低氮燃烧技术的应用

/低氮燃烧技术在南化公司＃1锅炉上的应用武汉燃控科技热能工程有限公司彭良才我国能源结构中70~80％由煤的燃烧提供，每燃烧一吨煤，就要产生5~３0kg氮氧化物。目前我国现役煤粉锅炉排烟中的NOｘ的浓度范围在600～１２00mg/m3，每100亿ｋWh的火力发电量约排放3。９～８。８万吨的NＯx。NOx是大气的主要污染物之一[1］.为满足国家对NOx排放浓度的控制要求，中国石化南化公司对锅炉进行低氮燃烧技术改造，实现锅炉超低ＮOx排放的同时实现锅炉高效稳燃、防结焦、防高温腐蚀及低负荷不投油稳燃等。锅炉概况锅炉为单锅筒、自然循环、集中下降管、“π"布置固态排渣炉。锅炉前部为炉膛，四周布满膜式水冷壁。炉膛出口布置屏式过热器，水平烟道装设了两级对流过热器。炉顶水平烟道两侧及转向室设置了顶棚和包墙过热器，尾部竖井交错布置两级省煤器和两级空气预热器。采用钢球中间储仓式制粉系统,乏气送粉。除渣设备采用刮板捞渣机。锅炉采用四角布置不可摆动直流式煤粉燃烧器。炉内假想切圆直径为φ60０mm。每角燃烧器由4层二次风喷口和2层一次风喷口组成。每角燃烧器布置型式为：2—1－2-2-1－2。目前锅炉烟气中ＮＯx排放浓度70０mｇ/Nｍ3左右。空气分级原理将燃烧所需的空气量分成两级送入炉膛,使主燃烧区内过量空气系数在0.75～0．85,燃料先在富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，延迟了燃烧过程，在还原性气氛中大量含氮基团与NOx反应，提高了ＮOx向Ｎ２的转化率,降低了NOｘ在这一区域的生成量。约20～30％未燃尽煤粉将进入富氧燃尽区进行充分燃烧，同时未燃尽碳中含有的N也将在富氧燃尽区反应生成氮氧化物，最终随着烟气排除炉膛。这一部分氮氧化物约占常规低氮燃烧技术氮氧化物排放值的40~60%，主燃烧区过量空气系数越大其所占比例越小。为了进一步降低这部分氮氧化物的生成，我公司采用了双级燃尽风（示意图见4—3）技术。此技术将燃尽风分为高位燃尽燃尽风和低位混合燃尽风。分段后的燃尽风在保证主燃烧区过量空气系数处于0。75～0。8５的同时，通过对燃尽风的分层实现了降低未燃尽碳进入富氧区域的比例。低位混合燃尽风将主燃烧区域的过量空气系数提高到0．95左右同时,对炉内烟气进行了进一步的混合，即有利于氮氧化物的还原又有利于煤粉的燃烧。在确保还原气氛的情况下,将进入高位燃尽区的未燃尽碳降至约5%，同时将主燃烧区由于混合不均匀而无法得到还原的氮氧化物还原，最终使排出炉膛的氮氧化物大大降低。高位燃尽燃尽风送入炉膛后，形成富氧燃烧区.此时空气量虽多，但因火焰温度低，且煤中析出的大部分燃料在主燃区已反应完成,最终氮氧化物生成量不大,同时空气的供入使煤粉颗粒中剩余焦炭充分燃尽，保证煤粉的高燃烧效率,最终炉内垂直空气分级燃烧可使氮氧化物生成量降低。图1喷口布置图３．改造方案本次改造设计理念采用空气分级原理，结合浓淡分离技术及局部燃料分级原理［３].根据锅炉目前运行状况,此次方案各层风管标高基本不变，燃烧器维持原来切圆不变，在标高1６ｍ和1８m处增加两层燃尽风喷口（见图1）。一次风管采用水平浓淡，一次风喷口采用耐磨、耐高温材质制造，满足锅炉运行的需要。所有一次风耐热喷口更换为新型结构。一次风煤粉喷口在淡侧布置有侧偏风，保护喷口，改善喷口区域氧化性气氛，防止结焦。为了避免采用分级燃烧后主燃烧区风量减少带来的动力场变化，二次风喷口根据低氮燃烧的配风要求进行更换。下二次风喷口面积减小，保证此层气流刚性，增强托粉效果；C层二次风采用部分偏置二次风,分离部分二次风偏向水冷壁,改善水冷壁附近氧化性气氛,降低结焦风险。燃尽风布置在标高16米和18米左右；燃尽风为两层布置,风量占总风量的24％左右（见表1)；喷口内叶片可以实现上下20度摆动，左右1５度摆动，假想切圆直径为６00mm。运行数据及分析4.１改造前锅炉情况表1改造前后配风对比表参数名称改造前改造后一次风率（％)302８二次风率（%)６５.83４4燃尽风率(％)／24一次风速（m/s）3０30二次风速（m/s）４545燃尽风速（m/ｓ）/45一次风温（℃)60６0二次风温(℃）３2５325燃尽风温(℃）/325南化公司#1锅炉改造前，委托设计方针对锅炉经常出现的负荷做摸底试验。通过燃烧中观察，燃烧器喷口处有结焦现象，水冷壁壁面比较干净。有些二次风门有卡塞、变形现象，故显示的二次风门开度，不准确。根据试验结果,锅炉烟气中NOx排放浓度在750mｇ/Nm３左右，锅炉效率在９０％以下。（详细情况见表2）表2摸底试验数据表项目单位数据工况编号T1T2T3T4工况负荷ｔ/h１8018022０220煤粉细度R90A侧％２2２01９20Ｂ侧%211８１8１9一次风压A侧kＰa2。22。２2。３2。3Ｂ侧ｋPａ2.12。１2.32．3二次风压A侧kPa1。81。４２.62．1Ｂ侧kPa1．9１.52.62。1热风温度A侧℃279２７８２90276Ｂ侧℃2762762852８7进风温度Ａ侧℃20。7２1.119。719.7B侧℃１8。61９。818。72０．７BＢ层二次风门开度％9０80908０AＢ2层二次风门开度％75８07580AB１层二次风门开度％758０７５８０AA层二次风门开度%１0０1０01０0100低温空预器出口实测６0分钟平均值（标态)NOxｍg／Nｍ³671701723681COｍg／Ｎm³171259O2%3.613.91３.８０2。70锅炉出口氧量（高省出口)A侧％3.413。623。6０2．8５B侧%３．35３.503。４22.３7主汽系统温度℃52４．25２6．252６.6528。0流量t/h１85.61８６。3218.8210.2压力kPa9。038．９79.018。９9减温水量ｔ/h19．518.４17。5１９。２主给水系统温度℃188。６1９0.2198。８1９８。８流量ｔ/h１88．41９2。721７。9210。８炉膛出口烟温A侧℃870.0878.09２１．0878。０Ｂ侧℃8４４．084４。0９54。0９13．0排烟温度A侧℃135.01３5。0１38。３138。3Ｂ侧℃131.0130.5140.２135.2飞灰含碳量取样值%３。０32。3７2。713．5０修正值％2。6７2。０92.3８3。0８炉渣含碳量%8。１68。525.96５.4７锅炉效率％88。75８９.2６90．８７８９。764.２改造后锅炉情况南化公司委托设计方完成了＃１锅炉低氮燃烧器改造后的热态调试工作,并对以后运行工作进行指导。通过热态测试的结果看:（详细数据见表３）（1)由于对锅炉尾部受热面进行了改造,排烟温度低于原设计值8℃左右，比未改造前实际运行温度低约２0℃,故排烟热损失减少了约1.3%，锅炉效率比改造前增加了约1%;（2）为保证燃尽率，将煤粉细度Ｒ90由原来的22％降低到18%左右，低氮燃烧器改造后飞灰和炉渣可燃物没有明显增加。（3）工况Ｔ1、T2、T3和T４分别采用了倒塔配风、均等配风、正塔配风及束腰配风,进行对比发现,正塔配风对于降低NOx排放效果优于其他形式.(4）通过工况Ｔ4发现，上层燃尽风1０0％开度,下层燃尽风5０%开度，降低NOx效果最佳,折算到6%O２下的NOx排放浓度显著下降,排放浓度值为３２5ｍg/Nｍ３；飞灰可燃物含量为3．2６%,炉渣可燃物含量为9。7％。（5）测试中，减温水量与摸底试验相比较,没有明显升高,维持在20t／h左右。（6)通过观察，燃烧器喷口区域的结焦情况有所缓解.表3热态调试数据表项目单位数据工况编号Ｔ１T２T3T4T5工况负荷t/h220220２20220１８0煤粉细度R90A侧％１8181８１８１8B侧％17１7171717一次风压Ａ侧ｋＰａ2．２2。２2.12.１２。0B侧kPａ2。12．12。1２。12.1二次风压A侧kPa2。32。１2。４2。３1。8B侧kPa2。3２．２２.32.21.9热风温度A侧℃279289305３1027９Ｂ侧℃276285302３10276进风温度A侧℃２0。７21。１20。82５.7２0.７B侧℃1８.61９．820.12３.718。6上层燃尽风风门开度%505050１０050下层燃尽风风门开度%1001０01０05０1００BB层二次风门开度％1009０5０8０50AB2层二次风门开度％909０656565AＢ1层二次风门开度％９0908０6580AA层二次风门开度%８0909080９0周界风风门开度%50505050５0低温空预器出口实测6０分钟平均值(标态）NOｘmg／Ｎm³4１13583４1３2５3６5COmg/Nｍ³1291114１１O2％３．５03．263.403.00３。２0锅炉出口氧量（高省出口)Ａ侧％3.202．84３.202。8５3．０4Ｂ侧％3．１1３．1５1.502。5４2．98主汽系统温度℃52４.2526．2524。6528。０５25。５流量t／h２15。82１7．３218。8210。2183.6压力kPa9.0３9。０１9。018。999．０3减温水量t／h１８.221．218．８22．01９．5主给水系统温度℃220.0２17.０21５.０215.0201．0流量t/ｈ219。４21７．02１3.0２1５.０203.0炉膛出口烟温A侧℃//942．0962。087７．0B侧℃９47.0９６2。0954。09５4。0892。0排烟温度A侧℃11０.41１4.２1０9。5115．4109．4Ｂ侧℃1０8.6１11．61１０.411２.6113.2飞灰含碳量取样值%３。502．80３．263．7０3．77修正值％3.082．462。873．263.32炉渣含碳量％7．5６7.52５．96９.705.8７锅炉效率％９3。0４９2．6591。8792。4７92．13优化运行根据热态调试结果，结合锅炉运行的实际情况，进一步对运行操作优化：（1）控制煤粉细度R9０在1８％左右；（2)炉膛出口氧量（高省出口)，高负荷时控制在２。0%—3.０％，低负荷时控制在3.0%左右;