低氮燃燒技術在煤粉工業鍋爐上的應用

程 曉 磊

(1.煤科院節能技術有限公司，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

我國燃煤工業鍋爐約47萬臺，消耗標準煤約4億t/a，占全國煤炭消耗量的25%[1-2]。隨著國家對環保要求的日益嚴格，燃煤工業鍋爐NOx等污染物的防治工作越來越重要[3]。受限于鍋爐噸位、時間空間尺度，煤粉工業鍋爐的低氮燃燒比電站鍋爐更困難。根據NOx生成機理，燃煤過程主要控制熱力型NOx和燃料型NOx。主要通過控制燃燒溫度實現抑制熱力型NOx生成，抑制燃料型NOx常用的低氮燃燒技術有空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、濃淡偏差燃燒、煙氣再循環、低氮燃燒器等[4-5]。低氮燃燒技術中，適用于煤粉工業鍋爐的主要是低氮燃燒器和空氣分級技術。空氣分級技術的主要原理是:燃燒過程中空氣分還原區和燃盡區進入鍋爐，燃料在缺氧富燃料狀態下形成還原區，生成的CO、HCN和NH3等還原性物質可與NO發生反應，抑制燃料型NOx的生成;燃盡區主要完成煤粉的燃盡過程，NOx生成量較低。邵偉濤等[6]分析了電站鍋爐空氣分級技術降低NOx排放的機理，分析了主燃區過量空氣系數、煙氣停留時間、溫度、煤種及煤粉粒徑等對低氮效果的影響。李鵬翔[7]研究主燃燒區域氧含量、燃盡風占比及分配比例、燃盡風位置、還原區停留時間等的影響，在電廠上驗證了深度切向分級配風的低氮效果。周曉彬[8]在中小型煤粉鍋爐上應用空氣分級低氮燃燒技術，NOx排放量最低降至387 mg/m3。孫保民等[9]、李慧[10]等則主要是從反應機理上研究空氣分級的低氮燃燒效果。低氮燃燒器[11-12]主要通過合理組織燃燒器內流場，保證燃燒器的還原性氣氛來實現低氮燃燒。煤炭科學技術研究院有限公司(以下簡稱“煤科院”)設計的中心逆噴雙錐燃燒器[13-14]在煤粉工業鍋爐領域應用廣泛，燃燒器內燃燒組織較好，配合有效的空氣分級配風可實現較低的NOx排放。目前，空氣分級和低氮燃燒器相關低氮燃燒技術在大型電站鍋爐上的應用較多，在中小型煤粉工業鍋爐系統上的應用還停留在數值模擬和理論研究上，實例相對較少。

本文基于雙錐低氮燃燒器和空氣分級的基本理論，在40 t/h的煤粉工業鍋爐系統上進行了空氣分級低氮燃燒試驗，分析了鍋爐負荷、三次風配風比例、三次風配風方式等對低氮燃燒的影響，為煤粉工業鍋爐系統的低氮燃燒提供數據支持。

1 鍋爐基本情況

1.1 鍋爐主要參數

低氮燃燒試驗在河北某40 t/h低壓過熱蒸汽煤粉工業鍋爐上進行。過熱蒸汽參數為1.6 MPa、245 ℃;鍋爐為單鍋筒橫置式立式水管鍋爐，水循環為自然循環，固態排渣，爐膛為全膜式壁結構，二回程煙道設置鰭式受熱面，水平煙道布置過熱器，尾部設省煤器;燃燒器頂置，火焰向下噴射，煙氣在爐膛底部經轉彎煙室折向二回程向上。脫硝采用SCR技術，脫硫采用雙堿法脫硫。主要設計參數見表1，鍋爐運行中的實際燃用煤工業及元素分析見表2。

表1 鍋爐主要設計參數Table 1 Main design parameters of the boiler

表2 燃用煤的工業分析和元素分析Table 2 Proximate and ultimate analysis of utilized coal sample %

1.2 燃燒器

采用煤科院開發的29 MW中心逆噴雙錐燃燒器，燃燒器布置在爐膛頂部，火焰由上向下進入爐膛，其結構如圖1所示。該燃燒器為預燃室燃燒器，體積小，依靠良好的流場組織形成回流區，回流區內煤粉快速升溫，形成高溫空氣燃燒，為低氮燃燒創造了有利條件。結合濃相送粉技術，燃燒器同時具備迅速點火、負荷調節范圍寬和低氮燃燒的優點。

圖1 中心逆噴雙錐燃燒器Fig.1 Double cone combustor with center reverse spraying

1.3 空氣分級配風方式

鍋爐三次風配置了獨立風機，風量為12 000 m3/h。爐膛側壁布置了2層三次風噴口，上、下層分別距爐頂中心線距離為4.25、5.50 m。每層4個三次風噴口，鍋爐的左墻和右墻分別布置2個，2個噴口距前墻和后墻內壁為0.5 m。三次風噴口直徑為120 mm，三次風設計氣速為50 m/s。每層4個三次風噴口方向相交于爐膛中心，三次風水平截面如圖2所示。

圖2 三次風布置方式Fig.2 Layout of air staging construction

2 低氮燃燒試驗結果及分析

低氮燃燒試驗考察了鍋爐負荷、氧含量、三次風配風比例、三次風配風方式等對鍋爐初始排放的影響，以及低氮燃燒調整對鍋爐燃燒效率的影響。

2.1 基礎工況及調整

為了解鍋爐運行的基本情況，研究了鍋爐在不同鍋爐負荷條件下的NOx初始排放情況，見表3。未開啟三次風時，NOx初始排放隨鍋爐負荷升高逐漸增大;鍋爐負荷在25、30、40 t/h時，初始NOx排放質量濃度分別為475、632、695 mg/m3;高負荷NOx初始排放升高與燃燒器和爐膛內溫度升高、熱力型NOx生成量增加有關。同時燃燒溫度升高，燃燒器內煤粉燃燒進行程度增大，燃料型NOx在燃燒初期釋放較多，而此時燃燒器內空氣過量，燃燒處于強氧化氣氛，燃料型NOx生成量增加。

未開啟三次風時，研究了低過量空氣系數調整對NOx初始排放的影響。在30 t/h負荷下，氧含量降低后，爐膛整體溫度均上升，排煙溫度提高，NOx初始排放質量濃度降低。氧含量由4.5%降至3.3%時，NOx質量濃度由632 mg/m3降至544 mg/m3，降幅約15%。

表3 不同鍋爐負荷下的NOx排放Table 3 NOx emission of different boiler loads

2.2 三次風配風比例的影響

電站鍋爐的大量實例驗證了空氣分級的低氮效果，NOx初始排放降低比例在20%～50%。試驗時保持鍋爐總過量空氣系數不變(一次風量、二次風量、三次風總量不變)，通過調整二次風和三次風比例研究空氣分級的低氮效果。為保證鍋爐運行效率不受影響，試驗過程中保證煙氣中CO含量≤100×10-6。結果表明，隨著三次風量增加，鍋爐NOx初始排放質量濃度降低明顯，且下降趨勢越來越快，驗證了空氣分級配風的低氮效果;隨著三次風量逐漸提高，煙氣中CO含量升高，但仍在排放要求范圍內。

極限工況下，一次風、二次風、三次風量分別為2 000、12 000、11 000 m3/h時，三次風配風比例約為45%，NOx初始排放量最低(175 mg/m3)，CO含量為72×10-6。此工況下鍋爐運行穩定，比未分級工況爐膛負壓波動減少，排煙溫度基本不變。

NOx降低趨勢與CO上升趨勢基本一致，如圖3所示。在三次風量為8 000 m3/h(配風比例約30%)時，NOx排放濃度約為400 mg/m3。三次風量繼續增加，NOx下降幅度和CO上升幅度增大。

圖3 30 t/h工況下分級配風對NOx初始排放濃度和CO生成量的影響Fig.3 Effect of air-staging on original NOx and CO emission on the condition of 30 t/h

通過鍋爐在40 t/h工況下的空氣分級試驗考察鍋爐高負荷下的低氮燃燒效果(圖4)。調試時NOx排放的整體趨勢與30 t/h工況基本一致，NOx排放水平略高于30 t/h工況。未分級配風時NOx初始排放質量濃度為695 mg/m3;分級配風的極限工況下NOx排放質量濃度為195 mg/m3，此時三次風配風量為11 000 m3/h，三次風比例接近40%。

雙錐低氮燃燒器可完成煤粉燃燒進程約60%，未分級配風和分級配風比例較低時，燃燒器內的燃燒過程仍處于氧化氣氛，低氮效果較差;當分級配風比例較高時，燃燒器內燃燒處于還原性氣氛，可降低燃燒器內產生的NOx;同時燃燒器內燃燒進程較高，爐膛內燃燒過程僅有少量燃料型NOx生成。

圖4 40 t/h工況下分級配風對鍋爐NOx初始排放濃度和CO生成量的影響Fig.4 Effect of air-staging on original NOx and CO emission on the condition of 40 t/h

2.3 三次風配風方式的影響

鍋爐在爐膛中部設置了2層三次風噴口(8個)，通過試驗對比不同配風方式對鍋爐NOx初始排放的影響。配風方式為:上層三次風、下層三次風、2層三次風和交叉三次風。采用交叉三次風時開啟上層后墻三次風和下層前墻三次風。試驗結果見表4。

表4 不同配風方式對NOx排放的影響Table 4 Effect of air-staging mode on original NOx emission

由表4可知，采用下層三次風時鍋爐初始排放最低。原因是下層三次風配風，爐膛內還原區增加，有利于抑制NOx生成。2層三次風同時開啟時低氮效果最差，原因可能是同時開啟2層三次風時，噴口風速不足，無法與主要燃燒區域混合，不能降低NOx排放。

2.4 分級配風對鍋爐燃燒效率的影響

采用分級配風以后，可能會影響排煙熱損失、固體未完全燃燒熱損失。分級配風會改變爐膛內溫度分布，導致排煙溫度變化，進而影響排煙熱損失和鍋爐燃燒效率;分級配風對煤粉燃盡的影響，影響飛灰和爐渣中含碳量，進而影響固體未完全燃燒熱損失和鍋爐燃燒效率。

分級配風試驗中，鍋爐的排煙溫度比較穩定，最高與最低溫度差<3 ℃。合適的空氣分級條件下，鍋爐排煙溫度反而有所降低。計算結果表明，分級配風通過排煙熱損失影響鍋爐的熱效率在±0.2%。

分級配風試驗中對比了未分級燃燒和空氣分級工況下的飛灰和爐渣情況(表5)。結果表明，采用分級配風后，對煤粉的燃盡有一定影響，飛灰中含碳量增加。未分級時飛灰熱損失為0.39%，分級混合工況下飛灰熱損失為0.87%，降低鍋爐整體熱效率0.48%。未分級工況爐底出渣量為15 kg/h，分級工況爐底出渣量為45 kg/h，正常工況爐渣熱損失為0.33%，分級工況爐渣熱損失約0.98%，采用分級配風降低鍋爐總效率0.62%。

表5 空氣分級對燃燒效率的影響Table 5 Effect of air-staging on combustion efficiency %

注:飛灰與灰渣的測試基準為空氣干燥基。

考慮極端空氣分級配風情況下，鍋爐熱效率可能會降低約1%;正常空氣分級配風情況下，鍋爐熱效率可能降低約0.5%。因此，鍋爐的運行可在熱效率和脫硝成本間選擇較優化的方案，以降低成本。以30 t/h工況下分級配風量35%為例，鍋爐初始NOx排放質量濃度由650 mg/m3降至350 mg/m3，鍋爐燃燒效率降低0.5%，氨水濃度20%，可節省氨水用量55 kg/h;鍋爐30 t/h負荷煤粉消耗量增加16 kg/h，鍋爐運行成本可降低31元/h(氨水和煤粉單價分別按1 000、1 500元/t)。

3 結 論

1)鍋爐負荷較高時NOx初始排放質量濃度升高，低氧配風燃燒方式的低氮效率可達15%。

2)空氣分級配風能夠降低鍋爐NOx初始排放質量濃度，三次風配風比例達45%時，NOx排放濃度小于175 mg/m3，同時CO含量小于72×10-6。

3)空氣分級時應保證三次風風速能夠與中心火焰接觸，來提高空氣分級的效果。

4)合理的三次風配風方式對鍋爐熱效率的影響小于0.5%。