燃煤锅炉低氮燃烧系统优化实验研究及实践

高庆明

（中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆克拉玛依 834003）

0 引言

脱硝系统运行中影响NOx排放的因素有很多，其主要因素包括炉膛氧量、锅炉负荷、烟气在高温区停留时间、燃尽风（SOFA）配风方式、二次风配风方式、制粉系统运行方式等。而控制NOx排放的关键是低氮燃烧技术，即以实验为依据，通过燃烧优化实验研究，来确定最佳燃烧工况。

1 低氮燃烧优化实验方法

1.1 一次风热态调平实验研究及实践

在冷态空气动力场实验数据的基础上开展了一次风热态调平实验研究。表1 为在4 台锅炉32 个一次风挡板特性曲线实验研究的基础上，一次风挡板开度优化推荐值，该工况下锅炉运行稳定、炉膛明亮，炉膛出口烟温＜820 ℃，炉膛烟温偏差＜50 ℃，排烟温度均有不同程度的下降，煤气混燃能力明显增强，90%负荷、煤气混燃工况下连续运行72 h，火嘴及附近水冷壁、高温过热器无结焦，汽温、汽压正常。

表1 4 台锅炉一次风挡板优化运行参数 %

1.2 定负荷变氧量实验研究及实践

过量空气系数的调整与控制是降低NOx排放浓度的有效措施之一，低氧燃烧能降低炉内燃烧温度，抑制并还原NOx进而降低NOx排放。但从燃烧角度考虑，增加氧量有利于飞灰燃尽，降低固体不完全燃烧热损失、提高锅炉热效率，因此存在优化问题。在80%锅炉负荷、下层SOFA 挡板全开、上层SOFA 挡板开50%、摆角保持不变工况下，通过实验分析运行氧量对锅炉各项热损失、热效率及NOx排放浓度的影响见表2、如图1 所示：氧量在2.8%～5.1%，NOx排放浓度、q2随着运行氧量增加明显增加，q4随着运行氧量增加而减小；当运行氧量增加至5.1%以上时，NOx排放浓度明显升高，达到526 mg/m3，锅炉热效率因q2+q4升高而开始下降；80%负荷（104 t/h）下散热损失q5可计为1.2%，由于其他热损失相对很小，热效率η 可按1-q2-q4-q5计。实验研究建议4 台锅炉运行氧量控制在3.0%～4.5%，即可保证锅炉NOx排放达标，又能保证锅炉在较高运行效率下减轻水冷壁结焦。

表2 定负荷、变氧量对NOx、q2、q4 的影响关系

图1 80%负荷下氧量与NOx 浓度及锅炉热效率关系

1.3 二次风配风方式实验研究及实践

通过优化二次风挡板开度可调节炉膛沿高度方向的风粉比例，控制火焰中心位置，从而影响炉膛出口烟温、NOx排放浓度、灰渣可燃物含量、排烟温度。实验在80%锅炉负荷、下层SOFA挡板全开、上层SOFA 挡板开50%、摆角保持不变工况下，实验不同配风方式对NOx排放浓度和热效率影响，如图2 所示：倒宝塔、缩腰、均等配风方式下NOx排放浓度分别为481 mg/m3、419 mg/m3、382 mg/m3，倒宝塔、缩腰配风方式的效果好于均等配风，但下降幅度不大。

图2 3 种配风方式对NOx 排放及η 的影响

这是因为倒宝塔、缩腰中下层二次风挡板开度较小，过量空气系数较小，还原性气氛更好，致使主燃区生成的NOx更少。但由于燃烧系统改造，新增的燃尽风已分去总风量的30%，倒宝塔、缩腰配风方式又进一步减少了主燃区的风量，致使火焰中心下移、渣斗明显回火、燃料不完全燃烧热损失明显增加。均等、缩腰、倒宝塔三种配风方式下热效率分别为91.44%、90.82%、90.57%，均等配风方式下分别比缩腰、倒宝塔配风方式高0.62%、0.87%。由于NOx排放浓度还可以通过调整SOFA 风量来控制，从锅炉安全、经济运行的角度综合考虑，推荐均等配风方式，二次风挡板推荐优化参数见表3。

表3 二次风挡板开度推荐运行参数 %

1.4 SOFA 配风方式实验研究及实践

燃尽风是锅炉在竖直方向上分级燃烧的重要体现，燃尽风引自热二次风母管，其风量占总风量的30%。投用燃尽风的目的在于使得主燃烧区未燃尽的煤粉进一步燃烧，有效改善结焦并控制NOx排放，同时下层燃尽风风室反向切圆的设计来抵消主燃烧区的旋转动量矩，从而减少炉膛出口烟温偏差。另外燃尽风的挡板开度调节可以一定程度的控制火焰中心的位置，进而影响主汽温度变化。

为掌握SOFA 风对NOx排放浓度影响，首先进行SOFA 挡板特性曲线实验。在锅炉80%负荷工况下，保持入炉风量不变，上层SOFA 挡板开度0%，下层SOFA 挡板开度分别在25%、50%、75%、100%工况下对SCR 入口NOx浓度（LSOFA 挡板特性）、η 的影响如图3 所示；下层SOFA 挡板开度0%，上层SOFA挡板开度分别在25%、50%、75%、100%工况下对SCR 入口NOx浓度（HSOFA 挡板特性）、η 的影响如图4 所示。

由图3、图4 可见，在80%负荷、对应入炉风量保持不变工况下，随着SOFA 挡板开度增加，NOx排放浓度均呈下降趋势（折算到O2=6%，下同），且下层燃尽风对NOx明显优于上层燃尽风，单独下层燃尽风全开时最低降至289 mg/m3。可见，通过控制SOFA 挡板开度，可以将SCR 入口NOx控制在较低范围内，减少SCR 喷氨量、延长催化剂使用寿命。炉膛出口温度在低负荷时因总烟气量较小随着HSOFA 挡板开度增大呈略下降趋势，因此为确保主汽温度在安全范围内并不是NOx降至越低越好，燃尽风优化运行参数见表4。

图3 80%负荷HSOF 关、LSOFA 不同开度对SCR 入口NOx 排放浓度、η 的影响

图4 80%负荷LSOFA 关、HSOFA 不同开度对SCR 入口NOx 排放浓度、η 的影响

表4 燃尽风优化运行参数 %

2 总结

低氮燃烧优化实验研究及实践总结如下：①1#、2#、3#、4#锅炉一次风挡板特性实验研究及实践优化参数见表1；②变氧量实验研究及实践建议4 台锅炉运行氧量控制在3.0%～4.5%，即可保证锅炉NOx排放达标，又能保证锅炉在较高运行效率下减轻水冷壁结焦；③二次风配风方式实验研究及实践优化运行参数见表3；④SOFA 配风方式实验研究及实践优化运行参数见表4。

综上实验所述，以80%额定负荷为例，低氮燃烧实验研究及实践结果有效指导了生产，降低了SCR 入口NOx排放浓度、延长了催化剂的使用寿命，提高了锅炉机组运行平稳率。