胡琦，龔家猷，胡偉

（1.神華國(guó)華電力研究院，北京100069；2.神華國(guó)華國(guó)際電力股份有限公司北京熱電分公司，北京100025）

發(fā)電技術(shù)

410 t/h鍋爐低NOX燃燒器改造及運(yùn)行優(yōu)化

胡琦1，龔家猷2，胡偉2

（1.神華國(guó)華電力研究院，北京100069；2.神華國(guó)華國(guó)際電力股份有限公司北京熱電分公司，北京100025）

介紹了國(guó)華北京熱電分公司410 t/h鍋爐低NOX燃燒器改造情況及運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)，對(duì)燃燒調(diào)整試驗(yàn)進(jìn)行了細(xì)致的分析，對(duì)改造后的運(yùn)行情況進(jìn)行了總結(jié)，為運(yùn)行中如何控制NOX的排放提出了可操作的指導(dǎo)建議。

低NOX燃燒器；一次風(fēng)；三次風(fēng)

0 引言

國(guó)華北京熱電分公司4臺(tái)鍋爐為哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)的410 t/h煤粉爐，原設(shè)計(jì)使用大同混煤，后改為神華和準(zhǔn)格爾的混煤，煤質(zhì)分析見表1。爐膛斷面為9 800 mm×9 800 mm，由膜式水冷壁組成。頂棚管中心線標(biāo)高39 000 mm，鍋筒中心線標(biāo)高42 600 mm，運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高9 000 mm，燃燒器布置在13～16 m標(biāo)高之間。燃燒方式為四角噴燃切圓燃燒，均等配風(fēng)，一次風(fēng)噴嘴分為3層，制粉乏氣作為三次風(fēng)從燃燒器上部送入爐膛，采用單層燃燼風(fēng)。

鍋爐NOX原排放量基本在650～800 mg/m3（以下數(shù)值均換算到標(biāo)況下）。近年來國(guó)家對(duì)于環(huán)境質(zhì)量日益重視，北京市對(duì)燃煤發(fā)電廠環(huán)保排放提出了新的要求，而國(guó)華北京熱電分公司鍋爐的NOX排放大大超過了北京市即將出臺(tái)的200 mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 煤種參數(shù)

為了滿足北京市對(duì)于燃煤鍋爐NOX的排放要求，將4臺(tái)鍋爐的燃燒器改為低NOX燃燒器，并將燃燒器的布置進(jìn)行了改動(dòng)。改造后，鍋爐按照改造前的運(yùn)行方式，鍋爐煙氣中NOX的排放濃度明顯下降，由改造前的超過600 mg/m3下降到400 mg/m3左右。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)NOX生成機(jī)理結(jié)合改造后設(shè)備的特點(diǎn)，對(duì)鍋爐進(jìn)行了燃燒調(diào)整試驗(yàn)。

1 NOX的生成機(jī)理

燃煤鍋爐煙氣中NOX的構(gòu)成原因目前在學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為由以下3個(gè)主要部分。

1.1 熱力型

一般認(rèn)為這部分NOX主要由空氣中的N2在高溫下與O2發(fā)生反應(yīng)生成，其反應(yīng)方程式如下：

該反應(yīng)在溫度＜1 350℃時(shí)不會(huì)發(fā)生，但是當(dāng)＞1 350℃時(shí)，每升高100℃，NOX的生成量將成倍增加，這部分NOX占總排放量的5%～15%左右[1]。

1.2 瞬時(shí)反應(yīng)型

在高溫條件下空氣中的N2與O2在“偶然”碰撞中發(fā)生反應(yīng)生成NOX，約占總生成量的5%。

1.3 燃料型

燃料中的N元素，送入爐膛燃燒，受熱后會(huì)隨著揮發(fā)分的釋放而產(chǎn)生大量的含N基團(tuán)，如N，CN，HCN，NHi等，這些中間產(chǎn)物很不穩(wěn)定，反應(yīng)活性很強(qiáng)，遇到O2極易發(fā)生反應(yīng)生成NOX，但是在缺氧的氣氛中，這些中間產(chǎn)物則會(huì)彼此之間發(fā)生反應(yīng)生成N2。

隨揮發(fā)分釋放的含N基團(tuán)一般認(rèn)為也是跟溫度環(huán)境有關(guān)，周圍煙氣環(huán)境溫度越高，釋放的基團(tuán)越多，生成的NOX也就越多，周圍煙氣環(huán)境溫度越低，隨揮發(fā)分釋放出來的基團(tuán)越少，生成的NOX則越少。

2 低NOX燃燒器改造

利用目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的燃料分級(jí)和空氣分級(jí)技術(shù)，通過對(duì)燃燒器的改造，達(dá)到燃料和空氣雙分級(jí)的目的，通過調(diào)整風(fēng)粉在爐膛空間的配置，來實(shí)現(xiàn)降低NOX排放的目的。

各噴口改造前后位置對(duì)比見表2和圖1。

表2 噴口中心高度

圖1 噴燃器改造前后位置對(duì)比

燃燒器寬420 mm，總高度為6 162 mm。再燃噴口布置在15 862 mm標(biāo)高處，中心到屏底的距離為13.3 m。

將爐膛從下往上依次分為主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃燼區(qū)3個(gè)部分。在主燃區(qū)送入75%的燃料在過氧條件下進(jìn)行充分燃燒。再燃區(qū)將其余25%的煤粉燃料送入，并控制燃料/氧化學(xué)當(dāng)量比＜1，形成還原性氣氛，再燃燃料與主燃燒區(qū)生成的NOX進(jìn)行還原反應(yīng)，最終生成N2。在燃燼區(qū)加入其余空氣，過量空氣系數(shù)恢復(fù)到正常值（a=1.15，氧量2.7%），使未完全燃燒產(chǎn)物充分燃燒，以保證燃燼效果。主燃區(qū)低氧分級(jí)燃燒：在組織燃燒時(shí)，結(jié)合空氣分級(jí)燃燒技術(shù)、低氧燃燒技術(shù)，并采用浙江大學(xué)自主研制的煤粉濃淡穩(wěn)燃及低NOX燃燒技術(shù)，同時(shí)減少熱力型和燃料型NOX的生成，使NOX生成總量大幅度降低，并有效減少爐內(nèi)結(jié)渣現(xiàn)象。

3 燃燒調(diào)整試驗(yàn)

改造后，額定負(fù)荷410 t/h工況，各層二次風(fēng)風(fēng)量相同的情況下，實(shí)測(cè)得鍋爐尾部煙氣中NOX的濃度為400～450 mg/m3。

為了研究改造后鍋爐的性能及風(fēng)、粉的調(diào)節(jié)與NOX排放之間的規(guī)律，進(jìn)行了燃燒調(diào)整試驗(yàn)，考察了不同制粉系統(tǒng)投運(yùn)方式、燃燼風(fēng)率等運(yùn)行參數(shù)對(duì)鍋爐效率及NOX排放的影響。

3.1 制粉系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

每臺(tái)鍋爐配2套中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)排粉機(jī)出口對(duì)應(yīng)1層三次風(fēng)噴口，三次風(fēng)分上下2層布置。為了考察在相同負(fù)荷下三次風(fēng)對(duì)NOX排放量產(chǎn)生的影響，在410 t/h負(fù)荷下進(jìn)行了雙磨、單磨和無磨3種工況試驗(yàn)。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 磨煤機(jī)不同投運(yùn)方式試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表3可見，在雙磨、單磨和無磨的運(yùn)行工況下，NOX排放量依次降低。這主要是因?yàn)槿物L(fēng)中煤粉濃度較低，而氧量充足，三次風(fēng)所帶煤粉從燃燒初期就在富氧的條件下燃燒，而且三次風(fēng)所在的位置也是熱負(fù)荷比較高的部位，溫度較高，因此易生成大量NOX，這部分生成的主要為燃料型NOX。磨煤機(jī)投運(yùn)越多，由一次風(fēng)攜帶出來的煤粉相應(yīng)減少，三次風(fēng)量就越大，故而NOX生成量就越多。

3.2 燃燼風(fēng)開度調(diào)整試驗(yàn)

為了考察不同燃燼風(fēng)量在滿負(fù)荷狀態(tài)下對(duì)NOX排放的影響關(guān)系，在410 t/h負(fù)荷下保持總風(fēng)量和下二次風(fēng)風(fēng)量不變，上層二次風(fēng)全開，通過調(diào)整中間2層三次風(fēng)風(fēng)門開度和燃燼風(fēng)開度來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燼風(fēng)率的調(diào)整。試驗(yàn)數(shù)據(jù)參見表4。

表4 不同燃燼風(fēng)開度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表4可以看出，隨著中間2層風(fēng)門的關(guān)小和燃燼風(fēng)門的開大，燃燼風(fēng)率增大，NOX排放呈現(xiàn)出先降后漲的趨勢(shì)，為了驗(yàn)證此規(guī)律非偶然因素所致，特安排做了2次重復(fù)性試驗(yàn)，規(guī)律都一致。改變?nèi)紶a風(fēng)門開度對(duì)NOX排放的影響很大，燃燼風(fēng)門開度控制在80%左右為宜。

減小中二次風(fēng)和上二次風(fēng)風(fēng)門開度，降低這2層二次風(fēng)風(fēng)量，將使下層噴燃器和第2層噴燃器出來的煤粉相對(duì)處于缺氧的環(huán)境中燃燒，可以有效地減少燃料型NOX的生成。而增大燃燼風(fēng)則可以使下2層未完全燃燒的煤粉獲得燃燼的補(bǔ)充，從而使燃燒更加完全。

神華煤揮發(fā)分高，是一種易燃煤種。易燃特性導(dǎo)致神華煤燃燒過快、過分集中，局部區(qū)域（燃燒器區(qū)）熱負(fù)荷偏高，為熱力型NOX的生成客觀上創(chuàng)造了有利的條件。在＞1 350℃的條件下，溫度每升高100℃，NOX的生成將成倍的增加。因此，在試驗(yàn)中減少中二次風(fēng)和上二次風(fēng)風(fēng)量，可以起到延緩煤粉燃燒的目的，使燃燒在爐膛的垂直方向上更為均衡，熱負(fù)荷更為均衡，減輕局部熱負(fù)荷過高的壓力，從而減少燃料型和熱力型NOX的生成。此次燃燒器的改造根據(jù)這一原理，將燃燒器的距離在垂直方向拉大，也是為了均衡熱負(fù)荷在垂直方向上的強(qiáng)度，從而起到降低NOX生成的作用。由于爐膛熱負(fù)荷的分散，燃燒器區(qū)域附近水冷壁結(jié)渣也得到緩解。

4 運(yùn)行策略

4.1 制粉系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，無磨和單磨運(yùn)行時(shí)NOX的排放是較低的。因此在實(shí)際的運(yùn)行中，運(yùn)行人員應(yīng)該合理地配置制粉系統(tǒng)的運(yùn)行方式，盡可能采取無磨和單磨運(yùn)行方式，減少三次風(fēng)帶粉。比如在鍋爐負(fù)荷比較低的時(shí)候（＜310 t/h），應(yīng)該使制粉系統(tǒng)保持最大出力，提高粉倉粉位，創(chuàng)造停磨時(shí)間；在高負(fù)荷時(shí)，應(yīng)該盡量減少三次風(fēng)帶粉量。

4.2 給粉的調(diào)節(jié)

應(yīng)該盡量考慮提高下2層給粉機(jī)轉(zhuǎn)速，讓下2層給粉機(jī)多帶粉運(yùn)行，盡量減小上層給粉機(jī)轉(zhuǎn)速，在負(fù)荷較低時(shí)，可以停止1～2個(gè)上層給粉機(jī)的運(yùn)行。增加下2層給粉后，通過二次風(fēng)的調(diào)節(jié)，刻意創(chuàng)造出下面2層給粉缺氧燃燒的氛圍，使下2層給粉的燃燒滯后，從而降低該區(qū)域的熱負(fù)荷，抑制NOX的大量生成。

由于在改造中將下一次風(fēng)位置下移605 mm，下層噴燃器出來的煤粉燃燒空間減少，如果下一次風(fēng)煤粉增加過多，下二次風(fēng)將托不住下層煤粉，下層煤粉將大量掉落在冷灰斗，渣含碳量將增大，未完全燃燒損失也將增大。因此，在運(yùn)行過程中，可以考慮增加第2層給粉機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少第1層給粉機(jī)轉(zhuǎn)速。運(yùn)行中，根據(jù)不同的負(fù)荷可以將下層給粉機(jī)與第2層給粉機(jī)轉(zhuǎn)速偏差設(shè)定為5%～15%。實(shí)際試驗(yàn)證明，2層轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)可以使NOX降低10～20 mg/m3。

4.3 二次風(fēng)的調(diào)節(jié)

二次風(fēng)的調(diào)節(jié)是降低NOX運(yùn)行調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，一般認(rèn)為，創(chuàng)造還原性燃燒環(huán)境可以有效減少燃燒過程中燃料型NOX的生成。在實(shí)際運(yùn)行中，由于下二次風(fēng)要起托火的作用，不能關(guān)得太小。在此條件下，可以通過減少中二次風(fēng)和上二次風(fēng)的風(fēng)量，配合下2層給粉的增加，使下2層燃燒器所處燃燒區(qū)煤粉的燃燒處于相對(duì)缺氧的還原性氣氛，從而達(dá)到降低燃料型NOX生成的目的。表5是不同鍋爐負(fù)荷和磨煤機(jī)組合工況時(shí)，各層二次風(fēng)小風(fēng)門開度的推薦值。

4.4 鍋爐出口氧量的控制

鍋爐出口氧量是表征燃料在爐膛里燃燒是否充分的參數(shù)。出口氧量過高將導(dǎo)致排煙損失增大，而且燃料在高氧量下燃燒將對(duì)NOX的生成產(chǎn)生負(fù)面的影響，但是過低的氧量會(huì)使飛灰可燃物含量增大，降低鍋爐效率，所以在運(yùn)行中，應(yīng)該二者兼顧。

表5 不同工況各層二次風(fēng)小風(fēng)門開度控制值

從低氧燃燒試驗(yàn)和以上的試驗(yàn)結(jié)果來看，在氧量大于4%時(shí)，NOX的生成大大提高，在額定工況下飛灰可燃物為1.5%～2.0%；當(dāng)氧量小于2.5%時(shí)，飛灰可燃物迅速增大到3.5%～4.5%。最終確定爐膛出口氧量控制在2.7%～3.3%之間為宜，此時(shí)飛灰可燃物可控制在2.0%～2.5%。

5 結(jié)語

根據(jù)燃煤鍋爐煙氣中NOX的主要生成因素，利用燃料和空氣雙分級(jí)的技術(shù)，有針對(duì)性地對(duì)鍋爐進(jìn)行了低NOX燃燒器的改造，降低了燃燒器區(qū)域的熱負(fù)荷強(qiáng)度，減少了熱力型NOX的生成。改造完成后，通過燃燒調(diào)整試驗(yàn)確定了最佳運(yùn)行方式，有效降低了NOX的排放，取得了良好的效果。

[1]陳進(jìn)生.火電廠煙氣脫硝技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2]趙振宇，趙振宙，李寶義.燃用神華混合煤的鍋爐燃燒試驗(yàn)和研究[J].華東電力，2006（8）∶34.

（本文編輯：陸瑩）

Retrofit and Operation Optimization of Low NOXBurner for 410 t/h Boiler

HU Qi1，GONG Jia-you2，HU Wei2
（1.Shenhua Guohua Electric Power Research Institute，Beijing 100069，China；2.Beijing Cogeneration Branch Company of CSEC Guohua International Power Co.，Ltd，Beijing 100025，China）

This paper introduces the low NOXburner retrofit and operation optimization tests for the 410 t/h boiler of CSEC Guohua Beijing Cogeneration Branch Company，analyzes the combustion adjustment tests in detail and summarizes the operation situation after the retrofit.The practical suggestions on how to control NOXemission in operation are also provided.

low NOXburner；primary air；tertiary air

TK223.2

：B

：1007-1881（2012）01-0028-04

2011-09-28

胡琦（1979-），男，山西運(yùn)城人，碩士，工程師，從事發(fā)電設(shè)備管理工作。