富氧低NOx穩燃技術在300 MW煤粉鍋爐機組靈活性調峰中的應用

陳子曦，王 慶，王泉海，雷云紅，李建波，賈 益，亢銀虎，盧嘯風

(1.重慶大學 低品位燃料高效清潔利用技術及系統重點實驗室，重慶 400044；2.重慶富燃科技股份有限公司，重慶 400050)

0 引 言

可再生能源發電的裝機容量逐年增加且運行中有較強的隨機性。為促進可再生能源發展，國內對燃煤鍋爐機組提出了更高的調峰要求，要求部分鍋爐實現20%負荷下穩定燃燒甚至頻繁啟停[1-3]。因此鍋爐運行中如何適應深度調峰要求將是電站鍋爐燃燒技術的研究重點之一[4-6]。而且要求鍋爐在深度調峰的同時，需要實現污染物達標排放[7]。

國內外學者開展了許多低負荷穩燃和降低NOx排放的技術研究。其中低負荷穩燃技術主要包括氣化小油槍穩燃技術和等離子穩燃技術，前者對煤種要求較高，而等離子點火燃燒器不適合低揮發分煤種，且使用壽命短，易磨損漏水，造成一次粉管堵塞[8]。低NOx排放技術主要有低氧燃燒、分級送風燃燒、燃料分級燃燒、回收CO2或H2O富氧燃燒、雙分級或雙尺度燃燒技術等[9-13]，且在使用中達到較好的效果，此外還有尚在改進與研究中的脈動燃燒、化學鏈燃燒和MILD燃燒技術等，但這些技術在鍋爐超低負荷運行時難以達到穩燃且同時抑制NOx生成的效果[14-18]。可見前人研究中同時滿足低負荷穩燃和降低NOx生成的技術很少。為此，作者團隊研發了一種新的富氧低NOx穩燃技術，在煤粉鍋爐超低負荷調峰時，能解決煤粉鍋爐不投油條件下的穩燃問題和NOx生成量增大問題，并在某電廠的300 MW煤粉鍋爐機組進行了應用示范。

本文介紹了某電廠300 MW煤粉鍋爐燃燒器進行富氧低NOx燃燒技術改造情況，在工業示范對不同負荷下NOx排放量和煙氣及蒸汽溫度進行測量，并對富氧低NOx燃燒技術在超低負荷下的性能優勢及其經濟性進行分析，為不同電站鍋爐深度調峰和低NOx排放提供參考和改造依據。

1 富燃低NOx穩燃技術的基本原理

預燃室中的濃煤粉流在局部極高氧濃度下高速燃燒，之后形成的還原性氣氛中控制NOx的生成，局部缺氧使NOx還原為N2和O2，從而降低NOx生成量[19-20]。

由于煤粉在局部極高氧濃度下燃燒，提供著火所需的局部高溫，使富氧煤粉火焰的穩定性好，可確保爐膛煤粉火焰著火穩定，還可維持其余煤粉燃燒器在低NOx工況下運行[21]。

2 富氧低NOx技術在煤粉鍋爐上的應用

2.1 鍋爐概況

某電廠的1號爐為武漢鍋爐廠制造的亞臨界自然循環汽包鍋爐(WGZ1018-18.44-2)。鍋爐采用中速磨直吹制粉系統，墻式旋流燃燒器對沖布置，尾部雙煙道，煙氣擋板調節再熱汽溫，噴水減溫調節過熱汽溫，中間一次再熱，平衡通風，三分倉容克式空氣預熱器，刮板撈渣機連續固態排渣，全鋼構架，懸吊結構，鍋爐運轉層以上為緊身封閉島式布置。

鍋爐尾部煙道安裝SCR脫硝系統，采用寬溫區脫硝催化劑，其使用溫度為260～400 ℃。鍋爐設計汽包壓力9.61 MPa，過熱蒸汽溫度543 ℃，再熱溫度543 ℃，蒸汽流量1 004 t/h。鍋爐燃用劣質煙煤，煤質性質見表1。

表1 燃用煤種煤質性質

由于調峰運行，該鍋爐機組在運行中啟停頻繁，最低運行負荷為額定負荷的40%～50%，無法滿足深度調峰至額定負荷25%的要求。為此，對機組進行富氧低NOx燃燒技術改造，將鍋爐A、D兩層原12臺一次風燃燒器改為富氧低NOx燃燒器，并配套安裝供氧系統、燃氣系統和控制系統等。

2.2 富氧低NOx燃燒器工作原理

圖1為富氧低NOx燃燒器原理，燃燒器主要由5部分組成。一次風和煤粉經過煤粉濃縮環后形成外稀內濃的2股煤粉流，部分煤粉進入富氧預混燃燒室呈富氧狀態，使該部分煤粉的著火溫度降低。預混室內通入的壓縮氧氣與油槍噴口處的燃油充分混合后高效燃燒，產生的火焰具有動量大、剛性強、傳播速度快、中心溫度高等特點，使富氧預混燃燒室內的富氧煤粉快速熱解，釋放揮發分著火燃燒，產生大量熱而引燃整個一次風煤粉。冷卻風從冷卻風入口射入，冷卻燃燒器殼體，避免了燃燒器被高溫火焰燒壞[22-23]。

圖1 富氧低NOx燃燒器原理Fig.1 Schematic diagram ofoxygen-enrichedand low NOx combustion

2.3 測點布置

利用鍋爐原有溫度測點和壓力測點，獲得不同工況下煙氣溫度、蒸汽溫度以及壓力。在鍋爐SCR入口煙道處，按網格法設置10個深度1 m的SCR入口煙氣組分測點，如圖2所示。

圖2 SCR入口煙道處測點布置Fig.2 Arrangement of measuring points at SCR inlet flue

2.4 試驗工況

根據試驗要求及現場實際情況，重點針對同時投運A、D層富氧低NOx燃燒器前后及低負荷(20%～ 40%額定負荷)下SCR入口煙道NOx濃度與溫度進行測量，每個測點取平均值。試驗工況見表2。

表2 NOx及煙溫測量工況

3 試驗結果與分析

3.1 不同工況下NOx生成量

圖3(a)為鍋爐改造前后SCR入口NOx濃度分布，圖3(b)為各工況NOx平均濃度。可以看出，富氧低NOx穩燃燃燒器改造后NOx排放量顯著降低。改造前，SCR入口煙道處NOx濃度高達700 mg/Nm3左右。對比工況1、2，改造后未投入富氧低NOx燃燒系統時，NOx排放量降至481 mg /Nm3，其原因主要是富氧低NOx穩燃燃燒器有煤粉濃縮環，將來流煤粉經濃淡分離形成濃淡2股煤粉流，煤粉濃度均偏離了生成大量NOx的濃度范圍，其原理與濃淡分離燃燒器相似，從而降低了NOx排放量。

圖3 各工況的NOx生成量Fig.3 NOx concentration of operating conditions

投運富氧低NOx穩燃燃燒系統后(圖3(b)中工況3～5)，由于爐內NOx的生成量減小，整個SCR入口煙道的NOx濃度分布顯著降低。通過局部富氧氣氛使油強烈燃燒產生高溫火焰，并使粉的著火溫度下降，著火提前。低濃度富氧富煤粉火焰中，由于煤多風少，強化了反應(1)、(2)，燃燒過程中生成較多的CO；高溫促進了煤中揮發分的揮發，增加了揮發分中碳氫化合物濃度[20,24]。揮發分中的NH3和HCN等作為NOx生成的主要前驅化合物，其生成和破壞機理對NOx的釋放具有重要作用，大量CO和碳氫化合物使還原性氣氛加強，抑制前驅化合物NH3和HCN中NH自由基和NCO自由基向NOx的轉化[25-27]，使反應(3)～(5)的正向氧化反應減弱，降低了燃燒初期的NOx生成量。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

投入富氧低NOx穩燃燃燒器后，燃燒器中心區域形成局部高濃度富氧，將火焰逐級放大。先點燃高濃度微油火焰，產生極高的煙溫，再用高溫微油火焰點燃中心區域的富氧富煤粉火焰，產生高溫煤粉火焰，其點燃周邊的普通煤粉氣流，使鍋爐低負荷運行時具有良好的穩燃效果[28]。由于解決了點火穩燃問題，低負荷時爐內配風仍可沿用低NOx燃燒原理，因此在總體較高氧濃度的低負荷工況下，生成的NOx仍較少，且爐內燃燒穩定。

3.2 不同工況下SCR入口溫度

圖4為各工況SCR入口煙氣溫度。由圖4(a)可知，工況2與改造前SCR入口溫度分布相比變化很小，說明改造對SCR入口煙氣溫度的影響不大，這是因為改造成富氧低NOx燃燒器后，由于燃燒工況穩定，即使火焰中心溫度降低(降低NOx生成的需要)，但爐內燃燒換熱情況與改造前無太大差異，且在同一負荷下鍋爐的給煤量和空氣量幾乎相等，煤粉燃燒釋放的總熱量相近，爐膛出口溫度變化不大，因此SCR入口煙氣溫度也無明顯改變。由圖4(b)可知，隨著負荷的降低，SCR入口煙氣溫度呈降低趨勢。這是因為隨著鍋爐負荷的降低，給煤量和空氣量減少，使爐內放熱量減少，爐膛出口煙溫隨之下降，尾部煙道各級受熱面溫度均下降，排煙溫度降低[29-30]。在整個試驗工況負荷范圍內，煙氣溫度能夠滿足此電廠1號機組SCR系統260～400 ℃正常投用的溫度需求，且運行中可通過A、D層多點投運調整SCR入口煙溫。本文在超低負荷時能維持SCR入口處盡可能高煙溫的關鍵是將爐膛最上層和最下層燃燒器改造為富氧低NOx燃燒。其中，最下層富氧低NOx燃燒器主要起低負荷穩燃作用，最上層富氧低NOx燃燒器的主要作用是強化爐膛中上部燃燒，維持爐膛出口煙溫。鍋爐超低負荷運行時，通過提高爐膛出口煙溫，即可使SCR入口具有較高的煙溫。

圖4 各工況SCR入口煙氣溫度Fig.4 Flue gas temperature at the SCR inlet ofthe operating conditions

3.3 超低負荷下鍋爐運行特性

表3為鍋爐在投運富氧低NOx穩燃系統時，23.5%負荷(鍋爐不投油槍)下鍋爐蒸汽受熱面璧溫偏差。此時鍋爐發電負荷為70.4 MW，主汽溫度485.4 ℃，SCR入口NOx濃度分別為287.4、259.4 mg/Nm3，SCR入口平均溫度分別為299、286.7 ℃，脫硝效率達93.7%、98.3%。

結合表3可知，說明投運富氧低NOx穩燃系統后，鍋爐在20%～25%超低負荷穩定運行的同時，不僅能保證SCR入口溫度在較高的脫硝效率范圍內，還能控制較低的NOx生成量。

表3 23.5%負荷下鍋爐內最大壁溫偏差

4 經濟性分析及工業應用

根據實爐試驗及第三方性能測試結果，富氧低NOx燃燒技術改造前后的油耗見表4。富氧低NOx燃燒技術改造前，該鍋爐每年平均點火及穩燃耗油260 t左右，改造后僅需91 t，節油率達65%，其中低負荷穩燃節油率達到80%以上。按目前市場柴油價格0.81萬/t計算，該鍋爐應用富氧低NOx燃燒器后，在電網調峰強度下，每年減少油耗成本137萬元(表4)，經濟效益可觀。

表4 富氧低NOx燃燒技術改造改造前后的油耗

5 結 論

1) 富氧低NOx燃燒技術可保證鍋爐在23.5%負荷時穩定運行，且鍋爐NOx排放可達標。

2)鍋爐實際運行表明，鍋爐在接近20%的低負荷穩定運行時，NOx原始排放濃度可控制在300 mg/Nm3以下，SCR入口煙氣溫度在280 ℃以上，滿足該鍋爐SCR入口溫度要求。

3) 富氧低NOx燃燒器顯著降低了全年點火及低負荷穩燃油耗，經濟效益可觀。