預燃低氮燃燒技術在燃煤工業鏈條排爐中的應用

王海苗，宋令坡，楊曉輝，劉忠攀，劉新華，張 楠，郝江平，藍 天

(1.兗礦集團潔凈煤技術工程研究中心；2.兗礦科技有限公司，山東 濟寧 273599；3.中國科學院 過程工程研究所，北京 100084)

鏈條排爐具有系統簡單、運行可靠、電耗低、灰渣容易處理等優點，在民用和工業領域得到了廣泛應用。 據有關數據統計，目前我國在用工業鍋爐約 62 萬臺，而其中燃煤工業鍋爐約47萬臺，占工業鍋爐總數的80%以上，其中燃煤鏈條鍋爐占總臺數的90%以上[1-2]。現有燃煤工業鍋爐每年消耗原煤約6.9億t，氮氧化物排放量為271萬t，其中鏈條鍋爐所占的比例為65%左右。鏈條鍋爐的效率通常較低，燃燒排放的NOx濃度一般為400～800 mg/m3，對人體健康和生態環境構成了巨大的威脅[3]。

1 鏈條排爐

美國等發達國家的鏈條排爐一般燃用過篩精煤，顆粒小而均勻，揮發分高，灰分低，著火與燃燒較容易[4]。與之相比，我國的鏈條排爐存在較多問題，由于我國對鏈條排爐燃料的煤質未做嚴格要求，基本燃用未經過篩的原煤、混煤，爐排漏細煤量大，煤層間通風性不均，鍋爐不能保證良好燃燒狀態：煤層薄或塊煤多時透風量大，燃燒強烈；煤層厚或細粉多時，透風差而導致燃盡率低，機械不完全燃燒熱損失大。由于爐排前后兩端空氣量需求小而給風量多及爐墻、觀火孔、渣箱等漏風，造成煙氣過量空氣系數大，排煙熱損失大。曾有檢測院對長春地區鏈條鍋爐效率進行統計，發現50臺鍋爐內，84%的燃煤工業鍋爐煙氣過量空氣系數大于1.65，甚至有些鍋爐排煙處過量空氣系數超過規定值的數倍，鍋爐熱效率達設計熱效率90%限值(72%)的比例在75%。燃煤層燃鍋爐大多存在排煙溫度高、過量空氣系數大、煤燃盡率低、鍋爐出力不足等問題，導致鍋爐熱效率降低，能耗增大[5]。

為滿足廣大民用和工業鍋爐的實際需求，迫切需要研發鏈條排爐節能減排技術。由于鏈條排爐爐膛結構、給煤及布風方式、著火及燃燒方式等與電站鍋爐有很大不同，煤粉與循環流化床鍋爐成熟的低氧、低氮燃燒技術不適合鏈條排爐的改造。目前，雖然有鏈條排爐進行低溫煙氣再循環改造以降低鍋爐原始NOx排放的報道，但由于耗電量大且易造成鍋爐燃燒不穩定等因素，應用局限較多[6]。

中國科學院過程工程研究所研發的預燃低氮燃燒技術通過燃煤的多級分層熱解，可靠地實現了鏈條排爐的“下點火”運行方式和低氮燃燒。通遼市1臺14 MW熱水鍋爐通過預燃式解耦燃燒改造后，實現無備用連續運行1個采暖季，性能得到明顯提升，節煤10%以上[7]。

預燃低氮燃燒技術雖成功示范，但未在燃燒型煤，尤其是有脫硫劑的型煤鍋爐上試驗。本文通過專為型煤燃燒設計的預燃低氮燃燒裝置工業實驗，測試其對爐內低氮燃燒、型煤燃盡率與固硫率的影響，驗證適用于鏈條排爐的爐內低氮高效燃燒技術的效果。

2 實驗方法

2.1 實驗系統

實驗系統為兗礦集團某煤礦供暖用20 t/h鏈條排爐，主要包括煤倉、預燃式下點火裝置、鏈條排爐主體、省煤器、空氣預熱器、引風機、鼓風機、尾部煙氣處理系統及煙囪等。

試驗用預燃低氮燃燒裝置主要針對兗礦潔凈型煤設計，包括給煤裝置、往復爐排、預燃室、風室、封火擋板、水冷閘板、水冷循環系統等，見圖1。預燃裝置用風取自原鍋爐鼓風道，設有5個風門擋板調節風量大小。

圖1 預燃裝置結構示意

為了解預燃低氮技術的原理，圖2所示為在傳統鏈條爐和裝有預燃低氮裝置的鏈條爐內的燃燒狀態。如圖2(a)所示，在傳統鏈條爐內，煤由煤倉下落至爐排上，隨爐排平移至爐膛內，在前拱輻射熱及爐膛內熱量的作用下，經歷受熱干燥、揮發分析出及著火、焦炭燃燒和灰渣燃盡等階段[8]。

如圖2(b)所示，預燃低氮燃燒技術將傳統的下煤倉進行改造，使其成為一個貧氧、低溫的熱解氣化裝置。在熱解區側壁有通風口可通少量風以完成煤的熱解過程。當型煤由上部煤倉加入后，受下部煤熱解釋放熱量的影響，型煤開始升溫、干燥。當溫度達到揮發分析出溫度后，型煤中大量揮發分析出，同時產生半焦。煤在還原氣氛下熱解時，煤中的一部分氮將轉化為N2，生成的NO也會被揮發分中的CO、CH4、H2、NH3等還原為N2；熱解區產生的揮發性氣體小部分經過預燃裝置底部的紅炭層進入爐膛，在焦炭的催化作用及還原性氛圍下，生成的NOx可被大量還原成N2；熱解區產生的大部分揮發分氣體由熱解區上部開口進入爐膛上部空間，在爐膛前端形成一個還原性區域，提供熱解氣化氣再燃燒機會，當爐排上半焦燃燒生成的NOx隨煙氣流過該區域時，與還原性氣體反應，將爐膛燃燒生成的NOx部分還原成N2[9]。半焦依靠特殊設計的多級爐排的推動，逐漸向下移動，最終以著火、燃燒的狀態進入爐內主鏈條。隨著爐排推進，存留在焦炭中的一部分氮[10]會被氧化生成NOx，焦炭發達的孔隙結構對NOx產生一定的自還原反應，從而進一步降低了爐內NOx的排放。

圖2 加裝預燃裝置前后煤的燃燒狀態

半焦由熱解區推出后，從爐排首端即開始燃燒，為型煤燃盡提供了充足的時間，極大的提高了型煤的燃盡率。在操作過程中，爐排前端和中間段配風可以更靈活，降低過量空氣系數，減輕傳統鏈條爐中間段配風過強造成的飛灰量大和易結渣問題。

由于預燃低氮燃燒裝置滯留“火種”、多級點燃、逐層推進，對煤的預加熱作用比原鏈條排爐的前拱明顯加強。通過優化裝置內配風，煤在其中更容易著火燃燒，使鏈條排爐在極小改動的情況下，燃用貧煤或無煙煤成為可能，增加了煤種適應性，增強了鍋爐運行穩定性。

2.2 實驗原料

實驗燃料全部采用兗礦集團生產的潔凈型煤，橢球形型煤尺寸為 50mm×37mm×18mm。型煤以粉狀燃煤為原料，采取干法、無粘結劑、免烘干的成型工藝加工制造。型煤的工業分析和熱值分析結果見表1。

表1 型煤的工業分析和發熱量

為測量預燃低氮燃燒裝置對燃燒、降低氮氧化物的效果，在空氣預熱器出口水平煙道設置采樣口，采用德國MRU MGA5便攜式紅外煙氣分析儀測量煙氣中O2、CO、CO2、NO、NO2、SO2六組氣體組分的實時排放濃度，同時可測量煙氣溫度。本文中所有氣體排放濃度，按工業鍋爐大氣污染物排放標準要求折算為9%基準氧含量濃度。

為了對比安裝預燃低氮燃燒裝置前后鍋爐的燃燒與污染物排放變化，分別在安裝前后相同功率(鍋爐蒸汽量6 t/h、10 t/h、14 t/h)及相應鼓引風機出力條件下，測量鍋爐原始NOx、SO2排放、底渣含碳量及煙氣含氧量。原始煙氣排放測量點在空氣預熱器出口煙道，在鍋爐運行穩定后，測量時間為168h；底渣含碳量采樣采用運行過程中定時隨機從尾部爐排上取樣，匯總后統一化驗。

3 結果及討論

3.1 預燃裝置對鍋爐NOx排放的影響

圖3所示為安裝預燃低氮燃燒裝置前后鍋爐原始NOx排放濃度的變化。可見，安裝預燃低氮燃燒裝置對NOx原始排放濃度降低效果明顯。NOx平均濃度由改造前的284.9 mg/m3降低為改造后的180.4 mg/m3，降幅達到36.7%。

圖3 安裝預燃式下點火裝置前后鍋爐原始NOx排放數據對比

預燃低氮燃燒技術在低氧條件下多級逐步點燃、逐級推進的方法，可靠地實現了機械爐排層燃爐的“下點火”運行方式。型煤顆粒進入預燃裝置后，在低氧、低溫環境下充分熱解，此時燃煤中大部分含氮化合物隨揮發分析出(即揮發分氮)。大量研究已經表明，煤在還原氣氛下熱解時，煤中的一部分氮將轉化為N2，生成的NO也會被揮發分中的CO、CH4、H2、NH3等還原為N2。隨著爐排推進，存留在焦炭中的一部分焦炭氮[10]會被氧化生成NOx，焦炭發達的孔隙結構對NOx產生一定的自還原反應。同時熱解區產生的揮發性氣體小部分經過預燃裝置底部的紅炭層進入爐膛，在焦炭的催化作用及還原性氛圍下，生成的NOx可被大量還原成N2；熱解區產生的大部分揮發分氣體由熱解區上部開口進入爐膛上部空間，將爐膛燃燒生成的NOx部分還原成N2[9]。可見，預燃裝置將型煤的熱解和燃燒過程分解，在鍋爐燃燒空間內實現了低溫貧氧燃燒和高溫富氧燃燒的共存，用煤炭自身產生的熱解煤氣和半焦抑制燃燒過程中NOx的生成，從源頭上降低NOx的生成。

3.2 預燃裝置對型煤固硫的影響

由圖4可知，預燃裝置的應用可提高型煤固硫率5%～8%。安裝預燃裝置前，在3個負荷工況下的型煤固硫率為47.5%，43.3%，38.7%；在安裝預燃裝置后，在對應負荷下的型煤固硫率分別提高到53.6%，51.1%，43.9%。

實驗時，測量了3個負荷工況下預燃裝置內的平均溫度，分別為729 ℃、754 ℃、769 ℃。在此較低溫度且處于還原性氛圍下，煤熱解釋放出的硫與鈣基固硫劑反應，燃料中的硫被固定在煤中(CaS)。預燃裝置內煤層堆積，大大延長了揮發分硫與鈣基固硫劑的接觸反應時間。隨著紅炭移至爐膛內富氧燃燒，固硫劑被氧化形成穩態的硫酸鹽(CaSO4)。

圖4 不同負荷下型煤固硫率對比

3.3 預燃裝置對燃料燃盡率的影響

在預燃裝置安裝前后實驗過程中，每半小時由鍋爐尾部渣箱取鍋爐底渣做燒失量檢測。由圖5可知，排渣燒失量由改造前的23.3%下降至9.95%，降低幅度達57.3%。鍋爐運行過程中可明顯觀察到：無預燃裝置時，煤層向爐排尾部燃燒參差不齊，至渣箱處還有部分紅炭未燃盡，投運預燃裝置后，火焰面基本平齊，即使高負荷下距離渣箱1 m處已無紅炭，底渣呈淺灰色。

圖5 預燃裝置安裝前后底渣燒失量對比

安裝預燃裝置前，進入爐膛的煤層上表面先受熱、著火、燃燒，下層煤炭在上層煤燃燒釋放的熱量作用下升溫、著火、燃燒。如果煤層過厚，或鏈條移動速度過快，接近鏈條的煤層燃盡越難以實現。尤其是為減少漏煤損失而加裝分層燃燒器后，大塊煤在煤層最下部，著火、燃盡條件更差。在較高負荷情況下，鏈條移動加快，會出現煤層底部燃煤還未燃盡即被排出的情況。在實際運行中，為提高燃盡率，經常采取提高供氧量的方法，但由于燃燒時間短對提高燃盡率效果有限，反而導致煙氣流量增大，熱損失和引風機電耗增大。由圖2(a)可看出，爐排兩側分別為新煤區及燃盡區，這兩個區域基本不消耗空氣或僅需少量空氣，由于操作或設備原因，這兩個區域常供風較大，無效風太多；而大部分燃燒集中在爐排中部，燃燒集中而導致灰渣結焦，燃盡率下降。

3.4 加裝預燃裝置后對鍋爐煙氣含氧量的影響

在前后實驗過程中，對各個工況下測量煙氣數據中的含氧量進行比較，數據如圖6所示，安裝預燃裝置后，煙氣氧含量由14%～15%降低至10%～12%。如前所述，運行預燃裝置，爐排前半部全煤層均在著火，給風可更均勻，相同負荷下風量可更小；煤在預燃裝置內堆積，由主爐排帶出的煤層厚度均一，不存在局部煤層薄而導致大量鼓風上竄現象；同時預燃裝置內熱解氣運動至爐膛上部懸浮空間燃燒，可消耗掉部分氧氣。相較于安裝裝置前，過量空氣系數大幅度降低，鍋爐排煙溫度基本未變(維持在160～170℃)，鍋爐排煙熱損失降低較多。

圖6 預燃裝置安裝前后煙氣含氧量對比

預燃裝置的運行，在優化布風降低煙氣含氧量，下點火預燃提高燃料的燃盡率等方面優勢明顯。經第三方檢測機構檢測，增加預燃裝置的鍋爐熱效率達到82%，見表2。

4 經濟性對比

實驗用20 t/h 鏈條排爐原采用臭氧法脫硝，鏈條排爐正常供暖平均熱負荷為12 t/h。采用預燃裝置后，鍋爐熱效率由65%提高至82%，煙氣原始NOx排放降低36.7%。改造前原臭氧氧化法脫除預燃技術降低的等量NOx需要費用25.8萬元(見表3)，節約燃料1 746 t，燃料成本可節約33.34萬元(見表4)，每個供暖季可節約59.15萬元，因此節能減排和經濟效益顯著。

表2 安裝預燃裝置后鍋爐能效數據

表3 改造前原臭氧氧化脫硝法實際運行成本分析

5 結 論

(1)預燃低氮燃燒技術應用于以兗礦潔凈型煤為燃料的鏈條排爐，可以降低鍋爐煙氣NOx排放36.7%，提高型煤固硫率5%～8%，煙氣氧含量由14%～15%降至10%～12%，降低灰渣殘炭含量57.3%。

表4 改造前后實際消耗燃料成本對比分析

(2)對1臺20 t/h鏈條排爐，預燃低氮燃燒技術每個采暖季可節約鍋爐運行費用近60萬元，經濟效果較好，具有較好的應用前景。

(3)預燃低氮燃燒技術應用于鏈條排爐，在實現節能減排的同時，可以增加煤種適應性，提高鍋爐運行穩定性。