低氮燃燒技術(shù)在中溫中壓煤粉鍋爐上的應(yīng)用

田順生，高 磊

(1.包鋼鋼聯(lián)股份有限公司動供總廠，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古特種設(shè)備檢驗院包頭分院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 NOx產(chǎn)生和控制

1.1 NOx生成機(jī)理

NOx的形成主要有3種機(jī)理。燃料型：約占NOx總生成量的75%～80%；熱力型：與溫度有直接關(guān)系，對煤粉鍋爐來說，當(dāng)燃燒溫度≤1350 ℃，爐內(nèi)生成的NOx幾乎全部為燃料型，當(dāng)燃燒溫度為1600 ℃時，熱力型NOx可占生成總量的25%～30%；瞬發(fā)型：NOx生成量極少[1]。

1.2 NOx控制

對于燃煤鍋爐NOx的控制主要有3種方法：①燃燒前脫硝；②燃燒中脫硝，主要是利用低氮技術(shù)(LNB)；③燃燒后脫硝，主要有選擇性非催化還原法(SNCR)、選擇性催化還原法(SCR)和SNCR-SCR聯(lián)合法等。

2 包鋼動供總廠1號130 t/h鍋爐低氮燃燒技術(shù)應(yīng)用

2.1 鍋爐現(xiàn)狀

包鋼鋼聯(lián)股份有限公司動供總廠(以下簡稱包鋼動供總廠)1號鍋爐是WGZ-130/39-1型煤粉爐，于1978年12月投產(chǎn)，由武漢鍋爐廠設(shè)計制造，為中溫中壓、自然循環(huán)、四角切向燃燒，鍋爐整體采用“∏”型布置；制粉系統(tǒng)為鋼球磨中儲倉熱風(fēng)送粉系統(tǒng)；水冷壁為膜式水冷壁；2013年6月煙氣除塵脫硫系統(tǒng)改造完成，采用了布袋除塵器，石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)，但1號鍋爐未進(jìn)行脫硝系統(tǒng)改造，煙氣中NOx排放量600 mg/m3,根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[2]，包鋼動供總廠1號鍋爐煙氣中NOx排放標(biāo)準(zhǔn)是≤200 mg/Nm3。鍋爐設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐設(shè)計參數(shù)

綜合考慮1號鍋爐NOx排放濃度和排放量的要求、初期投資、運(yùn)行成本、操作維護(hù)、現(xiàn)場實際設(shè)備狀況以及脫硝改造工程措施的可行性，最終確定采用LNB改造+SNCR煙氣脫硝的技術(shù)路線。具體為首先采用低NOx燃燒技術(shù)將NOx控制在350 mg/m3以下；其次采用以尿素作為還原劑的SNCR脫硝技術(shù)將NOx控制在200 mg/m3以下。

2.2 低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用

主燃燒器低氮改造方案為主燃燒器更換為低氮燃燒器，仍然采用原布置形式。具體改造如下。

a.一次風(fēng)采用水平濃淡煤粉燃燒技術(shù)，一次風(fēng)噴口設(shè)偏置周界風(fēng)，對一次風(fēng)噴口起冷卻作用，同時一次風(fēng)噴口在背火側(cè)設(shè)計了側(cè)邊風(fēng)，起到防止?fàn)t膛水冷壁結(jié)渣和防止高溫腐蝕的作用[3]。所有一次風(fēng)耐熱噴口為耐熱鑄鋼。

b.二次風(fēng)噴口面積縮小，中二次風(fēng)噴口改為偏置二次風(fēng)噴口，將一部分風(fēng)量從主流方向分離出來偏向水冷壁，用于改善水冷壁附近氣氛，防止燃燒器區(qū)域水冷壁結(jié)渣，保護(hù)水冷壁。考慮到鍋爐運(yùn)行時間較長，所有二次風(fēng)門更換，二次風(fēng)門為手動調(diào)節(jié)。

c.三次風(fēng)改造成兩層，上層位于下燃盡風(fēng)之中，下層三次風(fēng)位于中二次風(fēng)之中，下燃盡風(fēng)和中二次風(fēng)均有冷卻三次風(fēng)噴口的作用。

d.在主燃燒器上部增加兩層燃盡風(fēng)，布置在12 m標(biāo)高處；兩層燃盡風(fēng)共8個噴口，每層均等配風(fēng)。

e.原燃燒器中高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣噴口整體回用，燃燒器殼體、執(zhí)行器、彈簧吊架及煤粉管道彎頭等回用。

2.3 低氮改造后脫硝效率低的原因分析及處理

該鍋爐脫硝改造完畢后，試運(yùn)行后NOx在350～600 mg/m3，如表2和圖1所示，脫硝效率未達(dá)到設(shè)計要求。經(jīng)分析認(rèn)為主要是如下2個原因?qū)е隆?/p>

a.含氧量過高(9%～11%)：過量空氣系數(shù)在1.7～2.5，1號鍋爐本體及輔助系統(tǒng)漏風(fēng)過多，低氮技術(shù)在主燃燒區(qū)域要求是缺氧燃燒[4]，但因1號鍋爐采用水力沖渣，底部內(nèi)灰門早已拆除，內(nèi)灰門等處大量漏風(fēng)，導(dǎo)致主燃燒器區(qū)域富氧，氮氧化物生成量未得到明顯減少。

表2 鍋爐平均負(fù)荷下爐膛煙氣含氧量與氮氧化物生成的關(guān)系

圖1 鍋爐平均負(fù)荷下爐膛含氧量與NOx的關(guān)系曲線

b.煤質(zhì)較差：實際燃用煤種灰分40%，揮發(fā)分16%，而改造設(shè)計所提供的煤樣數(shù)據(jù)是灰分30.8%，揮發(fā)分33.58%，揮發(fā)分指標(biāo)嚴(yán)重影響NOx控制。根據(jù)低氮原理，揮發(fā)分越高的煤生成的NOx越低。揮發(fā)分高的煤燃燒迅速而激烈，大量消耗氧氣，使得燃燒初期區(qū)域形成缺氧環(huán)境，從而抑制了氮氧化物生成[5]，如表3所示。

表3 燃煤中揮發(fā)分與氮氧化物生成的關(guān)系

c.配風(fēng)較差：運(yùn)行過程中底部冷灰斗冷風(fēng)直接沖擊爐膛兩側(cè)，影響了鍋爐的軸向配風(fēng)，因此必須調(diào)整風(fēng)門，加強(qiáng)配比，方能達(dá)到分級配風(fēng)的技術(shù)要求。

針對煙氣含氧量過高的問題，主要處理了鍋爐本體及輔助系統(tǒng)的漏風(fēng)，同時安裝了2個二次風(fēng)總門，控制進(jìn)入爐膛的總送風(fēng)量，最終將氧量控制在4%～6%。針對煤質(zhì)較差的問題，主要是抓好配煤問題，保證揮發(fā)分在20%以上。另外，加強(qiáng)運(yùn)行中的配風(fēng)，全開8只燃盡風(fēng)門，使燃盡風(fēng)占總風(fēng)量25%，主燃燒器區(qū)域風(fēng)量在75%，二次風(fēng)門開度10%，二次風(fēng)支管門及側(cè)邊風(fēng)均關(guān)至10%左右。經(jīng)過調(diào)整，最終使低氮后NOx量穩(wěn)定在300～350 mg/m3，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

3 結(jié)論

a.對于130 t/h普通煤粉鍋爐，采用低氮燃燒技術(shù)，脫硝效率可以達(dá)到40%左右。

b.對于老舊鍋爐進(jìn)行低氮燃燒器改造時，一定要注意漏風(fēng)問題，若漏風(fēng)量過大導(dǎo)致煙氣含氧量高，將嚴(yán)重影響低氮脫硝效率。漏風(fēng)控制困難時，可考慮采用煙氣再循環(huán)來提高脫硝效率。

c.煤質(zhì)對低氮燃燒的脫硝效率影響很大，燃用揮發(fā)分越高的煤，低氮脫硝的效率越高。目前動供總廠煤質(zhì)要求為揮發(fā)分≥20%、灰分≤29%、硫≤0.8%。

d.低氮配風(fēng)很重要，空氣分級就是要控制主燃燒區(qū)缺氧燃燒，燃盡區(qū)富氧燃燒。