空气垂直分级低氮燃烧调整试验研究

魏健鹏，董 辉，胡颖炯，魏争鸣

（甘肃电力科学研究院，兰州730050）

煤炭燃烧会产生大量的烟尘、SO2、NOx和CO2等污染物，其中NOx的主要来源是电站锅炉的燃烧产物，采取相应措施来控制NOx的生成已变得非常重要。对NOx排放进行控制，一是燃煤锅炉采用炉内低氮燃烧技术，降低燃煤机组燃烧产物中NOx的生成量；二是利用脱硝技术对烟气进行脱硝。目前执行的GB 13223—2003《火电厂大气污染物排放标准》中NOx排放质量浓度限值为450～1 100mg／m3，而发达国家和地区的NOx排放质量浓度限值一般在200mg／m3以下（欧盟现行的NOx排放质量浓度限值为200mg／m3，美国为135～184mg／m3，日本为200mg／m3）；同时我国还要求新建火电厂必须同步建设脱硝装置，重点地区NOx排放质量浓度限值为200mg／m3；2015年年底前，现役机组全部完成脱硝改造，实现NOx排放质量浓度限值为200mg／m3的目标。

空气垂直分级燃烧技术是目前应用较广泛的一种低氮燃烧技术。空气分级燃烧的基本思想是降低主燃烧区域的氧气质量分数，进行亚化学当量的缺氧燃烧，以抑制煤粉燃烧过程中NO的形成，使燃料在缺氧条件下燃烧，降低燃烧速度和燃烧温度，减少热力型NO的生成。还原燃料中释放的含氮中间产物HCN，也会将NO还原分解成N，从而抑制燃料型NO的生成。在燃尽区供给充足氧气，加快燃料的燃尽，充分利用低氮燃烧技术降低脱硝成本［1］。

1 试验炉燃烧器及燃料特性

燃烧器由主燃烧器和分离燃尽风（SOFA）燃烧器组成。主燃烧器有13层喷嘴，其中5层一次风喷嘴（最下层为等离子点火燃烧器），8层二次风喷嘴。SOFA燃烧器设计有3层二次风喷嘴。为了控制锅炉炉膛出口左、右侧烟温偏差，燃烧器的顶部2层二次风EE、EF（燃尽风OFA）和中间1层二次风CD采用反切布置，顺时针旋转，反切角为12°，反切切圆直径分别为3 210mm和2 998mm，其余喷口气流均为逆时针旋转。在主燃烧器的上方布置有SOFA燃烧器，使主燃烧器区域的过量空气系数维持在1.03左右，这样可降低主燃烧器区域NOx的生成量。设计各类风比例：一次风20.89%，二次风61.19%，SOFA 12.92%。设计风速：一次风30.9m／s，二次风49.4m／s，SOFA49.4m／s。漏风率5%，二次风阻力1 150Pa。煤质特性见表1。

表1 试验煤质

2 炉内空气垂直分级控制

空气垂直分级燃烧技术是将燃料的燃烧过程分阶段进行控制，即主燃区α＜1，还原区α≈1，燃尽区α＞1，使整个燃烧过程中第一阶段减少空气供应量，第二阶段将部分燃烧所需的空气通过布置在主燃烧器上方的OFA送入，第三阶段将其余燃烧所需的空气通过布置在主燃烧器顶部的SOFA送入炉膛；因此需要确定：（1）燃烧的理论空气量；（2）燃尽风比例；（3）燃烧器出口过量空气系数，以寻求最低NOx排放质量浓度的控制期望值。

燃煤特性变化较大时，需要基于燃煤特性对锅炉运行进行优化调整，以满足变煤种高效、低污染燃烧的要求。煤种的燃料系数为：

式中：w（Ndaf）为燃煤的干燥无灰基质量分数，%；w（Cdaf）为干燥无灰基碳质量分数，%；d为煤粉平均粒径，mm。

锅炉采用变煤种运行时，可通过式（1）计算相应煤种的燃料系数FCI值，判断变煤种运行对NOx排放质量浓度的影响，从而可为选择配备燃料或运行的调节手段，为变煤种运行达到高效、低污染燃烧要求提供依据。

燃煤特性对燃料氮转化率的影响主要为w（Ndaf）及w（Cdaf）。随着煤粉粒径的增大，燃料系数FCI也增大，NOx排放质量浓度也增大。燃料w（Vdaf）越高，燃料氮转化率越低；w（Vdaf）越低，燃料氮转化率越高。

在垂直空气分级燃烧调整过程中，首先给定炉膛出口过量空气系数α″f，然后根据煤质资料计算理论空气量V0（m3／kg）计算实际空气量Vk为：

式中：αt为炉膛内总的过量空气系数；Δαf为炉膛漏风率。

最后根据给定分离燃尽风份额Δαr和给定一次风比例Δα1t，确定燃烧器出口过量空气系数：

3 垂直空气分级燃烧控制参数

3.1 设计工况下的过量空气系数

额定负荷下SOFA比例设计值为0.129 3，主燃烧器过量空气系数1.00，炉膛漏风系数0.05，即SOFA份额与炉膛三区（主燃烧区、还原区和燃尽区）总的过量空气系数等于0.15，实际炉膛漏风5%。对于整组燃烧器来说，炉内燃烧情况复杂，不能严格划分出三个区域，但可以通过煤粉的燃尽高度大致确定分级风量，当燃尽区最大过量空气系数在1.15左右时，燃烧器出口区空气过量系数约等于1.05，即在送入炉膛总风量和烟气中φ（O2）不变的情况下，增加SOFA风量相当于降低还原区和主燃烧区过量空气系数，见表2。

表2 炉膛过量空气分布

3.2 煤粉燃尽高度与NOx脱除率的变化

燃烧器煤粉燃尽高度H根据煤质特性w（Vdaf）计算：

试验中两种煤质的计算燃尽高度分别是2.10m和2.29m。当燃尽风投入时，煤粉的燃尽高度均大于计算值；当SOFA全部关闭后，E层燃烧器投运时煤粉燃尽高度为1.85m，小于计算燃尽高度。由于SOFA关闭后炉膛主燃区过量空气系数增大和燃尽区的过量空气系数增大，对NOx脱除率影响较大，因此在不同磨煤机的运行方式下燃尽高度也在变化。SOFA高度的选择，对锅炉改造及提高NOx脱除率意义重大。锅炉额定负荷下，燃尽高度随磨煤机运行组合方式（4台磨煤机运行，E磨煤机不运行或运行）而变化。锅炉各一次风燃烧器喷口设计标高及间距见表3。

表3 设计燃烧器标高

当锅炉负荷不变，控制φ（O2）一定的条件下，通过改变上层磨煤机运行组合方式，改变燃尽风送入高度，测量烟气NOx质量浓度。当磨煤机运行ABDE改变为ABCD时，燃尽高度发生变化，测试烟气成分，计算NOx脱除率的变化（见表4）。

表4 燃尽高度变化时试验结果

表4表明：SOFA高度的增加会提高垂直空气分级燃烧中NOx的脱除率；同时垂直分级程度越大，即燃尽区出口过量空气系数越小，对NOx脱除率影响越大。对于不同的磨煤机运行组合方式，SOFA风量对NOx质量浓度的影响程度有所不同，其关联程度与运行的磨煤机台数及最上一层运行的燃烧器与SOFA风口的距离相关，距离越小关联度越高，运行磨煤机台数越多关联度越高。

在燃尽高度增大至5.0m以上时，OFA与SOFA其中任一组风切换运行，对NOx质量浓度的影响几乎相同；在ABCD磨煤机组合运行方式下OFA（顶层二次风）与SOFA（共三组）中任一组风可相互替代。

3.3 燃尽风比例变化

维持炉膛出口φ（O2）一定的条件下，改变燃尽风比例，锅炉负荷不变，主燃烧区一、二次风配风方式不变，改变SOFA风量，测量烟气中NOx质量浓度（见表5）。

表5 燃尽风比例变化时试验结果

当磨煤机运行ABCD组合时，二次风配风不变，仅开启SOFA，烟气中NOx质量浓度明显降低，降低幅度随SOFA比例增大而增大，通常在φ（O2）为3.2%～4.0%时，可降低25.2%左右。燃尽风比例的增大，必须提高大风箱二次风阻力，增大燃尽风风速。二次辅助风阻力增大意味着燃尽风比例的增加。

3.4 锅炉变负荷过程中NOx质量浓度的变化

在锅炉变负荷状况下，由于炉膛断面热负荷的急剧变化，炉膛上部温度大幅降低，停止D磨煤机NOx质量浓度降幅100mg／m3，停止C磨煤机NOx质量浓度降幅60mg／m3；而上层磨煤机的停运，也使相应送入的二次风减少，扩大了NO还原区域，并使上炉膛温度降低，十分有利于降低NOx质量浓度。图1为锅炉变负荷运行中NOx质量浓度变化趋势图。

图1 锅炉变负荷运行中NOx质量浓度变化趋势图

图1表明：燃料量的减少与NOx质量浓度降低呈现正比例趋势，磨煤机一次风量的骤减点即NOx质量浓度的骤降点。垂直分级燃烧中一次风比例对NOx脱除率有着直接的影响，适当降低一次风比例有利于NOx排放质量浓度控制。

4 结语

对煤粉锅炉空气分级燃烧而言，主燃区及还原区空气的配比、燃尽区长度、过量空气系数等对NOx排放质量浓度影响很大。如果将燃烧器组按ABCD＼ABCE＼ABDE三种典型运行方式划分，假定二次风阻力不变，当过量空气系数1.17（φ（O2）＝3.05%），SOFA 风量分数13%，主燃烧区及还原区总过量空气系数1.03时，方可达到设计要求，NOx排放质量浓度随着分级风量的增加而减少；但在分级风量过大时，不完全燃烧产物迅速增加，主燃烧区长度增大，增大了NOx在还原区的停留时间，NOx排放质量浓度也会明显降低，在过量空气系数逐渐增大的过程中，NOx排放质量浓度呈现先增大后减少的趋势。

［1］周永刚，邹平国，赵虹.燃煤特性影响燃料N转化率试验研究［J］.中国电机工程学报，2006，26（15）：63-67.