低NOx燃烧技术在300 MW机组掺烧贫煤锅炉上的应用

吴琪珑，朱峰，孙鹏宵，胡娟，金留印

(1.烟台龙源电力技术股份有限公司，山东烟台264006;2.湖南创元发电有限公司，湖南常德415702)

低NOx燃烧技术在300 MW机组掺烧贫煤锅炉上的应用

吴琪珑1，朱峰2，孙鹏宵1，胡娟2，金留印2

(1.烟台龙源电力技术股份有限公司，山东烟台264006;2.湖南创元发电有限公司，湖南常德415702)

介绍创元电厂300MW燃贫煤锅炉上采用的低NOx燃烧技术，重点通过燃用低挥发分贫煤锅炉燃烧过程中的试验研究及理论分析，提出燃贫煤锅炉加装卫燃带的新型低NOx燃烧技术，通过该技术改造后，300MW负荷时高温区炉膛温度在1500℃以上，NOx排放量大幅降低，在掺配不同煤种，不同比例低挥发分煤方式下，NOx排放量一般在200～370mg/m3，大大优于同类型未敷设卫燃带的燃低挥发分煤锅炉。对于燃低挥发分的锅炉，加装卫燃带后，较高的炉膛温度能够使得焦炭氮燃烧时间提前，降低主燃区过量空气系数，增加前期燃烧生成的氮氧化物的还原时间，从而大大降低NOx氧化物排放量并降低飞灰含碳量。

低NOx燃烧;300MW机组;低挥发分煤;掺烧;卫燃带

0 引言

低NOx燃烧技术是目前降低燃煤锅炉NOx气体排放量的主要手段之一。先通过低NOx燃烧技术将炉内NOx降低50%～70%，尾部再加装SCR烟气脱硝装置，初投资和运行成本都会大幅度降低。我国电力工业燃煤的品质差，煤质多变，尤其对于掺烧低挥发分贫煤的锅炉，往往存在着火稳定性差［1］、易结渣和灰渣含碳量高等问题。因此，在掺烧低挥发分贫煤锅炉的低NOx燃烧器改造过程中，不仅要大幅降低NOx气体的排放水平，同时也要着重解决锅炉的锅炉效率偏低、稳燃性差、易结渣、灰渣含碳量高和高温腐蚀等问题。

然而，对于掺烧低挥发分煤的锅炉来说，目前许多低NOx燃烧器设计中所采取的降氮措施往往与锅炉本身的燃烧设计理念相矛盾，如降低炉内燃烧温度、降低氧浓度、缩短燃烧气体在高温区的停留时间等。而且由于煤种挥发分的含量低，无法在炉内形成有效的还原性气氛抑制NOx的生成，导致掺烧低挥发分煤锅炉的NOx排放量大大增加。国内学者在低挥发分煤种燃烧过程中的NOx排放特性方面开展了一些工作［2－3］，但基本上均处于实验室研究阶段，且对该类煤种燃烧过程中NOx排放规律的研究还不充分，尤其是实炉尺度的试验数据较为缺乏。本文对基于双尺度低NOx燃烧技术改造后的某300MW燃贫煤机组进行了试验研究，并针对降低NOx、提高锅炉效率及燃烧稳定性方面，对几种不同掺烧煤种进行了优化调试，并对结果进行了分析，提出燃低挥发分煤锅炉加装卫燃带的新型低NOx燃烧技术。

1 设备概况与改造方案简介

湖南创元发电公司(以下简称“创元电厂”)1号机组锅炉为SG－1025/17.5－M720型亚临界压力、一次中间再热、自然循环、单炉膛四角切向燃烧锅炉，采用中储式钢球磨热风送粉，固态机械除渣。为使锅炉着火稳定及低负荷稳燃，在炉膛下部燃烧器区域四周水冷壁处铺设卫燃带，分上、中、下三段，总面积约300m2。投产以来，由于燃用煤种偏离设计煤种等原因，锅炉出现了一些问题，如炉内结焦问题严重、水冷壁高温腐蚀、过再热器爆管、炉膛出口烟温偏差大、炉渣可燃物含量高及NOx排放量偏高(800～950mg/m3)等。经几次优化改造，将卫燃带总面积去除至150m2左右，但上述问题依然较为突出。针对锅炉存在的问题，为了满足国家规定的NOx排放指标要求，创元公司在2014年5月对1号锅炉进行了低NOx燃烧器改造。锅炉燃烧器改造方案如图1所示。

图1 锅炉燃烧器改造方案示意

方案采用烟台龙源电力股份有限公司研发的双尺度低NOx燃烧技术［4－5］。改造中去除主燃区50m2卫燃带，继续保留约100 m2，调整主燃烧器区一、二次风喷口标高及喷口面积，原先布置在燃烧器上部的两层三次风下移，减少三次风对炉膛内燃烧状况的扰动。在BC、EF及OFA层二次风喷口两侧加装贴壁风组件，将部分二次风射流方向与一次风射流方向偏置一较小角度以适当推迟一、二次风混合时间。在距原主燃烧器最上层F层一次风中心线距离为7460mm处布置4层SOFA喷口，分配足量的燃尽风量。

设计煤种为河南贫瘦煤，其设计煤种和校核煤种的特性见表1。

表1 锅炉设计煤种及校核煤种特性

2 结果与分析

2.1 炉膛温度对NOx释放特性的影响

对于一般带分离式燃烬风的燃低挥发分煤300MW机组而言，未加装卫燃带的主燃区炉膛温度一般介于1100℃～1400℃。由于创元电厂1号锅炉加装卫燃带，炉膛温度显著提升。为考察低NOx燃烧器改造后炉膛温度提高对NOx排放量的影响，试验中分别在180MW、240MW、300MW负荷下，在炉膛四周看火孔处用雷泰红外测温仪对炉膛温度进行测量，48m处看火孔分布于锅炉前墙，其他看火孔位于炉膛前后墙近炉膛中心附近。炉膛温度测量示意见图2。结果显示，在低NOx燃烧调整配风情况下，改造后炉膛垂直高度方向上温度分布比较均匀，高温区主要集中在C层一次风至还原区，300MW负荷时高温区炉膛温度在1500℃以上，虽然高温区比本次改造前炉温降低100℃左右，但仍大大高于同类未敷设卫燃带的燃贫煤锅炉。

在进行低NOx燃烧器设计或改造时，传统上往往选择降低燃烧区域热负荷以达到降低热力型NO生成量的目的［6－7］。一般来说，炉膛温度的升高会导致热力型NO生成量的增加，热力型NOx的生成速率满足Arrhenius定律［8－9］。

图2 炉膛温度测量示意(每层取四角均值)

本次低NOx改造方案中长距离还原区及保留锅炉大部分卫燃带的设计，一方面使炉膛温度维持在较高的水平，在挥发分快速析出的同时，焦炭氮燃烧时间也大大提前，同时加装卫燃带后主燃区进入的辅助风量大大减少，从而使主燃烧区域过量空气系数大幅降低，贫氧富燃料区域的形成有效抑制了NOx的生成;另一方面，较高的炉内温度也更有利于NOx还原分解，焦炭氮燃烧时间的提前也有利于增加前期燃烧生成的NOx的还原时间，使NOx分解速率高于生成速率［10］，从而大大降低NOx排放量，而且更有利于飞灰的燃尽，提高锅炉效率。

这从创元电厂1号炉改造后的NOx减排效果也可以得到印证。在各试验工况，分别在锅炉左右侧空气预热器入口处测量NOx、CO等烟气成分(标干态，6%O2)，设备采用德国TESTO350－XL烟气分析仪，测量结果如表2所示。

表2 各负荷段NOx及CO浓度测量

在各种掺配煤方式下，NOx排放量一般在200～370mg/m3，可以稳定控制在400mg/m3以内，远远低于改造前800～950mg/m3的排放水平，也优于同类型未敷设卫燃带的燃低挥发分煤锅炉。

2.2 煤种对NOx释放特性的影响

由于创元电厂1号炉运行中多采用贫煤掺烧烟煤的方式，这些方式对劣质煤的利用带来了一定的经济效益，但给锅炉的安全、经济运行带来了一定问题。试验中对1号炉掺烧不同的煤种(单烧贫煤、烟煤/优质贫煤混烧、烟煤/劣质烟煤混烧)，针对降低NOx、降低飞灰含碳量及燃烧稳定性方面，进行了优化调试。试验煤种如表3所示，不同配煤方式的飞灰及NOx排放量如表4所示。

表3 试验煤种工业分析

表4 不同配煤方式的飞灰及NOx排放浓度

表4中配煤1为晋城(低硫)煤;配煤2为掺烧煤，比例为华兴盛煤∶晋城(中硫)煤1∶2;配煤3为掺烧煤，比例为陕蒙煤∶晋城(中硫)煤2∶3;配煤4为掺烧煤，比例为陕蒙煤∶国平煤3∶2;工况5为掺烧煤，比例为陕蒙煤∶国平煤3∶2。

1号炉在300MW，单独烧低硫长子煤(Vdaf≈15%)，NOx排放量为400mg/m3左右;烟煤掺烧贫煤时，采用晋城贫煤掺烧时，掺烧效果最好，飞灰含碳量较低，可控制在2.5%左右，NOx排放量为330～390mg/m3;采用国平贫煤掺烧时，飞灰含碳量略高，NOx排放量为320mg/m3左右。这主要是由于掺烧的陕蒙烟煤及国平贫煤灰熔点均偏低，掺烧时需控制炉膛结焦，氧量控制较低，且国平煤挥发分含量最低，掺烧时与高挥发分煤存在“抢风”现象，造成国平煤的不易燃尽。而低负荷时掺烧国平贫煤，由于氧量运行较高，飞灰含碳量大幅低，飞灰含碳量在300MW时为4.77%，负荷降至190MW时，飞灰含碳量降至1.33%，同时NOx排放量也大幅降低。

由于加装卫燃带大大提高了炉膛温度，在掺配煤时，为防止锅炉结焦及飞灰含碳量升高，两种低熔点煤种不宜掺配在一起，如陕蒙煤灰熔点仅1200℃，在煤掺配贫煤时，应避开低熔点易结焦煤种，尽量掺配晋城煤等高熔点煤种;为降低飞灰含碳量，两种掺配煤种挥发分不宜相差过大，以避免“抢风”现象，造成低挥发分煤不易燃尽。

2.3 过量空气系数对NOx释放特性的影响

最佳过量空气系数试验在200MW负荷下进行。保持锅炉配风不变，通过氧量的变化，测量烟气中氮氧化物和飞灰含碳量的变化(见图3)。

图3 氧量对飞灰含碳量及NOx排放量的影响

从图3可以看出，随着氧量的升高，飞灰含碳量明显降低，NOx排放量略有升高。运行中在燃用不易结焦煤种时，适当提高氧量运行，能大大降低飞灰含碳量。

3 结论与建议

创元电厂1号炉在保留大部分卫燃带的基础上，采用双尺度低NOx燃烧技术进行了低NOx燃烧器改造。改造后300MW负荷时高温区炉膛温度在1500℃以上，NOx排放量大幅降低，在掺配不同煤种，不同比例低挥发分煤方式下，NOx排放量一般在200～370mg/m3，可以稳定控制在400mg/m3以内，远远低于改造前800～950mg/m3的排放水平，也优于同类型未敷设卫燃带的燃低挥发分煤锅炉。对于燃低挥发分的锅炉，加装卫燃带后，较高的炉膛温度能够使得焦炭氮燃烧时间提前，降低主燃区过量空气系数，也更有利于NOx还原分解，增加前期燃烧生成的氮氧化物的还原时间，从而大大降低NOx排放量并降低飞灰含碳量。

创元电厂1号炉改造后由于加装卫燃带大大提高了炉膛温度，在掺配煤时，为防止锅炉结焦及飞灰含碳量升高，两种低熔点煤种不宜掺配在一起，同时掺配煤种挥发分不宜相差过大，以避免发生“抢风”现象，造成低挥发分煤不易燃尽。随着氧量的升高，锅炉飞灰含碳量明显降低，NOx排放量略有升高。运行中在燃用不易结焦煤种时，适当提高氧量运行，能大大降低飞灰含碳量。

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Analysis of low NOxcombustion techniques for the low－volatile fired power plant of 300 MW Lean coal－fired unit

The low NOxcombustion technology applied in Chuangyuan Power Plant of 300MW units coal－fired U-nit is introdiced briefly.Focus on the experimental analysis and theoretical study of low－volatile lean coal combustion NOxrelease characteristics，installation a new low－NOxcombustion technology with the refractory belt.After the technological modifications，the furnace temperature is more than 1500℃at high temperature region and the NOxemission is greatly decreased.The general NOxemission up to the range of 200～370mg/m3for the admixing combustion of multi－coals.The NOxemission after the burner retrofit is much more lower than that of the normal lean coal－fired unit without refractory belt.For low－volatile coal－fired boiler，the installation of ignition belt can greatly increase the furnace temperature，which promote the combustion process of char nitrogen，reduce the excess air ratio of the primary combustion area，increasing the reduction time of the pre－combustion nitrogen oxides.So the installation of ignition belt can effectively reduce NOxemission and ash carbon content for Low－volatile fired power plants.

low NOxcombustion technology;300MW unit;low－volatile coal;mixed burning;refractory belt

X701.7

B

1674－8069(2016)02－008－04

2015-10-10;

2015-12-02

吴琪珑(1985-)，男，工学硕士，山东临沂人，工程师，主要从事锅炉燃烧调整试验研究。E－mail:qilongwu@163.com