300MW煤-煤氣混燒鍋爐高效低氮燃燒優(yōu)化技術(shù)的實(shí)踐

張 達(dá) 王鐵民 賈希存

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山063200）

0 概述

“十二五”規(guī)劃環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組從2014年7月1日起，執(zhí)行NOx排放濃度100mg/Nm3的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)環(huán)保要求更加嚴(yán)格，如果單純從爐后進(jìn)行治理，不僅增加設(shè)備投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，還可能由于過(guò)多的消耗液氨而引起預(yù)熱器等鍋爐尾部受熱面的堵塞等。通過(guò)高效低氮燃燒優(yōu)化技術(shù)，在滿足環(huán)保要求下，使得運(yùn)行更加安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定。

1 現(xiàn)狀

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司熱電分廠（以下簡(jiǎn)稱：京唐熱電）鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造，型號(hào)為HG－1 025/17.5－MQ42,鍋爐型式為亞臨界參數(shù)鍋爐。設(shè)計(jì)燃料為神華煤，校核煤種為山西大同煙煤。鍋爐為100%燃燒煤粉的鍋爐，具有同時(shí)摻燒比例設(shè)計(jì)為20%（熱量百分比）的高爐煤氣及0～35000Nm3/h焦?fàn)t煤氣的能力。

鍋爐為單爐膛設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，燃燒器為四角布置的擺動(dòng)式燃燒器，切向燃燒。通過(guò)采用水平濃淡煤粉燃燒器、較高的燃盡高度、燃燒器分級(jí)布置等措施保證燃用設(shè)計(jì)煤種及摻燒爐氣時(shí)及時(shí)著火和充分燃盡。燃燒器布置圖，如圖（1）所示。

鍋爐日常運(yùn)行時(shí)的燃料有煤、高氣、焦氣三種，熱值分別為21.32MJ/kg、3.536MJ/kg、17.405MJ/kg。

圖1 燃燒器布置圖

2 鍋爐低氮燃燒的理論研究

2.1 NOx生成的機(jī)理[1]：

爐內(nèi)燃燒過(guò)程N(yùn)Ox生成主要有三種類型，燃料型、熱力型及快速型三種，燃料型NOx約占75～85%，是低NOx燃燒技術(shù)控制的主要對(duì)象。其次是熱力型，主要是由于爐內(nèi)局部高溫造成，快速型NOx生成量很少。

2.2 影響氮氧化物轉(zhuǎn)化率的的因素

主要因素包括燃料的成分和燃燒設(shè)備運(yùn)行參數(shù)：

（1）燃料中氮含量；（2）燃料比 FC/V；（3）煤的揮發(fā)份；（4）過(guò)量空氣系數(shù)；（5）燃燒溫度；（6）負(fù)荷的變化；（7）除以上影響因素外，京唐熱電鍋爐摻燒高、焦?fàn)t煤氣，對(duì)燃燒動(dòng)力場(chǎng)有一定的干擾，高、焦?fàn)t煤氣摻燒比及分層布置也是影響氮氧化物轉(zhuǎn)化率的一個(gè)重要因素。

2.3 低NOx燃燒技術(shù)

采用第三代燃料與空氣的三分級(jí)燃燒技術(shù)。在燃燒中已生成的NO遇到烴根CHi、未完全燃燒產(chǎn)物CO、H2、C以及CnHm時(shí)，會(huì)發(fā)生NO的還原反應(yīng)[2]，反應(yīng)式為：

利用這一原理，將80～85%的燃料送入第一級(jí)燃燒區(qū)，在α>1條件下，燃燒并生成NOx。送入一級(jí)燃燒區(qū)的燃料稱為一次燃料，其余15～20%的燃料則送入二級(jí)燃燒區(qū)，在α＜1的條件下形成很強(qiáng)的還原性氣氛，使得在一級(jí)燃燒區(qū)中生成的NOx在二級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)被還原成氮分子，送入二級(jí)燃燒區(qū)的燃料又稱為二次燃料。在二級(jí)燃區(qū)中不僅使得已生成的NOx得到還原，還抑制了新的NOx的生成，可使NOx的排放濃度進(jìn)一步降低。在二級(jí)燃區(qū)的上面布置的“燃盡風(fēng)”噴口，形成第三級(jí)燃燒區(qū)（燃盡區(qū)），以保證二級(jí)燃區(qū)中生成的未完全燃燒產(chǎn)物的燃盡[3]。

圖2 京唐熱電燃料分級(jí)燃燒原理示意圖

3 京唐公司低氮燃燒的實(shí)踐

3.1 技術(shù)路線

根據(jù)NOx生成原理及影響因素，采用空氣分級(jí)和燃料分級(jí)技術(shù)。通過(guò)爐內(nèi)一、二次風(fēng)的射流組織，爐膛的縱向空間尺度上，將燃燒分為一級(jí)燃燒區(qū)、二級(jí)燃燒區(qū)和三級(jí)燃盡區(qū)，在二級(jí)燃燒區(qū)形成NOx還原區(qū)，最終達(dá)到降低原煙氣NOx的目的。

3.2 低氮燃燒的實(shí)踐過(guò)程

3.2.1 第一級(jí)燃燒區(qū)

在第一級(jí)燃料區(qū)投入80%的燃料的需求下，將煤粉層A、B層投入，同時(shí)將高氣A、B層，GA層、AB層、BC焦氣等全部投入作為第一級(jí)燃燒區(qū)集中燃燒。

在配風(fēng)控制上，對(duì)應(yīng)的二次風(fēng)配風(fēng)開(kāi)至50%，在a1＝1.05－1.11的條件下燃燒。

3.2.2 第二級(jí)燃燒區(qū)

選取焦?fàn)t煤氣作為二次燃料，但是由于二次燃料所需要的比例為15%～20%（熱量），而焦?fàn)t煤氣在二級(jí)燃燒區(qū)域只有DE層的4個(gè)火嘴，單層焦?fàn)t煤氣從熱量配比上達(dá)不到15%－20%的熱量，仍然需要少量投入一層煤粉，以滿足熱量需求。作為二次燃燒區(qū)煤粉層的選取上，如果選擇E磨作為二級(jí)燃料的補(bǔ)充，那么E層還原區(qū)變短，停留時(shí)間不足，對(duì)降低NOx不利，另外由于E層靠近爐膛出口，導(dǎo)致出口煙氣溫度升高，需要增加減溫水使用量，降低鍋爐效率；如果選擇C層煤粉，C層煤粉與一級(jí)燃燒區(qū)距離較近，不能很好的控制空氣的分級(jí)，而且由于燃料的過(guò)于集中，且距離爐膛出口較遠(yuǎn)，導(dǎo)致出口溫度偏低，使再熱器的溫度不夠，同樣造成機(jī)組的效率降低。綜合比較后選取D層作為二級(jí)燃燒區(qū)燃料。

作為二次燃料的煤粉細(xì)度的控制上，將煤粉細(xì)度進(jìn)行偏置，A、B磨煤粉細(xì)度按R90=20控制，由于D層煤粉作為二次燃料，將煤粉細(xì)度控制在R90=15，細(xì)煤粉更易于使揮發(fā)份分解，產(chǎn)生有較多的氣化物作為還原氣體對(duì)已生成的NOx及中間產(chǎn)物產(chǎn)生還原作用，使NOx的生成量降低。

在配風(fēng)的控制上，將二級(jí)燃燒區(qū)對(duì)應(yīng)的二次風(fēng)擋板開(kāi)度開(kāi)至30%，保持過(guò)量空氣系數(shù)a2=0.95。

3.2.3 第三級(jí)燃燒區(qū)

將上兩層燃盡風(fēng)投入，保持燃盡風(fēng)開(kāi)度在40%，調(diào)整爐膛出口的氧含量在3.5～4.0%，以保證可燃物的燃盡。在保證原煙氣低氮排放的基礎(chǔ)上，盡可能的降低飛灰。

3.2.4 保證還原區(qū)長(zhǎng)度

所謂還原區(qū)，是指二次燃料噴嘴與燃盡風(fēng)風(fēng)口之間的距離。隨著還原區(qū)的增加，NOx的排放量下降，但飛灰可燃物含量會(huì)有所增加。我們爐膛的還原區(qū)的高度為約5米，可保證二次燃料的還原區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間在0.7s～1.5s，能夠滿足化學(xué)反應(yīng)時(shí)間及可燃物進(jìn)一步燃盡的的需求。

3.2.5 保證二級(jí)燃燒區(qū)燃料的噴射速度

二級(jí)燃燒區(qū)燃料與來(lái)自一級(jí)燃燒區(qū)的高溫?zé)煔饣旌?，二?jí)燃燒區(qū)燃料的噴射速度對(duì)燃燒的動(dòng)力場(chǎng)起了比較關(guān)鍵的作用，如果二級(jí)燃料噴射速度低，不能達(dá)到混合強(qiáng)度的要求，那么還原反應(yīng)不能充分的進(jìn)行，使已生成的NOx及中間產(chǎn)物被還原成N2的概率降低。因此，需要保證二級(jí)燃料的噴射速度，通過(guò)采取一次風(fēng)壓力偏置即實(shí)現(xiàn)。

3.2.6 保證二次風(fēng)噴射速度

二次風(fēng)的噴射速度，對(duì)爐膛內(nèi)切圓燃燒，起到擾動(dòng)加強(qiáng)的作用，使空氣與燃料混合充分，使燃燒更加充分、徹底。所以，二次風(fēng)剛度的加強(qiáng)，對(duì)爐膛內(nèi)的三個(gè)燃燒區(qū)域起到很重要的作用。在高、焦氣用量穩(wěn)定的情況下，不投入使用的燃燒器，適當(dāng)開(kāi)5%～10%的周界風(fēng)，用于冷卻即可；正在使用的燃燒器，不開(kāi)周界風(fēng)；沒(méi)有投入使用的二次風(fēng)，適當(dāng)開(kāi)5%用于冷卻，通過(guò)采取以上措施，將二次風(fēng)風(fēng)箱的壓力提高至0.6kPa，加強(qiáng)的二次風(fēng)的噴入速度。

3.2.7 燃燒區(qū)域熱量的分配

在煤氣摻燒比約35%（其中高爐煤氣20%，焦?fàn)t煤氣15%，煤粉65%）的情況下。按照燃料分級(jí)的原則（一級(jí)燃料/二級(jí)燃料=8:2），將A、B、D三臺(tái)磨的出力設(shè)置偏置，按A=B>D的模式，高、焦?fàn)t煤氣采取平均分配方式，熱量分配：A層煤粉25%、B層煤粉25%、D層煤粉15%、焦?fàn)t煤氣 4×4%、高爐煤氣 2×10%。

3.2.8 摻燒高爐煤氣后，對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響

（1）在相同負(fù)荷下，隨著高爐煤氣的摻燒量的增加，鍋爐煙氣量增加明顯，煤粉在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間明顯下降，煤粉燃燒時(shí)間不夠，燃盡困難，使得飛灰含碳量明顯升高。理論煙氣生成量和高爐煤氣摻燒率成正比，但是實(shí)際過(guò)程中，由于高爐煤氣摻燒還使得爐膛溫度下降，煙氣比容隨之下降，相反會(huì)抵消一部分煙氣量的增大值，煙氣量增加不是完全與摻燒率成正比，實(shí)際變化曲線較理論曲線的斜率稍小，但是增加的趨勢(shì)不會(huì)改變。

（2）由于高爐煤氣是低熱值燃料，其燃燒溫度明顯低于煤粉燃燒溫度，高爐煤氣的摻燒使得爐膛溫度水平明顯下降，而實(shí)際上煤粉的燃盡程度隨著爐膛溫度的降低而下降，使NOx濃度有明顯下降。

4 結(jié)論

通過(guò)此次低氮燃燒的三級(jí)技術(shù)，達(dá)到了預(yù)期的效果，原煙氣NOx含量降低至400 mg/Nm3左右，有時(shí)能運(yùn)行在350 mg/Nm3以下；月液氨使用量可降低約100噸。由于摻燒低熱值高爐煤氣，使得火焰中心溫度降低，減溫水量使用量大量減少，過(guò)熱器減溫水由80t/h降至30t/h以下，再熱器減溫水由15t/h減少到2t/h，整體來(lái)說(shuō)提高了鍋爐效率。

另外，由于鋼鐵廠煤氣調(diào)整根據(jù)全廠的調(diào)度平衡，電廠高、焦氣的用量進(jìn)行頻繁調(diào)整，增加了燃燒調(diào)整難度，在煤氣摻燒比減少的情況下，依然按照此燃料分層的比例，同步增加煤粉的量，如果焦?fàn)t煤氣減少，優(yōu)先減下層噴入量，DE層焦?fàn)t煤氣保持滿量供給。保證燃燒區(qū)80%的燃料，二級(jí)燃燒區(qū)20%燃料的配比關(guān)系，始終形成三分級(jí)燃燒模式，能維持原煙氣NOx在較低水平運(yùn)行。

［1］周新雅.大型燃煤鍋爐低氮燃燒技術(shù)分析及應(yīng)用策略[J].華東電力,2003(6).

［2］吳碧君.燃燒過(guò)程N(yùn)Ox的生成機(jī)理[J].電力環(huán)境保護(hù),2003,19(4):9－12.

［3］馬風(fēng)哪,程偉琴.國(guó)內(nèi)火電廠氮氧化物排放現(xiàn)狀及控制技術(shù)探討[J].廣州化工,2011,39,15(58).