低NOx燃燒技術在300 MW機組摻燒貧煤鍋爐上的應用

吳琪瓏，朱峰，孫鵬宵，胡娟，金留印

(1.煙臺龍源電力技術股份有限公司，山東煙臺264006;2.湖南創(chuàng)元發(fā)電有限公司，湖南常德415702)

低NOx燃燒技術在300 MW機組摻燒貧煤鍋爐上的應用

吳琪瓏1，朱峰2，孫鵬宵1，胡娟2，金留印2

(1.煙臺龍源電力技術股份有限公司，山東煙臺264006;2.湖南創(chuàng)元發(fā)電有限公司，湖南常德415702)

介紹創(chuàng)元電廠300MW燃貧煤鍋爐上采用的低NOx燃燒技術，重點通過燃用低揮發(fā)分貧煤鍋爐燃燒過程中的試驗研究及理論分析，提出燃貧煤鍋爐加裝衛(wèi)燃帶的新型低NOx燃燒技術，通過該技術改造后，300MW負荷時高溫區(qū)爐膛溫度在1500℃以上，NOx排放量大幅降低，在摻配不同煤種，不同比例低揮發(fā)分煤方式下，NOx排放量一般在200～370mg/m3，大大優(yōu)于同類型未敷設衛(wèi)燃帶的燃低揮發(fā)分煤鍋爐。對于燃低揮發(fā)分的鍋爐，加裝衛(wèi)燃帶后，較高的爐膛溫度能夠使得焦炭氮燃燒時間提前，降低主燃區(qū)過量空氣系數(shù)，增加前期燃燒生成的氮氧化物的還原時間，從而大大降低NOx氧化物排放量并降低飛灰含碳量。

低NOx燃燒;300MW機組;低揮發(fā)分煤;摻燒;衛(wèi)燃帶

0 引言

低NOx燃燒技術是目前降低燃煤鍋爐NOx氣體排放量的主要手段之一。先通過低NOx燃燒技術將爐內NOx降低50%～70%，尾部再加裝SCR煙氣脫硝裝置，初投資和運行成本都會大幅度降低。我國電力工業(yè)燃煤的品質差，煤質多變，尤其對于摻燒低揮發(fā)分貧煤的鍋爐，往往存在著火穩(wěn)定性差［1］、易結渣和灰渣含碳量高等問題。因此，在摻燒低揮發(fā)分貧煤鍋爐的低NOx燃燒器改造過程中，不僅要大幅降低NOx氣體的排放水平，同時也要著重解決鍋爐的鍋爐效率偏低、穩(wěn)燃性差、易結渣、灰渣含碳量高和高溫腐蝕等問題。

然而，對于摻燒低揮發(fā)分煤的鍋爐來說，目前許多低NOx燃燒器設計中所采取的降氮措施往往與鍋爐本身的燃燒設計理念相矛盾，如降低爐內燃燒溫度、降低氧濃度、縮短燃燒氣體在高溫區(qū)的停留時間等。而且由于煤種揮發(fā)分的含量低，無法在爐內形成有效的還原性氣氛抑制NOx的生成，導致?lián)綗蛽]發(fā)分煤鍋爐的NOx排放量大大增加。國內學者在低揮發(fā)分煤種燃燒過程中的NOx排放特性方面開展了一些工作［2－3］，但基本上均處于實驗室研究階段，且對該類煤種燃燒過程中NOx排放規(guī)律的研究還不充分，尤其是實爐尺度的試驗數(shù)據較為缺乏。本文對基于雙尺度低NOx燃燒技術改造后的某300MW燃貧煤機組進行了試驗研究，并針對降低NOx、提高鍋爐效率及燃燒穩(wěn)定性方面，對幾種不同摻燒煤種進行了優(yōu)化調試，并對結果進行了分析，提出燃低揮發(fā)分煤鍋爐加裝衛(wèi)燃帶的新型低NOx燃燒技術。

1 設備概況與改造方案簡介

湖南創(chuàng)元發(fā)電公司(以下簡稱“創(chuàng)元電廠”)1號機組鍋爐為SG－1025/17.5－M720型亞臨界壓力、一次中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛四角切向燃燒鍋爐，采用中儲式鋼球磨熱風送粉，固態(tài)機械除渣。為使鍋爐著火穩(wěn)定及低負荷穩(wěn)燃，在爐膛下部燃燒器區(qū)域四周水冷壁處鋪設衛(wèi)燃帶，分上、中、下三段，總面積約300m2。投產以來，由于燃用煤種偏離設計煤種等原因，鍋爐出現(xiàn)了一些問題，如爐內結焦問題嚴重、水冷壁高溫腐蝕、過再熱器爆管、爐膛出口煙溫偏差大、爐渣可燃物含量高及NOx排放量偏高(800～950mg/m3)等。經幾次優(yōu)化改造，將衛(wèi)燃帶總面積去除至150m2左右，但上述問題依然較為突出。針對鍋爐存在的問題，為了滿足國家規(guī)定的NOx排放指標要求，創(chuàng)元公司在2014年5月對1號鍋爐進行了低NOx燃燒器改造。鍋爐燃燒器改造方案如圖1所示。

圖1 鍋爐燃燒器改造方案示意

方案采用煙臺龍源電力股份有限公司研發(fā)的雙尺度低NOx燃燒技術［4－5］。改造中去除主燃區(qū)50m2衛(wèi)燃帶，繼續(xù)保留約100 m2，調整主燃燒器區(qū)一、二次風噴口標高及噴口面積，原先布置在燃燒器上部的兩層三次風下移，減少三次風對爐膛內燃燒狀況的擾動。在BC、EF及OFA層二次風噴口兩側加裝貼壁風組件，將部分二次風射流方向與一次風射流方向偏置一較小角度以適當推遲一、二次風混合時間。在距原主燃燒器最上層F層一次風中心線距離為7460mm處布置4層SOFA噴口，分配足量的燃盡風量。

設計煤種為河南貧瘦煤，其設計煤種和校核煤種的特性見表1。

表1 鍋爐設計煤種及校核煤種特性

2 結果與分析

2.1 爐膛溫度對NOx釋放特性的影響

對于一般帶分離式燃燼風的燃低揮發(fā)分煤300MW機組而言，未加裝衛(wèi)燃帶的主燃區(qū)爐膛溫度一般介于1100℃～1400℃。由于創(chuàng)元電廠1號鍋爐加裝衛(wèi)燃帶，爐膛溫度顯著提升。為考察低NOx燃燒器改造后爐膛溫度提高對NOx排放量的影響，試驗中分別在180MW、240MW、300MW負荷下，在爐膛四周看火孔處用雷泰紅外測溫儀對爐膛溫度進行測量，48m處看火孔分布于鍋爐前墻，其他看火孔位于爐膛前后墻近爐膛中心附近。爐膛溫度測量示意見圖2。結果顯示，在低NOx燃燒調整配風情況下，改造后爐膛垂直高度方向上溫度分布比較均勻，高溫區(qū)主要集中在C層一次風至還原區(qū)，300MW負荷時高溫區(qū)爐膛溫度在1500℃以上，雖然高溫區(qū)比本次改造前爐溫降低100℃左右，但仍大大高于同類未敷設衛(wèi)燃帶的燃貧煤鍋爐。

在進行低NOx燃燒器設計或改造時，傳統(tǒng)上往往選擇降低燃燒區(qū)域熱負荷以達到降低熱力型NO生成量的目的［6－7］。一般來說，爐膛溫度的升高會導致熱力型NO生成量的增加，熱力型NOx的生成速率滿足Arrhenius定律［8－9］。

圖2 爐膛溫度測量示意(每層取四角均值)

本次低NOx改造方案中長距離還原區(qū)及保留鍋爐大部分衛(wèi)燃帶的設計，一方面使爐膛溫度維持在較高的水平，在揮發(fā)分快速析出的同時，焦炭氮燃燒時間也大大提前，同時加裝衛(wèi)燃帶后主燃區(qū)進入的輔助風量大大減少，從而使主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)大幅降低，貧氧富燃料區(qū)域的形成有效抑制了NOx的生成;另一方面，較高的爐內溫度也更有利于NOx還原分解，焦炭氮燃燒時間的提前也有利于增加前期燃燒生成的NOx的還原時間，使NOx分解速率高于生成速率［10］，從而大大降低NOx排放量，而且更有利于飛灰的燃盡，提高鍋爐效率。

這從創(chuàng)元電廠1號爐改造后的NOx減排效果也可以得到印證。在各試驗工況，分別在鍋爐左右側空氣預熱器入口處測量NOx、CO等煙氣成分(標干態(tài)，6%O2)，設備采用德國TESTO350－XL煙氣分析儀，測量結果如表2所示。

表2 各負荷段NOx及CO濃度測量

在各種摻配煤方式下，NOx排放量一般在200～370mg/m3，可以穩(wěn)定控制在400mg/m3以內，遠遠低于改造前800～950mg/m3的排放水平，也優(yōu)于同類型未敷設衛(wèi)燃帶的燃低揮發(fā)分煤鍋爐。

2.2 煤種對NOx釋放特性的影響

由于創(chuàng)元電廠1號爐運行中多采用貧煤摻燒煙煤的方式，這些方式對劣質煤的利用帶來了一定的經濟效益，但給鍋爐的安全、經濟運行帶來了一定問題。試驗中對1號爐摻燒不同的煤種(單燒貧煤、煙煤/優(yōu)質貧煤混燒、煙煤/劣質煙煤混燒)，針對降低NOx、降低飛灰含碳量及燃燒穩(wěn)定性方面，進行了優(yōu)化調試。試驗煤種如表3所示，不同配煤方式的飛灰及NOx排放量如表4所示。

表3 試驗煤種工業(yè)分析

表4 不同配煤方式的飛灰及NOx排放濃度

表4中配煤1為晉城(低硫)煤;配煤2為摻燒煤，比例為華興盛煤∶晉城(中硫)煤1∶2;配煤3為摻燒煤，比例為陜蒙煤∶晉城(中硫)煤2∶3;配煤4為摻燒煤，比例為陜蒙煤∶國平煤3∶2;工況5為摻燒煤，比例為陜蒙煤∶國平煤3∶2。

1號爐在300MW，單獨燒低硫長子煤(Vdaf≈15%)，NOx排放量為400mg/m3左右;煙煤摻燒貧煤時，采用晉城貧煤摻燒時，摻燒效果最好，飛灰含碳量較低，可控制在2.5%左右，NOx排放量為330～390mg/m3;采用國平貧煤摻燒時，飛灰含碳量略高，NOx排放量為320mg/m3左右。這主要是由于摻燒的陜蒙煙煤及國平貧煤灰熔點均偏低，摻燒時需控制爐膛結焦，氧量控制較低，且國平煤揮發(fā)分含量最低，摻燒時與高揮發(fā)分煤存在“搶風”現(xiàn)象，造成國平煤的不易燃盡。而低負荷時摻燒國平貧煤，由于氧量運行較高，飛灰含碳量大幅低，飛灰含碳量在300MW時為4.77%，負荷降至190MW時，飛灰含碳量降至1.33%，同時NOx排放量也大幅降低。

由于加裝衛(wèi)燃帶大大提高了爐膛溫度，在摻配煤時，為防止鍋爐結焦及飛灰含碳量升高，兩種低熔點煤種不宜摻配在一起，如陜蒙煤灰熔點僅1200℃，在煤摻配貧煤時，應避開低熔點易結焦煤種，盡量摻配晉城煤等高熔點煤種;為降低飛灰含碳量，兩種摻配煤種揮發(fā)分不宜相差過大，以避免“搶風”現(xiàn)象，造成低揮發(fā)分煤不易燃盡。

2.3 過量空氣系數(shù)對NOx釋放特性的影響

最佳過量空氣系數(shù)試驗在200MW負荷下進行。保持鍋爐配風不變，通過氧量的變化，測量煙氣中氮氧化物和飛灰含碳量的變化(見圖3)。

圖3 氧量對飛灰含碳量及NOx排放量的影響

從圖3可以看出，隨著氧量的升高，飛灰含碳量明顯降低，NOx排放量略有升高。運行中在燃用不易結焦煤種時，適當提高氧量運行，能大大降低飛灰含碳量。

3 結論與建議

創(chuàng)元電廠1號爐在保留大部分衛(wèi)燃帶的基礎上，采用雙尺度低NOx燃燒技術進行了低NOx燃燒器改造。改造后300MW負荷時高溫區(qū)爐膛溫度在1500℃以上，NOx排放量大幅降低，在摻配不同煤種，不同比例低揮發(fā)分煤方式下，NOx排放量一般在200～370mg/m3，可以穩(wěn)定控制在400mg/m3以內，遠遠低于改造前800～950mg/m3的排放水平，也優(yōu)于同類型未敷設衛(wèi)燃帶的燃低揮發(fā)分煤鍋爐。對于燃低揮發(fā)分的鍋爐，加裝衛(wèi)燃帶后，較高的爐膛溫度能夠使得焦炭氮燃燒時間提前，降低主燃區(qū)過量空氣系數(shù)，也更有利于NOx還原分解，增加前期燃燒生成的氮氧化物的還原時間，從而大大降低NOx排放量并降低飛灰含碳量。

創(chuàng)元電廠1號爐改造后由于加裝衛(wèi)燃帶大大提高了爐膛溫度，在摻配煤時，為防止鍋爐結焦及飛灰含碳量升高，兩種低熔點煤種不宜摻配在一起，同時摻配煤種揮發(fā)分不宜相差過大，以避免發(fā)生“搶風”現(xiàn)象，造成低揮發(fā)分煤不易燃盡。隨著氧量的升高，鍋爐飛灰含碳量明顯降低，NOx排放量略有升高。運行中在燃用不易結焦煤種時，適當提高氧量運行，能大大降低飛灰含碳量。

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Analysis of low NOxcombustion techniques for the low－volatile fired power plant of 300 MW Lean coal－fired unit

The low NOxcombustion technology applied in Chuangyuan Power Plant of 300MW units coal－fired U-nit is introdiced briefly.Focus on the experimental analysis and theoretical study of low－volatile lean coal combustion NOxrelease characteristics，installation a new low－NOxcombustion technology with the refractory belt.After the technological modifications，the furnace temperature is more than 1500℃at high temperature region and the NOxemission is greatly decreased.The general NOxemission up to the range of 200～370mg/m3for the admixing combustion of multi－coals.The NOxemission after the burner retrofit is much more lower than that of the normal lean coal－fired unit without refractory belt.For low－volatile coal－fired boiler，the installation of ignition belt can greatly increase the furnace temperature，which promote the combustion process of char nitrogen，reduce the excess air ratio of the primary combustion area，increasing the reduction time of the pre－combustion nitrogen oxides.So the installation of ignition belt can effectively reduce NOxemission and ash carbon content for Low－volatile fired power plants.

low NOxcombustion technology;300MW unit;low－volatile coal;mixed burning;refractory belt

X701.7

B

1674－8069(2016)02－008－04

2015-10-10;

2015-12-02

吳琪瓏(1985-)，男，工學碩士，山東臨沂人，工程師，主要從事鍋爐燃燒調整試驗研究。E－mail:qilongwu@163.com