胡志杰，盛 春

（宜興協(xié)聯(lián)熱電有限公司，江蘇宜興214200）

宜興協(xié)聯(lián)熱電有限公司8號(hào)鍋爐由哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)制造。按照設(shè)計(jì)要求，NOx排放值需在450 mg/m3以下，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。隨著國(guó)家環(huán)保政策對(duì)NOx排放限制的不斷趨嚴(yán)，有必要提前做好減排工作。此外，由于煤炭市場(chǎng)的原因，多種煤種摻燒成為一種趨勢(shì)，而如何更好地把握摻燒比率，最大限度減少鍋爐結(jié)焦，提高燃燒的安全性及經(jīng)濟(jì)性，是關(guān)乎公司可持續(xù)發(fā)展的大事。總之，節(jié)能減排是本次改造的動(dòng)因和目的。

1鍋爐設(shè)備概況

公司2臺(tái)135 MW機(jī)組擔(dān)負(fù)著宜興市的主要集中供熱任務(wù)，機(jī)組于2005年1月正式運(yùn)營(yíng)。8號(hào)鍋爐為哈爾濱鍋爐有限公司生產(chǎn)的HG-480／13.7-YM16型單汽包自然循環(huán)，超高壓、一次中間再熱、π型露天布置的固態(tài)排渣煤粉爐。爐膛為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，爐膛上部布置前屏過(guò)熱器，爐膛出口處布置后屏過(guò)熱器。過(guò)熱器采用兩級(jí)噴水減溫，再熱汽溫主要采用煙道擋板調(diào)節(jié)。制粉系統(tǒng)采用中間儲(chǔ)倉(cāng)熱風(fēng)送粉，配2臺(tái)MG350/600型低速鋼球磨煤機(jī)。直流燃燒器四角切向布置，假想切圓直徑D為814 mm。每臺(tái)爐配有16只燃燒器分4層布置（進(jìn)行微油系統(tǒng)改造后），第1層為微油點(diǎn)火燃燒器，第2層為雙穩(wěn)燃可調(diào)式水平濃淡燃燒器，第3層和第4層為碰撞式濃淡分離燃燒器。所有一次風(fēng)噴口均帶周界風(fēng)。燃燒器的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2改造要求

（1）任何工況下NOx排放小于300 mg/m3。

（2）在保證NOx減排的前提下飛灰含碳量降低15%。

（3）鍋爐蒸發(fā)量，主、再熱蒸汽溫度，及原有的控制方式基本不變。

表1燃燒器特性參數(shù)

（4）鍋爐燃燒穩(wěn)定并減少鍋爐受熱面結(jié)焦。

（5）最下層微油燃燒器保留不改造。

（6）盡可能減少對(duì)現(xiàn)有設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，保持鍋爐性能基本不變（特別說(shuō)明的除外）。

3低氮燃燒原理

大型電站鍋爐爐內(nèi)產(chǎn)生的NOx主要分為熱力型NOx和燃料型NOx。大量研究表明，熱力型NOx和燃料型NOx與下列因素有關(guān)：作為熱力型NOx，當(dāng)溫度高于1 500℃時(shí)，NO生成量呈指數(shù)規(guī)律迅速增長(zhǎng)，在高溫下停留時(shí)間越長(zhǎng)，氧濃度越大，NO生成量就越多。作為燃料型NOx，燃料含氮量越高，過(guò)量空氣系數(shù)越大，燃料型NOx的生成量就越大，轉(zhuǎn)化率也越高?？梢?jiàn)，降低熱力型NOx，要求氧濃度低，溫度低，在高溫區(qū)的停留時(shí)間短。降低燃料型NOx，要求氧量低，尤其是揮發(fā)份的析出和燃燒階段，氧量越低越好。

而要保證煤粉穩(wěn)定燃燒及飛灰灰渣含碳量低，則要求燃燒時(shí)有足夠高的溫度、足夠的氧量和煤粉濃度以及后期要強(qiáng)烈擾動(dòng)。爐內(nèi)溫度越低或越分布合理，越有利于防止結(jié)渣及高溫腐蝕。

從以上的分析可以看出，降低NOx排放的技術(shù)措施在一定程度上和穩(wěn)定燃燒、降低飛灰可燃物、防止結(jié)渣和降低高溫腐蝕相矛盾。因此，在采用降低NOx排放技術(shù)措施時(shí)要綜合考慮。

分級(jí)燃燒是一種有效的低NOx燃燒技術(shù)，運(yùn)用空氣分級(jí)燃燒原理對(duì)傳統(tǒng)的煤粉爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行綜合改造，不僅可有效降低NOx的排放量，還能保持其較好的經(jīng)濟(jì)性。分級(jí)燃燒的基本思想是：（1）降低主燃燒區(qū)域的氧氣濃度，進(jìn)行亞化學(xué)當(dāng)量的貧氧燃燒，以抑制煤粉燃燒過(guò)程中NOx的形成，因?yàn)闊o(wú)論是熱力型還是燃料型NOx，燃燒區(qū)空氣過(guò)量系數(shù)對(duì)NOx生成量影響很大，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)a＜1時(shí)，燃燒區(qū)處于富燃料燃燒狀態(tài)，這對(duì)減少NOx生成有明顯的效果。根據(jù)這一原理，把供給燃燒的空氣分為主燃燒區(qū)和燃燼風(fēng)分級(jí)送入。即把80%左右的理論空氣量送入主燃區(qū)，使燃燒在富燃料燃燒的條件下進(jìn)行，降低了主燃燒區(qū)的氧濃度，也降低了主燃區(qū)的溫度水平，從而降低了生成NOx的轉(zhuǎn)化率。（2）在爐墻附近及爐膛上部增大氧氣濃度，進(jìn)行過(guò)化學(xué)當(dāng)量的富氧燃燒，避免水冷壁及過(guò)熱器的高溫腐蝕，同時(shí)促進(jìn)煤粉的完全燃燒。

在分級(jí)燃燒時(shí)，利用一級(jí)富燃區(qū)燃料在缺氧條件下燃燒，燃燒速度和燃燒溫度降低，熱力NOx減少，同時(shí)，燃料中釋放的含氮中間產(chǎn)物HCN，NH3等會(huì)將NO還原分解成N2，因而抑制NO的生成。到了燃燼區(qū)，燃料在富氧條件下燃燼，不可避免的有一部分殘留的氮會(huì)氧化成NOx。但由于火焰溫度較低，NOx生成有限。所以在空氣分級(jí)條件下總生成量是降低的。

4 分級(jí)燃燼風(fēng)系統(tǒng)（SOFA）及特點(diǎn)

美國(guó)阿米那電力環(huán)保公司 （LP Amina公司）的改造方案，將SOFA設(shè)計(jì)成雙切圓形式，SOFA布置如圖1所示，SOFA截面速度場(chǎng)分布如圖2所示。

圖1 SOFA布置三維圖

圖2 改造后燃盡風(fēng)截面速度場(chǎng)

該方案不僅有利于水冷壁附近形成富氧環(huán)境，防止上層水冷壁高溫腐蝕，而且內(nèi)外燃盡風(fēng)雙切圓旋轉(zhuǎn)可以加強(qiáng)擾動(dòng)，促進(jìn)未燃盡碳和CO的充分燃燒。這種SOFA風(fēng)的布置對(duì)降低飛灰含碳量十分有利。改造后，根據(jù)不同鍋爐負(fù)荷和爐內(nèi)環(huán)境，通過(guò)調(diào)節(jié)SOFA風(fēng)，靈活控制燃盡風(fēng)的旋流強(qiáng)度，同時(shí)相對(duì)大的切圓可以增強(qiáng)SOFA風(fēng)與未燃盡碳的擾動(dòng)，加強(qiáng)了高溫?zé)煔馀c未燃盡碳的對(duì)流傳熱，減少煙氣飛灰含碳量和CO，并可徹底解決SOFA風(fēng)區(qū)域水冷壁周圍由于缺氧導(dǎo)致的結(jié)焦和高溫腐蝕的問(wèn)題。這些都是該設(shè)計(jì)優(yōu)于其他類型分級(jí)燃燒的原因。

為了解決空氣分級(jí)燃燒后，主燃燒器區(qū)域低氧富燃料燃燒對(duì)附近水冷壁造成不良影響，LP Amina公司改造方案中采用了偏置二次風(fēng)。偏置二次風(fēng)射流與主燃燒器射流呈12°夾角布置，如圖3所示，偏置二次風(fēng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

圖3偏置二次風(fēng)示意圖

（1）偏置二次風(fēng)將部分二次風(fēng)分離到煤粉氣流的下游，推遲了一、二次風(fēng)的混合，形成了水平方向的分級(jí)送風(fēng)，加強(qiáng)了分級(jí)送風(fēng)的效果，有利于減少NOx的生成。

（2）偏置二次風(fēng)可以通過(guò)風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)，控制水冷壁附近的氧量與爐膛平均氧量基本相當(dāng)，因而比較合理地改變了水冷壁附近的煙氣氣氛，可以有效地防止水冷壁的高溫腐蝕和結(jié)渣。

5 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬研究

改造方案確定之后，LP Amina公司就改造方案進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，下面是CFD模擬的結(jié)果。

圖4為改造前后爐膛溫度分布的對(duì)比。改造前主燃燒區(qū)的溫度比較高，而且高溫區(qū)相對(duì)集中，這樣的溫度分布勢(shì)必導(dǎo)致大量熱力型NOx的生成。改造之后，溫度分布隨爐膛高度均勻分布。此外，爐膛出口的煙溫沒(méi)有變化，可以保證鍋爐參數(shù)不變?？刂茽t膛內(nèi)的高溫點(diǎn)，有效減少熱力型NOx的生成。

圖5為改造前后NOx分布。改造前，在主燃燒區(qū)產(chǎn)生大量的NOx，當(dāng)煙氣經(jīng)過(guò)原有的OFA時(shí)NOx的濃度基本上沒(méi)有變化。改造后，雖然在主燃燒區(qū)也產(chǎn)生了大量的NOx，但是由于在主燃燒區(qū)氧氣濃度降低，氧化性氛圍減弱，且由于SOFA風(fēng)的作用，NOx的濃度在爐膛出口處下降得非常明顯。

圖4改造前后煙氣溫度分布

圖5 改造前后NOx分布

圖6為改造前后流速分布。改造后煙氣沿爐膛高度的速度比改造之前小，增加了煤粉顆粒在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間。引入SOFA后，加速上升煙氣的擾動(dòng)，促進(jìn)了可燃物隨煙氣上升過(guò)程中的充分燃燒。

圖7為改造前后顆粒碳在爐膛內(nèi)軌跡。改造增加了爐內(nèi)的擾動(dòng)，更多的煤粉顆粒隨煙氣的上升面向上運(yùn)動(dòng)。CFD結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)改造之后，主燃燒區(qū)未燃盡碳在燃盡區(qū)充分燃燒，而不是隨煙氣帶出，或沉積到灰斗，這樣使得燃燒效率提高。

圖6改造前后流速分布

圖7改造前后顆粒碳在爐膛內(nèi)軌跡

6現(xiàn)場(chǎng)改造及試驗(yàn)效果分析

6.1改造范圍和內(nèi)容

根據(jù)改造目的和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，LP Amina公司方案的具體改造如下。

（1）主風(fēng)箱改造。針對(duì)鍋爐的具體情況，設(shè)計(jì)了新的一次風(fēng)噴口及二次風(fēng)噴口，并重新調(diào)整各燃燒器噴口的位置。在保證最下層微油燃燒器不變的情況下，對(duì)其他噴燃器進(jìn)行了整體下降布置。

（2）SOFA風(fēng)箱帶改造。SOFA管道與主二次風(fēng)管道相連，抽取部分二次風(fēng)送至SOFA噴口。風(fēng)箱帶布置于主風(fēng)箱上方，并圍繞整個(gè)爐膛。

（3）新增SOFA風(fēng)道及風(fēng)道系統(tǒng)支吊架。

（4）新增SOFA處水冷壁的開(kāi)孔及開(kāi)孔處密封部件。

（5）新增SOFA風(fēng)箱，安裝了熱線型質(zhì)量流量裝置，可準(zhǔn)確檢測(cè)風(fēng)量的變化。

（6）為了保證新的燃燒系統(tǒng)的正確運(yùn)行，對(duì)燃燒系統(tǒng)相關(guān)的控制邏輯進(jìn)行修改。

改造前后燃燒器噴口的布置如圖8所示。

圖8改造前后燃燒噴口布置

6.2改造效果

改造完成投運(yùn)后，進(jìn)行了燃燒調(diào)整試驗(yàn)，試驗(yàn)由電廠配合LP Amina公司調(diào)試人員進(jìn)行。在不同負(fù)荷下，對(duì)SOFA開(kāi)度及二次風(fēng)門(mén)配比進(jìn)行了36個(gè)不同組合工況的調(diào)試試驗(yàn)，對(duì)鍋爐空預(yù)器前后的NOx、CO、O2進(jìn)行了網(wǎng)格法測(cè)量，對(duì)飛灰進(jìn)行了取樣和可燃物化驗(yàn)。

各種燃燒調(diào)整試驗(yàn)優(yōu)化后的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，可以看出2種滿負(fù)荷工況NOx與改造之前相比降幅達(dá)到了40%，飛灰可燃物含量也有所降低[1]。

表2改造前后效果對(duì)比

在調(diào)整試驗(yàn)完成后，由江蘇方天電力技術(shù)有限公司對(duì)改造鍋爐進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果參見(jiàn)表3。

6.3調(diào)試和燃燒調(diào)整經(jīng)驗(yàn)

（1）SOFA風(fēng)量對(duì)NOx影響很大。在其他因素不變的前提下，一般情況NOx會(huì)隨著SOFA擋板的開(kāi)度增加而減小，檔板開(kāi)度大于60%時(shí)，NOx水平基本就維持恒定。此外，甲、乙側(cè)SOFA風(fēng)量調(diào)節(jié)需控制均勻，這有利于降低NOx及飛灰含碳量。

表3改造前后性能試驗(yàn)對(duì)比

（2）改造后，運(yùn)行空預(yù)器入口氧量與NOx之間的關(guān)系參見(jiàn)圖10。改造后最佳氧量控制在3%左右，此時(shí)飛灰含碳量較低。與改前相比，相同負(fù)荷下總風(fēng)量可以減小，電耗因此降低5%左右。

圖10改造后空預(yù)器入口氧量與NOx的關(guān)系

（3）燃燒器改造后，燃燒器壁面金屬溫度分布趨勢(shì)有很大改觀，通過(guò)SOFA調(diào)整能有效降低燃燒器金屬溫度，可做到任何工況下控制燃燒器管壁溫度不超限。在燃用褐煤時(shí)爐內(nèi)結(jié)焦情況明顯減少。分析原因是SOFA的剛度大，距離上部燃燒器較近，不但對(duì)火焰、煙氣流速場(chǎng)產(chǎn)生很大影響，且對(duì)火焰溫度場(chǎng)及氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布有直接影響，故調(diào)節(jié)SOFA的風(fēng)量分配能靈活改變?nèi)紵鞴鼙跍囟鹊姆植稼厔?shì)。改造后燃燒器區(qū)域的火焰溫度明顯降低。這也是該設(shè)計(jì)能有效降低熱力型NOx的原因。

7結(jié)束語(yǔ)

改造后氮氧化物排放濃度顯著降低，降幅在40%以上，平均達(dá)到300 mg/m3左右；改造后鍋爐效率基本維持不變，日常運(yùn)行中送、引風(fēng)機(jī)的電耗相對(duì)減少；改造前，運(yùn)行中再熱器溫度明顯偏低，改造后再熱器溫度升高，提高了整個(gè)機(jī)組的效率。

總體來(lái)說(shuō)，8號(hào)爐經(jīng)過(guò)低氮燃燒技術(shù)的改造，大幅度降低了NOx排放水平，達(dá)到了預(yù)期的目的，取得了明顯的環(huán)境效益。同時(shí)，改造后機(jī)組運(yùn)行的整體經(jīng)濟(jì)性略有提高，獲得了節(jié)能減排的綜合效果。此外，Amina公司的技術(shù)方案簡(jiǎn)單易行；改造工作量小，易于實(shí)施，值得同類型鍋爐改造借鑒。

[1]DL-BG-2009-767.宜興協(xié)聯(lián)熱電有限公司8號(hào)鍋爐燃燒器改造后鍋爐熱效率試驗(yàn)報(bào)告[R].