燃煤鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐

高慶明

（中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834003）

0 引言

脫硝系統(tǒng)運(yùn)行中影響NOx排放的因素有很多，其主要因素包括爐膛氧量、鍋爐負(fù)荷、煙氣在高溫區(qū)停留時間、燃盡風(fēng)（SOFA）配風(fēng)方式、二次風(fēng)配風(fēng)方式、制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式等。而控制NOx排放的關(guān)鍵是低氮燃燒技術(shù)，即以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，通過燃燒優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究，來確定最佳燃燒工況。

1 低氮燃燒優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法

1.1 一次風(fēng)熱態(tài)調(diào)平實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐

在冷態(tài)空氣動力場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開展了一次風(fēng)熱態(tài)調(diào)平實(shí)驗(yàn)研究。表1 為在4 臺鍋爐32 個一次風(fēng)擋板特性曲線實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，一次風(fēng)擋板開度優(yōu)化推薦值，該工況下鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定、爐膛明亮，爐膛出口煙溫＜820 ℃，爐膛煙溫偏差＜50 ℃，排煙溫度均有不同程度的下降，煤氣混燃能力明顯增強(qiáng)，90%負(fù)荷、煤氣混燃工況下連續(xù)運(yùn)行72 h，火嘴及附近水冷壁、高溫過熱器無結(jié)焦，汽溫、汽壓正常。

表1 4 臺鍋爐一次風(fēng)擋板優(yōu)化運(yùn)行參數(shù) %

1.2 定負(fù)荷變氧量實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐

過量空氣系數(shù)的調(diào)整與控制是降低NOx排放濃度的有效措施之一，低氧燃燒能降低爐內(nèi)燃燒溫度，抑制并還原NOx進(jìn)而降低NOx排放。但從燃燒角度考慮，增加氧量有利于飛灰燃盡，降低固體不完全燃燒熱損失、提高鍋爐熱效率，因此存在優(yōu)化問題。在80%鍋爐負(fù)荷、下層SOFA 擋板全開、上層SOFA 擋板開50%、擺角保持不變工況下，通過實(shí)驗(yàn)分析運(yùn)行氧量對鍋爐各項(xiàng)熱損失、熱效率及NOx排放濃度的影響見表2、如圖1 所示：氧量在2.8%～5.1%，NOx排放濃度、q2隨著運(yùn)行氧量增加明顯增加，q4隨著運(yùn)行氧量增加而減小；當(dāng)運(yùn)行氧量增加至5.1%以上時，NOx排放濃度明顯升高，達(dá)到526 mg/m3，鍋爐熱效率因q2+q4升高而開始下降；80%負(fù)荷（104 t/h）下散熱損失q5可計(jì)為1.2%，由于其他熱損失相對很小，熱效率η 可按1-q2-q4-q5計(jì)。實(shí)驗(yàn)研究建議4 臺鍋爐運(yùn)行氧量控制在3.0%～4.5%，即可保證鍋爐NOx排放達(dá)標(biāo)，又能保證鍋爐在較高運(yùn)行效率下減輕水冷壁結(jié)焦。

表2 定負(fù)荷、變氧量對NOx、q2、q4 的影響關(guān)系

圖1 80%負(fù)荷下氧量與NOx 濃度及鍋爐熱效率關(guān)系

1.3 二次風(fēng)配風(fēng)方式實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐

通過優(yōu)化二次風(fēng)擋板開度可調(diào)節(jié)爐膛沿高度方向的風(fēng)粉比例，控制火焰中心位置，從而影響爐膛出口煙溫、NOx排放濃度、灰渣可燃物含量、排煙溫度。實(shí)驗(yàn)在80%鍋爐負(fù)荷、下層SOFA擋板全開、上層SOFA 擋板開50%、擺角保持不變工況下，實(shí)驗(yàn)不同配風(fēng)方式對NOx排放濃度和熱效率影響，如圖2 所示：倒寶塔、縮腰、均等配風(fēng)方式下NOx排放濃度分別為481 mg/m3、419 mg/m3、382 mg/m3，倒寶塔、縮腰配風(fēng)方式的效果好于均等配風(fēng)，但下降幅度不大。

圖2 3 種配風(fēng)方式對NOx 排放及η 的影響

這是因?yàn)榈箤毸⒖s腰中下層二次風(fēng)擋板開度較小，過量空氣系數(shù)較小，還原性氣氛更好，致使主燃區(qū)生成的NOx更少。但由于燃燒系統(tǒng)改造，新增的燃盡風(fēng)已分去總風(fēng)量的30%，倒寶塔、縮腰配風(fēng)方式又進(jìn)一步減少了主燃區(qū)的風(fēng)量，致使火焰中心下移、渣斗明顯回火、燃料不完全燃燒熱損失明顯增加。均等、縮腰、倒寶塔三種配風(fēng)方式下熱效率分別為91.44%、90.82%、90.57%，均等配風(fēng)方式下分別比縮腰、倒寶塔配風(fēng)方式高0.62%、0.87%。由于NOx排放濃度還可以通過調(diào)整SOFA 風(fēng)量來控制，從鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度綜合考慮，推薦均等配風(fēng)方式，二次風(fēng)擋板推薦優(yōu)化參數(shù)見表3。

表3 二次風(fēng)擋板開度推薦運(yùn)行參數(shù) %

1.4 SOFA 配風(fēng)方式實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐

燃盡風(fēng)是鍋爐在豎直方向上分級燃燒的重要體現(xiàn)，燃盡風(fēng)引自熱二次風(fēng)母管，其風(fēng)量占總風(fēng)量的30%。投用燃盡風(fēng)的目的在于使得主燃燒區(qū)未燃盡的煤粉進(jìn)一步燃燒，有效改善結(jié)焦并控制NOx排放，同時下層燃盡風(fēng)風(fēng)室反向切圓的設(shè)計(jì)來抵消主燃燒區(qū)的旋轉(zhuǎn)動量矩，從而減少爐膛出口煙溫偏差。另外燃盡風(fēng)的擋板開度調(diào)節(jié)可以一定程度的控制火焰中心的位置，進(jìn)而影響主汽溫度變化。

為掌握SOFA 風(fēng)對NOx排放濃度影響，首先進(jìn)行SOFA 擋板特性曲線實(shí)驗(yàn)。在鍋爐80%負(fù)荷工況下，保持入爐風(fēng)量不變，上層SOFA 擋板開度0%，下層SOFA 擋板開度分別在25%、50%、75%、100%工況下對SCR 入口NOx濃度（LSOFA 擋板特性）、η 的影響如圖3 所示；下層SOFA 擋板開度0%，上層SOFA擋板開度分別在25%、50%、75%、100%工況下對SCR 入口NOx濃度（HSOFA 擋板特性）、η 的影響如圖4 所示。

由圖3、圖4 可見，在80%負(fù)荷、對應(yīng)入爐風(fēng)量保持不變工況下，隨著SOFA 擋板開度增加，NOx排放濃度均呈下降趨勢（折算到O2=6%，下同），且下層燃盡風(fēng)對NOx明顯優(yōu)于上層燃盡風(fēng)，單獨(dú)下層燃盡風(fēng)全開時最低降至289 mg/m3。可見，通過控制SOFA 擋板開度，可以將SCR 入口NOx控制在較低范圍內(nèi)，減少SCR 噴氨量、延長催化劑使用壽命。爐膛出口溫度在低負(fù)荷時因總煙氣量較小隨著HSOFA 擋板開度增大呈略下降趨勢，因此為確保主汽溫度在安全范圍內(nèi)并不是NOx降至越低越好，燃盡風(fēng)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)見表4。

圖3 80%負(fù)荷HSOF 關(guān)、LSOFA 不同開度對SCR 入口NOx 排放濃度、η 的影響

圖4 80%負(fù)荷LSOFA 關(guān)、HSOFA 不同開度對SCR 入口NOx 排放濃度、η 的影響

表4 燃盡風(fēng)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù) %

2 總結(jié)

低氮燃燒優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐總結(jié)如下：①1#、2#、3#、4#鍋爐一次風(fēng)擋板特性實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐優(yōu)化參數(shù)見表1；②變氧量實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐建議4 臺鍋爐運(yùn)行氧量控制在3.0%～4.5%，即可保證鍋爐NOx排放達(dá)標(biāo)，又能保證鍋爐在較高運(yùn)行效率下減輕水冷壁結(jié)焦；③二次風(fēng)配風(fēng)方式實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)見表3；④SOFA 配風(fēng)方式實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)見表4。

綜上實(shí)驗(yàn)所述，以80%額定負(fù)荷為例，低氮燃燒實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐結(jié)果有效指導(dǎo)了生產(chǎn)，降低了SCR 入口NOx排放濃度、延長了催化劑的使用壽命，提高了鍋爐機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)率。