160t/h煤粉锅炉低氮燃烧技术研究与应用

李景忠 毕加佳 姜军虎 陈健 王伟

摘 要：为了适应国家锅炉烟气2020超低排放环保要求，进一步降低煤粉锅炉氮氧化物排放指标，公司采用低氮燃烧器和空气分级的低氮燃烧技术对两台160t/h煤粉锅炉进行了提标改造。SCR入口NOx大幅下降，燃烧效率和锅炉运行参数稳定可靠，效果显著。

关键词：低氮燃烧器;空气分级;SCR脱硝系统

Abstract：In order to meet the environmental requirements of 2020 ultra low emission of boiler flue gas， the index of nitrogen oxide emission from pulverized coal fired boilers is further reduced. The company adopted low nitrogen burner and air classification low nitrogen combustion technology to upgrade two 160t/h pulverized coal fired boilers. The nitrogen oxide of the SCR inlet decreased significantly， and the combustion efficiency and boiler operation parameters were stable and reliable， and the effect was remarkable.

Key words：Low nitrogen burner;Air grading;SCR denitrification system

渭化集团公司1、2#锅炉为HG-160/10.8-YM1型煤粉锅炉，由哈尔滨锅炉厂设计、制造和配套。系高压单锅筒、自然循环、倒U型布置的固态排渣煤粉炉。

设计煤种为陕西黄陵烟煤，燃烧器采用四角布置切向燃烧直流式，四组8个煤粉喷嘴，每组五个风室和喷口，其中煤粉喷口两个，二次风喷口与煤粉喷口间隔布置，有上、中、下三层。煤粉喷口四角有周界风以防止在水冷壁上结渣。

为了适应严苛的环保要求，2014年两台锅炉都增设了SCR脱硝装置，SCR入口NOx为700-980mg/Nm3，出口为60-90mg/Nm3，虽然符合《关中地区重点行业大气污染物排放限值》（DB61/941-2014），但达不到2020超低排放标准，因此再改造势在必行。

1 NOx在燃烧中占比

煤燃烧过程中生成的氮氧化物NOx主要是指NO、NO2和N2O，其中NO约占90%。根据燃料和燃烧条件不同，NOx的生成分为热力NOx、快速NOx和燃料NOx三种。对于煤粉锅炉，热力NOx占总NOx排放量的20%左右，快速NOx占5%以下，燃料NOx占总生成量的75%左右，是NOx排放的主要来源。

2 低氮燃烧技术措施

2.1 低氮燃烧技术原理

炉内脱氮就是采用各种燃烧技术手段来控制燃烧过程中NOx的生成，又称低NOx燃烧技术，目前常见的主要有三种：

2.1.1 低过量空气系数（LEA）

低過量空气燃烧也叫低氧燃烧，是使燃料在炉内总体过量空气系数较低工况下燃烧，主要针对热力型NOx。实际运行时可能导致飞灰含碳量增加，燃烧效率降低，炉膛结焦等不良影响，对大幅降低NOx效果有限。

2.1.2 浓淡偏差

浓淡偏差原理，是基于过量空气系数对NOx的变化关系，使部分燃料在空气不足条件下燃烧，即“富燃”燃烧;另一部分燃料在空气过量条件下燃烧，即“富氧”燃烧。浓淡两股煤粉气流分别在还原气氛和烟温较低条件下燃烧，以拟制NOx的生成。但在实际运行中，煤粉的浓淡偏差分布，与提高燃烧效率的煤粉均匀分布相矛盾;煤粉过浓造成的严重缺氧气氛，又会造成燃烧器结焦。

2.1.3 空气分级

从NOx的生成机理可以知道，反应区域内空气与燃料的比例极大影响着NOx的形成。空气过量会使NOx排放量增加，因此在燃烧器设计中采用空气分级原理来控制反应区域内的氧量。把供燃烧用的空气由原来的一股分为两股或多股，在燃烧开始阶段只加入部分空气，造成燃料部分燃烧，燃料中氮的化合物一部分发生分解、还原反应生成稳定的氮分子，从而减少了“燃料型”NOx的生成。作为完全燃烧用的其余二次风，喷射到富燃料区域的上层，形成二次燃烧区使燃料完全燃烧。空气分级布置，燃料的燃烧是分部进行的，火焰整体温度包括二次燃烧区域温度都比不分级时低，于是二次燃烧区域内NOx形成受到抑制。空气分级原理是一种简单可行的降低NOx的有效手段，与其他技术相比，NOx可降低25%-40%。

2.2 低氮燃烧技术比较

①低氧燃烧：根据原来运行条件，氮氧化物最多降低20%，具有投资少的优点，但会导致飞灰含碳量增加;

②降低投入运行的燃烧器数目：氮氧化物可实现降低15%-30%，具有投资低，易于锅炉改装上午优点，但有引起炉内腐蚀和结渣的可能，并导致飞灰含碳量增加;

③空气分级燃烧（OFA）：氮氧化物可实现降低25%-40%，具有投资少的优点，但并不是对所有炉膛都适用，有可能引起炉内腐蚀和结渣，并降低燃烧效率;

④低NOx燃烧器：与空气分级燃烧相结合时可达50%左右，可用于新的和改装的锅炉，中等投资，且有运行经验，但结构比常规燃烧器复杂，可能引起炉膛结渣和腐蚀，并降低燃烧效率。

3 低氮燃烧改造方案

根据锅炉运行状况和氮氧化物排放情况，在已有SCR脱硝的基础上，经过广泛调研，公司决定实施低氮燃烧改造，对锅炉燃烧器系统进行重新设计布置，采取空气分级技术。

3.1 设置燃尽风及二次风喷口改造

在改造后的主燃烧器上部约3.5-4米左右的位置，每个角各增加1个燃烬风喷口及相应组件。每个燃尽风喷口配置单独的执行机构，能够使喷口在垂直方向摆动。燃尽风处水冷壁管重新让管，增加燃烬风喷口及打焦孔。在主燃烧器上部增设燃烬风是为了在炉膛纵向实现分级燃烧，控制燃烧温度，燃烬风喷口面积占二次风喷口总面积的20-30%。炉膛内的燃烧区域分为两部分，即主燃烧区和燃烬区。主燃烧区空气占总风量的70%-85%，燃烬区占总风量的15%-30%。通过燃烬风来实现炉膛竖直方向的分级燃烧、降低NOx的生成。燃烬风取自二次风箱，采用钢管引至燃烬风喷口，中间增设自动控制与测量装置。

为实现在主燃烧区过量空气系数为0.8左右的要求，需对上中下二次风喷口进行改造。

由于增设了燃烬风喷口，在原燃烧器上部3-5米左右的位置需要在水冷壁上开孔，增加水冷壁让管及密封盒。

3.2 一、二次风不等切圆设计

在炉内采用一二次风不等切圆，即采用一次风假想切圆直径小、二次风假想切圆直径大，在水平断面控制一次风与二次风的混合燃烧过程，实现炉内在水平断面方向的分级燃烧。一方面通过水平方向分级燃烧的方式减少NOx的生成量，同时在靠近炉墙处形成氧化性气氛，减弱炉内的结焦及结渣。一次风假想切圆直径将最终通过冷态试验确定。

3.3 一次风燃烧器

考虑现锅炉制粉送粉方式为单磨直吹式系统特点，一次风系统仍采用扭曲板实现垂直浓淡燃烧方式，一次风喷口仍采用不等边周界风结构。

4 改造后效果分析

4.1 调试分析

为了验证低氮燃烧改造效果，对改造项目进行了调试试验。试验内容为锅炉在不同负荷下，通过调整各二次风及燃烬风风门开度，实现不同的分级风比及氧量，在不违反热态调试原则情况下，达到较低的NOx排放与锅炉运行经济性的统一。特选择三个典型工况进行热态调试。分别为：

工况1：额定负荷下单投上级燃烬风工况;上级燃烬风风门开度90%左右，下级燃烬风风门开度12%，二次风配比为：上70%-80%，中60%-70%，下100%。实验结果SCR入口NOx为447 mg/Nm3，排烟温度153.5℃，飞灰含碳量5.95%，渣含碳量7.42%。

工況2：额定负荷下投运两级燃烬风工况;上级燃烬风55%，下级燃烬风98%，二次风配比为：上70%-80%，中60%-70%，下100%。实验结果SCR入口NOx为435 mg/Nm3，排烟温度152.5℃，飞灰含碳量11.21%，渣含碳量5.57%。

工况3：低负荷工况试验; 140t/h，上级燃烬风95%，下级燃烬风12%，二次风配比为：上60%-70%，中50%-60%，下100%。实验结果SCR入口NOx为446 mg/Nm3，排烟温度155℃，飞灰含碳量10.2%，渣含碳量4.73%。

4.2 性能考核

①经过72h考核试运行，锅炉煤专烧负荷在140t/h-160t/h，均达到以下效果：炉内燃烧稳定、煤粉着火距燃烧器喷口距离合适;

②四角喷燃器、炉膛水冷壁及过热器无明显结焦;

③排烟温度无异常升高;

④SCR装置入口NOx折算值<450mg/Nm3。

5 结论

①锅炉低氮燃烧改造后，在设计煤质条件下，SCR反应器进口处NOx可达到450mg/Nm3以下，与改造前相比，脱硝效率可达到50%以上;

②在低氮工况下锅炉负荷等主要运行参数合格，锅炉燃烧稳定、着火及时，未发现严重结焦和腐蚀现象，炉膛出口烟温、排烟温度无明显升高，灰渣含碳量等均达到了设计值。

参考文献：

[1]冯俊凯，沈幼庭，杨昌瑞.锅炉原理及计算（第三版）[M].北京：科学出版社，2003.

[2]周强泰主编 锅炉原理（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3]赵永黎，任恒昌，朱焱松.130t/h中压煤粉炉低氮燃烧器改造[J].中国设备工程，2014（11）.