低氮燃烧在大比例掺烧焦炉煤气煤粉锅炉上的应用

张永福,王 琴

1 引言

低氮燃烧是采用水平浓淡煤粉燃烧技术，与炉内垂直水平分级燃烧相结合形成复合低NO x排放的燃烧系统，促进四角切圆锅炉运行性能得到有效改善，同时通过实行有效的分级燃烧时（采用高位燃尽风），获得优良的锅炉运行性能。

焦炉煤气（Coke Oven Gas,以下简称COG）作为钢铁行业炼焦附产品，以其高热值特性被广泛使用。但由于在燃烧过程中耗氧量大，如果大比例掺烧对低氮燃烧系统影响较大，如何合理布置COG烧嘴位置是一项现实课题，本文针对掺烧煤气锅炉在低氮燃烧器改造中，如何做好大比例掺烧COG而开展的实践和应用工作。

2 运行现状

马钢热电总厂新区12#煤粉炉是东方锅炉工业集团有限公司制造的DGJ480/13.7-M型煤粉锅炉，设计最大可掺烧13万m3/h高炉煤气（Blast furnace gas,以下简称BFG），四角切向燃烧，单汽包，一次中间再热、平衡通风、固态排渣，全钢架结构悬吊布置的Π型汽包锅炉。燃烧器采用固定式水平浓淡煤粉燃烧器，采用冷一次风机正压直吹式制粉系统，每炉配4台中速磨煤机，磨煤机型号：HP683，设计煤粉细度R90＝20%。

根据煤气管网平衡情况，实际生产中经常需要12#煤粉炉在掺烧BFG基础上，再掺烧COG2.0万m3/h，同时BFG中还掺有少量转炉煤气 (Linz-Donawitz Process Gas,以下简称LDG)，上述三种煤气特性参数见表1。

说明：大比例掺烧焦炉煤气，意味着 2.0万m3/h的掺烧量相当于锅炉总热量20%，也就是说增加2.0万m3/h焦炉煤气后，12#锅炉掺烧煤气热值总量超过锅炉热负荷50%。

表1 高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气特性参数

锅炉脱硫系统运行正常，但无脱硝装置，2014年3月利用机组大修期间，进行炉内低氮燃烧改造，提高焦炉煤气掺烧比例、同时实施选择性催化还原烟气脱硝（SCR）改造。

3 低NOX燃烧改造方案说明

针对480 t/h锅炉燃烧设备布置情况，在安全、经济、稳定、可靠等基础上进行低NOx燃烧改造。根据现代优化燃烧和低NOx排放燃烧技术：

①燃烧器采用水平布置的对置丘体式高浓缩比燃烧器；

②根据新的风量配比重新设计二次风喷口；

③炉内纵向高度方向预留大空间还原区间；

④增设两层SOFA燃尽风喷口。将炉膛内燃烧人为的划分为三个区域：主燃烧区、NOx还原区和可燃质燃尽区，详细见图1。依据区域划分合理配风：主燃烧区域欠氧燃烧（a<1即供入总风量的82.5%；燃尽区域过氧燃烧，即供入总风量的27.5%）。此种技术的利用，最大限度的优化了炉内燃烧、并可在不降低锅炉效率前提下大幅度降低NOx生成和排放。

4 焦炉煤气烧嘴布置形式分析

图1 锅炉主燃烧区、NOX还原区、可燃质燃尽区

锅炉四角燃烧器布置情况，见图2，从燃烧器布置情况来看，增加2.0万m3/hCOG烧嘴只有放在AB层（油点火层）和CD层（助燃油层），取消原来的燃油系统。从燃烧稳定性和风量均衡性分析，2.0万m3/hCOG平均分为二层布置，每层增加1.0万m3/h较为合理。

但考虑到COG为易燃易爆、有毒有害气体，运行安全控制要求很高，如果是二层布置，控制系统快切装置和调节装置就要增加一倍，同时，从现场设备布置情况来看，管道布置也十分困难，因此，分二层布置方式很难实施。

另外，通过分析，COG布置位置对低氮燃烧和锅炉影响有以下因素：COG热值为16580 kJ/m3仅次于燃煤热值，当最大掺烧2.0万m3/h COG时，需要空气量80220 m3/h（a=1），需要减少燃煤供应量接近20%，从风量调整和炉膛热负荷强度分布来分析，就要相应停止一层一次风燃烧器。如果我们将COG燃烧器布置在AB层，那么，就需要停用A层或者是B层一次风燃烧器，此时燃烧器运行状况为：二层BFG、AB层COG、A层或者是B层一次风燃烧器，再加上C层或者是D层一次风燃烧器，这时我们发现，锅炉燃烧区域过分集中在炉膛下部，火焰中心大幅度下移，造成蒸汽温度难已控制。低氮燃烧技术中燃料分级原理告诉我们：主燃料（煤）应该在主燃烧区燃烧，气体燃料须分布在主燃区边缘。如果COG布置在AB层，这与降氮燃烧技术中的燃料分级原理相违背。

综上所述：对于12#锅炉而言，大比例掺烧COG噬嘴的合理布置应在CD层比较科学合理。

5 大比例掺烧时燃烧调整

由于此锅炉设计是以煤为主要燃料，掺烧煤气量最大不超过30%（按热值比），此次大比例掺烧后，掺烧煤气总量将超过50%，因此，二种极端工况运行调整就显得尤为重要。如果是掺烧煤气量不超过30%，运行调整控制同正常情况相同，没有特别要求，如果是掺烧煤气量超过30%，特别是在最大比例掺烧情况下，要做好以下几方面调整：

①磨煤机运行方式：由于煤气掺烧量增减，燃煤量将减少，此时只能投用A层和B层制粉系统，严禁使用C层或者是D层制粉系统，否则的话锅炉汽温、飞灰含碳量将会上升较快，锅炉效率将会大幅度下降。

②二次风量调整：此次低氮改造在主燃区域上方角水冷壁管屏开孔，增设两层SOFA燃尽风喷口，作为燃尽风使用，在大比例掺烧煤气合，由于C层好D层制粉系统没有投用，所以二次风量控制就要做相应的调整，具体风门控制见表2。

表2 二次风门挡板控制方法

大修后通过锅炉稳定性试验和性能试验，证明，此次大比例掺烧COG的改造，对低氮燃烧和锅炉效率的影响相对较小，改造达到预期效果。

6 结论

（1）针对掺烧高热值COG而言煤气锅炉而言，只要布置合理，较大比例掺烧不会影响运行经济性、安全性；

（2）在大比例掺烧COG时，燃煤用量将会大幅度下降，此时应同步做好锅炉负荷、磨煤机运行方式调整和二次风量调整，杜绝超负荷现象发生，否则会造成锅炉效率下降和受热面磨损增加；

（3）如果掺烧比例进一步增加，只要对现场设备布置进一步优化，可以考虑分层布置。

总之，对于掺烧煤气锅炉低氮燃烧改造而言，如果燃烧器布置合理、燃料量和风量调整及时到位，就能够保证NOx达标排放，同时也能够保证在最大掺烧煤气工况下锅炉效率相对稳定。