600MW鍋爐低氮燃燒器改造可行性研究

＊袁 雪

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備有限公司中央機廠 山西 037001）

1.鍋爐現(xiàn)狀概述

(1)鍋爐現(xiàn)狀

電廠使用的600MW發(fā)動機組鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司配備的鍋爐產(chǎn)品。鍋爐運行中，省煤器出口的氮氧化物排放約在300-400mg/Nm3，實際排放值相對于理論排放值340mg/Nm3較大。

鍋爐使用的燃燒器在風(fēng)噴口的氣流中心位置濃度較大，可在風(fēng)噴口加裝擴散設(shè)備，將氣體濃度在空間內(nèi)進(jìn)行稀釋和擴散，這種做法不但可以有效降低氮氧化物的排放，還可以提升煤料的燃燒溫度性。

(2)存在的問題

氮氧化物排放問題嚴(yán)重。環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)更新與實施后，要求鍋爐進(jìn)行改造，使用低氮燃燒模式。由于該電廠使用的鍋爐還未能在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造，且燃燒時使用的煤粉里含硫量較高，單位成分中，硫的含量已達(dá)到2%-3%；另外，燃燒的煤堆里夾雜石塊，都放入鍋爐中燃燒，但是石塊的發(fā)熱量較小，燃燒后效果不佳，排放也比較差。

煤在鍋爐中燃燒時，煤燃燒生成氮氧化物的機理比硫化物復(fù)雜，且燃燒混合氣中的氮氧化物濃度也不像硫化物能夠通過計算煤的含硫量得出，目前氮氧化物生產(chǎn)的量和燃燒方式以及燃燒溫度以及空氣系數(shù)有關(guān)。鍋爐燃燒時，在主燃區(qū)和再燃區(qū)由于都能夠滿足氮氧化物的生產(chǎn)條件，能夠生成三種類型的氮氧化物。

①燃料型氮氧化物。燃料的煤中含氮的物質(zhì)在燃燒時受熱分解，然后又被氧化為氮氧化物，生成氮氧化物的比例在60%-80%。在鍋爐的主燃區(qū)出現(xiàn)。

②快速型氮氧化物。在燃燒時，空氣中的氮成分與燃料中的碳?xì)潆x子發(fā)生反應(yīng)，生成氮氧化物。發(fā)生在鍋爐的主燃區(qū)。

③熱力型氮氧化物?？諝庵械牡獨庠诟邷貤l件下被氧化產(chǎn)生氮氧化物。生成的氮氧化物能夠達(dá)到20%。發(fā)生在鍋爐的主燃區(qū)和再燃區(qū)。

2.鍋爐改造的思路

在現(xiàn)有鍋爐上進(jìn)行改造，實現(xiàn)低氮燃燒方式。新型鍋爐低氮燃燒器由中心管路，火焰穩(wěn)定環(huán)，旋轉(zhuǎn)扇葉，通風(fēng)量調(diào)節(jié)機構(gòu)等部件組成。

將現(xiàn)有鍋爐改造為低氮燃燒模式，需要設(shè)計一種新型燃燒器，使用時將其固定在鍋爐上，燃燒器由中心管路，火焰穩(wěn)定環(huán)，旋轉(zhuǎn)扇葉，通風(fēng)量調(diào)節(jié)機構(gòu)等部件組成。中心管路的左右側(cè)連接火焰穩(wěn)定環(huán)以及風(fēng)管彎頭部件?；鹧娣€(wěn)定環(huán)的側(cè)面安裝一次風(fēng)旋轉(zhuǎn)扇葉，且旋轉(zhuǎn)扇葉與中心管路進(jìn)行連接，一次風(fēng)旋轉(zhuǎn)扇葉的另一側(cè)面安裝一次風(fēng)彎頭部件，且一次風(fēng)彎頭部件與中心管路相連，在一次風(fēng)彎頭的側(cè)面安裝一次風(fēng)導(dǎo)流扇葉，導(dǎo)流扇葉和中心管路并無直接連通，在空間上也沒有直接的接觸?？缮炜s的套筒被放置在一次風(fēng)彎頭和一次風(fēng)旋轉(zhuǎn)扇葉的中間部分，且可伸縮的套筒與中心管路之間存在一定間隙，套筒的外側(cè)與一次風(fēng)旋轉(zhuǎn)扇葉也并無直接接觸。

通風(fēng)量調(diào)節(jié)機構(gòu)放置于可伸縮的套筒旁邊，通風(fēng)量調(diào)節(jié)機構(gòu)的作用可以調(diào)節(jié)內(nèi)部和外部二次通風(fēng)量的大小。在調(diào)節(jié)機構(gòu)內(nèi)部，分別設(shè)計安裝了內(nèi)部二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)扇葉以及外部二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)扇葉。內(nèi)部二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)扇葉與可伸縮的套筒進(jìn)行連接。二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)扇葉的左側(cè)安裝第一連接腔，第一連接腔與中心管路之間無接觸，外部二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)扇葉安裝在第一連接腔表面。

下一階段，通過內(nèi)部二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)扇葉針對可伸縮的套筒存有的混合氣體進(jìn)行二次混合，加大氧氣的濃度，使得過?？諝庀禂?shù)約達(dá)到0.8%，氧氣濃度由改造前的3%上升至13.9%，在此種環(huán)境下燃燒可以防止燃燒過程中氮元素轉(zhuǎn)換為氮氧化物，逐漸轉(zhuǎn)化為低氮燃燒的混合氣體，這種混合氣體通過外部二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)扇葉進(jìn)行第三次混合，向混合氣體內(nèi)繼續(xù)沖入氧氣，提升氧氣濃度?；旌蠚怏w經(jīng)過火焰穩(wěn)定環(huán)，能夠?qū)⒒旌蠚怏w均勻輸送至燃燒器，并在燃燒器出口附近形成富氧區(qū)，能夠有效減緩氮氧化物的生成。同時，二次通風(fēng)逐漸增多，并逐漸與混合氣體全部進(jìn)行二次及三次混合，能夠讓燃料全部反應(yīng)充分，降低了燃燒反應(yīng)速率，火焰溫度也同步進(jìn)行降低，對氮氧化物生成的降低有進(jìn)一步的優(yōu)化。

對改造思路可以進(jìn)行一些優(yōu)化，可以將第一連接腔進(jìn)行橫向放置，并將連接腔的內(nèi)壁與燃燒器的中心管路之間進(jìn)行聯(lián)動，通風(fēng)量調(diào)節(jié)機構(gòu)及改造過程中需要的彎頭組件均垂直擺放，且與燃燒器中心管路相互垂直，改善混合氣體的均勻性，讓氣體流動更加順暢。也可以將彎頭組件的內(nèi)部安裝一次風(fēng)導(dǎo)流板，導(dǎo)流板放置在燃燒器中心管路的下端，導(dǎo)流板的作用也能夠讓混合氣體更加均勻，流動更加順暢。

將第一連接腔的外端面配備第二連接腔，內(nèi)部及外部二次通風(fēng)量調(diào)節(jié)機構(gòu)分別與第二連接腔和可伸縮的套筒進(jìn)行連接與固定，用于實現(xiàn)內(nèi)部和外部的二次通風(fēng)量調(diào)節(jié)。同時，改造后的燃燒器連接在現(xiàn)有鍋爐的兩側(cè)，鍋爐的內(nèi)部燃區(qū)的分布主要為主燃區(qū)、再燃區(qū)、燃盡區(qū)。燃盡區(qū)以及主燃區(qū)都和再燃區(qū)相連，通過多組燃燒區(qū)域分布，以實現(xiàn)鍋爐低氮燃燒的方式，同時能夠滿足最新的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。

改造前后鍋爐內(nèi)部的分區(qū)對比示意如圖1所示。

圖1

3.鍋爐改造后的實時效果

改造后的燃燒器，使用低氮燃燒模式。通過改造，燃燒時能根據(jù)空氣分級燃燒技術(shù)有效預(yù)防氮氧化物的產(chǎn)生，能夠在燃燒器的出口附近制造氧氣濃度較多的區(qū)域，防止化學(xué)機理轉(zhuǎn)化的氮氧化物產(chǎn)生。通過逐漸將二次風(fēng)全部進(jìn)行混合，進(jìn)行充分燃燒，同時在反應(yīng)后期降低燃燒速率和火焰溫度，進(jìn)一步防止氮氧化物的生產(chǎn)。

通過此種改造方式，利用空氣進(jìn)行分級送入，此種燃燒技術(shù)對現(xiàn)有使用中的鍋爐及其他設(shè)備改造比較便捷，改造時產(chǎn)生的工作量少，同時，改造的費用無需進(jìn)行很多的投入。用揮發(fā)成分較高的煤進(jìn)行燃燒時，使用改造后的燃燒器搭配現(xiàn)有鍋爐設(shè)備，實現(xiàn)低氮燃燒模式，能夠?qū)㈠仩t燃燒后氮氧化物的排放水平降低約15%-20%。

采用空氣分級的燃燒技術(shù)，能夠有效降低主燃燒區(qū)的燃燒溫度，通過通風(fēng)量調(diào)節(jié)機構(gòu)，形成良好的混合氣體，阻止氮氧化物的生成。同時，控制燃燒器周圍混合氣體的比例，控制空氣系數(shù)，有效預(yù)防熱量氮氧化物的轉(zhuǎn)換與形成，降低排放的同時有效提升燃燒效率。

改造前后的氮氧化物生成含量如圖2所示。

圖2

4.結(jié)語

目前發(fā)電廠的600MW鍋爐存在氮氧化物排放濃度過高的問題，且在現(xiàn)有的工作狀態(tài)中，燃燒過程會在鍋爐內(nèi)產(chǎn)生燃燒結(jié)焦，且結(jié)焦面積大，長期用這種煤燃燒會在鍋爐的內(nèi)壁上形成較多的污垢，反復(fù)高溫時產(chǎn)生腐蝕。改造后，鍋爐進(jìn)行燃燒時，空氣和煤粉的混合氣體經(jīng)過彎頭部件后，將氣體通入燃燒器的中心管路內(nèi)，并通過調(diào)節(jié)導(dǎo)向擋板開度，跟進(jìn)鍋爐燃燒的不同階段調(diào)整混合氣體的比例，實現(xiàn)在鍋爐內(nèi)的充分混合，通過一次風(fēng)導(dǎo)流扇葉把混合后的氣體輸送至可伸縮的套筒內(nèi)部。同時受到溫度變化及反應(yīng)速率等因素影響，內(nèi)壁氧化皮大面積脫落，導(dǎo)致?lián)Q熱管堵塞。為了解決上述問題，在現(xiàn)有鍋爐上進(jìn)行改造，實現(xiàn)低氮燃燒方式。新型鍋爐低氮燃燒器由中心管路，火焰穩(wěn)定環(huán)，旋轉(zhuǎn)扇葉，通風(fēng)量調(diào)節(jié)機構(gòu)等部件組成。利用空氣進(jìn)行分級送入，此種燃燒技術(shù)對現(xiàn)有使用中的鍋爐及其他設(shè)備改造比較便捷，改造時產(chǎn)生的工作量少，同時，改造的費用無需進(jìn)行很多的投入。用揮發(fā)成分較高的煤進(jìn)行燃燒時，使用改造后的燃燒器搭配現(xiàn)有鍋爐設(shè)備，實現(xiàn)低氮燃燒模式，能夠?qū)㈠仩t燃燒后氮氧化物的排放水平有效降低，能夠在燃燒器的出口附近制造氧氣濃度較多的區(qū)域，防止化學(xué)機理轉(zhuǎn)化的氮氧化物產(chǎn)生。通過逐漸將二次風(fēng)全部進(jìn)行混合，進(jìn)行充分燃燒，同時在反應(yīng)后期降低燃燒速率和火焰溫度，進(jìn)一步防止氮氧化物的生產(chǎn)，提升燃燒效率。