙溫、排煙溫度無明顯升高，灰渣含碳量等均達到了設計值。

參考文獻：

[1]馮俊凱，沈幼庭，楊昌瑞.鍋爐原理及計算（第三版）[M].北京：科學出版社，2003.

[2]周強泰主編 鍋爐原理（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]趙永黎，任恒昌，朱焱松.130t/h中壓煤粉爐低氮燃燒器改造[J].中國設備工程，2014（11）.