低氮燃燒技術在中溫中壓煤粉鍋爐上的應用

田順生，高 磊

(1.包鋼鋼聯股份有限公司動供總廠，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古特種設備檢驗院包頭分院，內蒙古 包頭 014010)

1 NOx產生和控制

1.1 NOx生成機理

NOx的形成主要有3種機理。燃料型：約占NOx總生成量的75%～80%；熱力型：與溫度有直接關系，對煤粉鍋爐來說，當燃燒溫度≤1350 ℃，爐內生成的NOx幾乎全部為燃料型，當燃燒溫度為1600 ℃時，熱力型NOx可占生成總量的25%～30%；瞬發型：NOx生成量極少[1]。

1.2 NOx控制

對于燃煤鍋爐NOx的控制主要有3種方法：①燃燒前脫硝；②燃燒中脫硝，主要是利用低氮技術(LNB)；③燃燒后脫硝，主要有選擇性非催化還原法(SNCR)、選擇性催化還原法(SCR)和SNCR-SCR聯合法等。

2 包鋼動供總廠1號130 t/h鍋爐低氮燃燒技術應用

2.1 鍋爐現狀

包鋼鋼聯股份有限公司動供總廠(以下簡稱包鋼動供總廠)1號鍋爐是WGZ-130/39-1型煤粉爐，于1978年12月投產，由武漢鍋爐廠設計制造，為中溫中壓、自然循環、四角切向燃燒，鍋爐整體采用“∏”型布置；制粉系統為鋼球磨中儲倉熱風送粉系統；水冷壁為膜式水冷壁；2013年6月煙氣除塵脫硫系統改造完成，采用了布袋除塵器，石灰石-石膏濕法脫硫系統，但1號鍋爐未進行脫硝系統改造，煙氣中NOx排放量600 mg/m3,根據《火電廠大氣污染物排放標準》[2]，包鋼動供總廠1號鍋爐煙氣中NOx排放標準是≤200 mg/Nm3。鍋爐設計參數如表1所示。

表1 鍋爐設計參數

綜合考慮1號鍋爐NOx排放濃度和排放量的要求、初期投資、運行成本、操作維護、現場實際設備狀況以及脫硝改造工程措施的可行性，最終確定采用LNB改造+SNCR煙氣脫硝的技術路線。具體為首先采用低NOx燃燒技術將NOx控制在350 mg/m3以下；其次采用以尿素作為還原劑的SNCR脫硝技術將NOx控制在200 mg/m3以下。

2.2 低氮燃燒技術的應用

主燃燒器低氮改造方案為主燃燒器更換為低氮燃燒器，仍然采用原布置形式。具體改造如下。

a.一次風采用水平濃淡煤粉燃燒技術，一次風噴口設偏置周界風，對一次風噴口起冷卻作用，同時一次風噴口在背火側設計了側邊風，起到防止爐膛水冷壁結渣和防止高溫腐蝕的作用[3]。所有一次風耐熱噴口為耐熱鑄鋼。

b.二次風噴口面積縮小，中二次風噴口改為偏置二次風噴口，將一部分風量從主流方向分離出來偏向水冷壁，用于改善水冷壁附近氣氛，防止燃燒器區域水冷壁結渣，保護水冷壁。考慮到鍋爐運行時間較長，所有二次風門更換，二次風門為手動調節。

c.三次風改造成兩層，上層位于下燃盡風之中，下層三次風位于中二次風之中，下燃盡風和中二次風均有冷卻三次風噴口的作用。

d.在主燃燒器上部增加兩層燃盡風，布置在12 m標高處；兩層燃盡風共8個噴口，每層均等配風。

e.原燃燒器中高爐煤氣、焦爐煤氣噴口整體回用，燃燒器殼體、執行器、彈簧吊架及煤粉管道彎頭等回用。

2.3 低氮改造后脫硝效率低的原因分析及處理

該鍋爐脫硝改造完畢后，試運行后NOx在350～600 mg/m3，如表2和圖1所示，脫硝效率未達到設計要求。經分析認為主要是如下2個原因導致。

a.含氧量過高(9%～11%)：過量空氣系數在1.7～2.5，1號鍋爐本體及輔助系統漏風過多，低氮技術在主燃燒區域要求是缺氧燃燒[4]，但因1號鍋爐采用水力沖渣，底部內灰門早已拆除，內灰門等處大量漏風，導致主燃燒器區域富氧，氮氧化物生成量未得到明顯減少。

表2 鍋爐平均負荷下爐膛煙氣含氧量與氮氧化物生成的關系

圖1 鍋爐平均負荷下爐膛含氧量與NOx的關系曲線

b.煤質較差：實際燃用煤種灰分40%，揮發分16%，而改造設計所提供的煤樣數據是灰分30.8%，揮發分33.58%，揮發分指標嚴重影響NOx控制。根據低氮原理，揮發分越高的煤生成的NOx越低。揮發分高的煤燃燒迅速而激烈，大量消耗氧氣，使得燃燒初期區域形成缺氧環境，從而抑制了氮氧化物生成[5]，如表3所示。

表3 燃煤中揮發分與氮氧化物生成的關系

c.配風較差：運行過程中底部冷灰斗冷風直接沖擊爐膛兩側，影響了鍋爐的軸向配風，因此必須調整風門，加強配比，方能達到分級配風的技術要求。

針對煙氣含氧量過高的問題，主要處理了鍋爐本體及輔助系統的漏風，同時安裝了2個二次風總門，控制進入爐膛的總送風量，最終將氧量控制在4%～6%。針對煤質較差的問題，主要是抓好配煤問題，保證揮發分在20%以上。另外，加強運行中的配風，全開8只燃盡風門，使燃盡風占總風量25%，主燃燒器區域風量在75%，二次風門開度10%，二次風支管門及側邊風均關至10%左右。經過調整，最終使低氮后NOx量穩定在300～350 mg/m3，達到設計指標。

3 結論

a.對于130 t/h普通煤粉鍋爐，采用低氮燃燒技術，脫硝效率可以達到40%左右。

b.對于老舊鍋爐進行低氮燃燒器改造時，一定要注意漏風問題，若漏風量過大導致煙氣含氧量高，將嚴重影響低氮脫硝效率。漏風控制困難時，可考慮采用煙氣再循環來提高脫硝效率。

c.煤質對低氮燃燒的脫硝效率影響很大，燃用揮發分越高的煤，低氮脫硝的效率越高。目前動供總廠煤質要求為揮發分≥20%、灰分≤29%、硫≤0.8%。

d.低氮配風很重要，空氣分級就是要控制主燃燒區缺氧燃燒，燃盡區富氧燃燒。