300MW煤—煤气混烧锅炉高效低氮燃烧优化技术的实践

张达等

【摘 要】300MW煤-煤气混烧发电机组炉膛出口原烟气NOx含量超出设计值。在经过对混烧燃烧工况的试验研究后，找出了有效的降低NOx的燃烧优化途径。充分利用高炉煤气热值低的特性，使炉膛中心温度降低，减少热力型NOx的形成。同时煤-煤气进行分级燃烧，营造还原反应氛围，使部分NOx在炉膛内进行还原反应。最终降低了原烟气NOx浓度，减轻了炉后SCR的处理压力，节约了液氨的消耗量，实现经济、环保的双赢。

【关键词】锅炉；低氮燃烧；实践

0 概述

“十二五”规划环保新标准，现有火力发电锅炉及燃气轮机组从2014年7月1日起，执行NOx排放浓度100mg/Nm3的标准。对环保要求更加严格，如果单纯从炉后进行治理，不仅增加设备投资和运行维护费用，还可能由于过多的消耗液氨而引起预热器等锅炉尾部受热面的堵塞等。通过高效低氮燃烧优化技术，在满足环保要求下，使得运行更加安全、经济、稳定。

1 现状

首钢京唐钢铁联合有限责任公司热电分厂（以下简称：京唐热电）锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司制造，型号为HG-1 025/17.5-MQ42，锅炉型式为亚临界参数锅炉。设计燃料为神华煤，校核煤种为山西大同烟煤。锅炉为100%燃烧煤粉的锅炉，具有同时掺烧比例设计为20%（热量百分比）的高炉煤气及0～35000Nm3/h焦炉煤气的能力。

锅炉为单炉膛设计结构，燃烧器为四角布置的摆动式燃烧器，切向燃烧。通过采用水平浓淡煤粉燃烧器、较高的燃尽高度、燃烧器分级布置等措施保证燃用设计煤种及掺烧炉气时及时着火和充分燃尽。燃烧器布置图，如图（1）所示。

锅炉日常运行时的燃料有煤、高气、焦气三种，热值分别为21.32MJ/kg、3.536MJ/kg、17.405MJ/kg。

2 锅炉低氮燃烧的理论研究

2.1 NOx生成的机理[1]：

炉内燃烧过程NOx生成主要有三种类型，燃料型、热力型及快速型三种，燃料型NOx约占75～85%，是低NOx燃烧技术控制的主要对象。其次是热力型，主要是由于炉内局部高温造成，快速型NOx生成量很少。

2.2 影响氮氧化物转化率的的因素

主要因素包括燃料的成分和燃烧设备运行参数：

（1）燃料中氮含量；（2）燃料比FC/V；（3）煤的挥发份；（4）过量空气系数；（5）燃烧温度；（6）负荷的变化；（7）除以上影响因素外，京唐热电锅炉掺烧高、焦炉煤气，对燃烧动力场有一定的干扰，高、焦炉煤气掺烧比及分层布置也是影响氮氧化物转化率的一个重要因素。

2.3 低NOx燃烧技术

采用第三代燃料与空气的三分级燃烧技术。在燃烧中已生成的NO遇到烃根CHi、未完全燃烧产物CO、H2、C以及CnHm时，会发生NO的还原反应[2]，反应式为：

利用这一原理，将80～85%的燃料送入第一级燃烧区，在α>1条件下，燃烧并生成NOx。送入一级燃烧区的燃料称为一次燃料，其余15～20%的燃料则送入二级燃烧区，在α<1的条件下形成很强的还原性气氛，使得在一级燃烧区中生成的NOx在二级燃烧区内被还原成氮分子，送入二级燃烧区的燃料又称为二次燃料。在二级燃区中不仅使得已生成的NOx得到还原，还抑制了新的NOx的生成，可使NOx的排放浓度进一步降低。在二级燃区的上面布置的“燃尽风”喷口，形成第三级燃烧区（燃尽区），以保证二级燃区中生成的未完全燃烧产物的燃尽[3]。

3 京唐公司低氮燃烧的实践

3.1 技术路线

根据NOx生成原理及影响因素，采用空气分级和燃料分级技术。通过炉内一、二次风的射流组织，炉膛的纵向空间尺度上，将燃烧分为一级燃烧区、二级燃烧区和三级燃尽区，在二级燃烧区形成NOx还原区，最终达到降低原烟气NOx的目的。

3.2 低氮燃烧的实践过程

3.2.1 第一级燃烧区

在第一级燃料区投入80%的燃料的需求下，将煤粉层A、B层投入，同时将高气A、B层，GA层、AB层、BC焦气等全部投入作为第一级燃烧区集中燃烧。

在配风控制上，对应的二次风配风开至50%，在a1=1.05-1.11的条件下燃烧。

3.2.2 第二级燃烧区

选取焦炉煤气作为二次燃料，但是由于二次燃料所需要的比例为15%～20%（热量），而焦炉煤气在二级燃烧区域只有DE层的4个火嘴，单层焦炉煤气从热量配比上达不到15%-20%的热量，仍然需要少量投入一层煤粉，以满足热量需求。作为二次燃烧区煤粉层的选取上，如果选择E磨作为二级燃料的补充，那么E层还原区变短，停留时间不足，对降低NOx不利，另外由于E层靠近炉膛出口，导致出口烟气温度升高，需要增加减温水使用量，降低锅炉效率；如果选择C层煤粉，C层煤粉与一级燃烧区距离较近，不能很好的控制空气的分级，而且由于燃料的过于集中，且距离炉膛出口较远，导致出口温度偏低，使再热器的温度不够，同样造成机组的效率降低。综合比较后选取D层作为二级燃烧区燃料。

作为二次燃料的煤粉细度的控制上，将煤粉细度进行偏置，A、B磨煤粉细度按R90=20控制，由于D层煤粉作为二次燃料，将煤粉细度控制在R90=15，细煤粉更易于使挥发份分解，产生有较多的气化物作为还原气体对已生成的NOx及中间产物产生还原作用，使NOx的生成量降低。

在配风的控制上，将二级燃烧区对应的二次风挡板开度开至30%，保持过量空气系数a2=0.95。

3.2.3 第三级燃烧区

将上两层燃尽风投入，保持燃尽风开度在40%，调整炉膛出口的氧含量在3.5～4.0%，以保证可燃物的燃尽。在保证原烟气低氮排放的基础上，尽可能的降低飞灰。

3.2.4 保证还原区长度

所谓还原区，是指二次燃料喷嘴与燃尽风风口之间的距离。随着还原区的增加，NOx的排放量下降，但飞灰可燃物含量会有所增加。我们炉膛的还原区的高度为约5米，可保证二次燃料的还原区内的停留时间在0.7s～1.5s，能够满足化学反应时间及可燃物进一步燃尽的的需求。

3.2.5 保证二级燃烧区燃料的喷射速度

二级燃烧区燃料与来自一级燃烧区的高温烟气混合，二级燃烧区燃料的喷射速度对燃烧的动力场起了比较关键的作用，如果二级燃料喷射速度低，不能达到混合强度的要求，那么还原反应不能充分的进行，使已生成的NOx及中间产物被还原成N2的概率降低。因此，需要保证二级燃料的喷射速度，通过采取一次风压力偏置即实现。

3.2.6 保证二次风喷射速度

二次风的喷射速度，对炉膛内切圆燃烧，起到扰动加强的作用，使空气与燃料混合充分，使燃烧更加充分、彻底。所以，二次风刚度的加强，对炉膛内的三个燃烧区域起到很重要的作用。在高、焦气用量稳定的情况下，不投入使用的燃烧器，适当开5%～10%的周界风，用于冷却即可；正在使用的燃烧器，不开周界风；没有投入使用的二次风，适当开5%用于冷却，通过采取以上措施，将二次风风箱的压力提高至0.6kPa，加强的二次风的喷入速度。

3.2.7 燃烧区域热量的分配

在煤气掺烧比约35%（其中高炉煤气20%，焦炉煤气15%，煤粉65%）的情况下。按照燃料分级的原则（一级燃料/二级燃料=8：2），将A、B、D三台磨的出力设置偏置，按A=B>D的模式，高、焦炉煤气采取平均分配方式，热量分配：A层煤粉25%、 B层煤粉25%、D层煤粉15%、焦炉煤气4×4%、高炉煤气2×10%。

3.2.8 掺烧高炉煤气后，对炉内燃烧的影响

（1）在相同负荷下，随着高炉煤气的掺烧量的增加，锅炉烟气量增加明显，煤粉在炉膛内的停留时间明显下降，煤粉燃烧时间不够，燃尽困难，使得飞灰含碳量明显升高。理论烟气生成量和高炉煤气掺烧率成正比，但是实际过程中，由于高炉煤气掺烧还使得炉膛温度下降，烟气比容随之下降，相反会抵消一部分烟气量的增大值，烟气量增加不是完全与掺烧率成正比，实际变化曲线较理论曲线的斜率稍小，但是增加的趋势不会改变。

（2）由于高炉煤气是低热值燃料，其燃烧温度明显低于煤粉燃烧温度，高炉煤气的掺烧使得炉膛温度水平明显下降，而实际上煤粉的燃尽程度随着炉膛温度的降低而下降，使NOx浓度有明显下降。

4 结论

通过此次低氮燃烧的三级技术，达到了预期的效果，原烟气NOx含量降低至400 mg/Nm3左右，有时能运行在350 mg/Nm3以下；月液氨使用量可降低约100吨。由于掺烧低热值高炉煤气，使得火焰中心温度降低，减温水量使用量大量减少，过热器减温水由80t/h降至30t/h以下，再热器减温水由15t/h减少到2t/h，整体来说提高了锅炉效率。

另外，由于钢铁厂煤气调整根据全厂的调度平衡，电厂高、焦气的用量进行频繁调整，增加了燃烧调整难度，在煤气掺烧比减少的情况下，依然按照此燃料分层的比例，同步增加煤粉的量，如果焦炉煤气减少，优先减下层喷入量，DE层焦炉煤气保持满量供给。保证燃烧区80%的燃料，二级燃烧区20%燃料的配比关系，始终形成三分级燃烧模式，能维持原烟气NOx在较低水平运行。

【参考文献】

[1]周新雅.大型燃煤锅炉低氮燃烧技术分析及应用策略[J].华东电力，2003（6）.

[2]吴碧君.燃烧过程NOx的生成机理[J].电力环境保护，2003，19（4）：9-12.

[3]马风哪，程伟琴.国内火电厂氮氧化物排放现状及控制技术探讨[J].广州化工，2011，39，15（58）.

[责任编辑：邓丽丽]