燃煤機組鍋爐低氮燃燒器改造運行調整探討

吳天明

摘要：研究表明，對于反應器出口氮氧化物的排放量以及氧含量存在最適范圍，煙氣再循環開度與二次風入射角度會對燃料產生顯著影響，當后燃嚴重時甚至會使非催化還原反應效率降低，甚至處于失效狀態。

Abstract： Studies have shown that there is an optimum range for the emission of nitrogen oxides at the outlet of the reactor and the oxygen content. The recirculation opening of the flue gas and the angle of incidence of the secondary air will have a significant impact on the fuel， even when the post-combustion is severe. The non-catalytic reduction reaction is reduced in efficiency and even in a failed state.

關鍵詞：燃煤機組;鍋爐;低氮燃燒器;改造;運行;調整

Key words： coal-fired unit;boiler;low-nitrogen burner;transformation;operation;adjustment

中圖分類號：TM621.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0164-02

0? 引言

近年來，隨著人們對于電力的需求量提升速度趨于緩慢，很多機組需要進行參數調整，當鍋爐在處于低負荷情況下由于循環灰量少，分離器入口溫度為850℃以下導致無法實現SCR反應，采用單一的脫硝技術無法實現低排量要求，采用低氮燃燒技術能夠減少氮氧化物的排放，這也是目前的最佳途徑。通過適當延長還原性富燃料區域的反應區間，增強二次風的穿透性，提高爐膛傳熱強度，能夠使鍋爐中氮氧化物的排放量降低，同時還能夠降低機械的不完全燃燒損失。

1? 氮氧化物的生成機理

煤炭經過燃燒之后能夠產生氮氧化物，主要包括一氧化氮和二氧化氮，我們將其稱為氮氧化物，此外還會伴隨著少量氧化二氮的產生，相比二氧化硫在生產過程中其機理不同，在煤炭燃燒時氮氧化物的生成量和排放量是與煤炭燃燒方式有關的，尤其是燃燒溫度和空氣系數是與煤炭燃燒條件具有密切聯系。在煤炭燃燒過程中氮氧化物的生成途徑主要有以下三種：首先，熱力型氮氧化物，是由空氣中氮氣在高溫下經過氧化之后形成的。燃料型氮氧化物，是在燃料中氮化物燃燒時經過熱分解和氧化反應形成的。快速型氮氧化物，是由空氣中的氮核燃料中的碳氫離子團發生反應形成的氮氧化物，其中燃料型氮氧化物是主要的成分，占總產量的百分之六十，而熱力型氮氧化物的生產是以與燃燒過程中的溫度具有一定聯系的，當溫度較高時熱力型氮氧化物的生成量達總體積的百分之二十，快速型氮氧化物在煤炭燃燒時的生成量較小。除此之外，燃料型氮氧化物與氧化二氮生成條件相同，主要是從燃料氮化物轉化而來的。氧化二氮在生產和過程中是與燃料型氮氧化物生成破壞具有一定聯系的。

研究表明，選擇合適的床溫，降低床溫能夠控制氮氧化物的排放量，同時還利于脫硫，然而會使氧化二氮的排放量升高，增加一氧化碳濃度，降低燃燒效率。綜合分析各種因素可以將循環流化床的床溫控制在850到1000℃之間，選擇性還原。在分離器區域和懸浮段中注入尿素或者液態胺，能夠還原氮氧化物氣體降低排放量，然而采用這種技術需要控制還原反應溫度，通常在這一過程中溫度為8810℃，而尿素為890℃，且還需要合理控制氧濃度。天然氣再燃技術。在一些密相區域中注入天然氣能夠使氮氧化物還原為氮氣，同時產生一氧化碳，為提高燃燒效率，可以在天然氣注入口注入補燃空氣，能夠有效控制氮氧化物的排放量，同時獲取較高的燃燒效率。采取分段燃燒。在流化床熱過程中，通常采用的是二段燃燒的方式，通過降低流化床中氧氣濃度，以減少氮氧化物排放量，當氧氣降低太多時會降低燃燒效率和脫硫。根據研究發現，在二次燃燒過程中，將一次風率控制在0.9到1.0時，此時對于氮氧化物排放量產生影響較大，對揮發分含量分別為高中低的三種煤進行燃燒實驗時發現一次風率提高之后，能夠增加氮氧化物和一氧化氮的排放量。

2? 實驗研究對象

我們對某電廠作為研究對象，針對其直流煤粉鍋爐采用的是自然循環方式，全懸吊結構，從整體布局上為全鋼架π型布置，爐膛中采用膜式水冷壁氣冷式旋風分離器，尾部采用兩級三組對流過熱器，且下方為省煤器和一、二次風各三組，預熱器采用SCR脫硫方式，經過改造之前氮氧化物的排放量為500毫克每Nm3。常用燃料為褐煤。

3? 研究方法

首先對分離器的改造，經過Mazyan等人的研究，將直徑為190mm的分離器作為研究模型，經過分析在分離器上方增加切向進氣時能夠提高50%的分離效率，壓降增加低于8%。王勇等人用燃煤機組鍋爐作為研究對象，經過優化中心筒的深度，延長其長度到入煙入口煙氣高度，能夠提高分離器的使用效率。李楠等人利用帶偏置漸縮中心筒，能夠增加鍋爐循環灰量，降低床溫，并且能夠顯著減少氨水的消耗量。分離器的內部煙氣是一種混合有寬篩分顆粒的氣固兩相流，在重力以及離心力的綜合作用力下，顆粒能夠經過沉降和離心后被分離器捕捉，利用這個理論，Muschelknautz等人提出分離器效率的計算模型，其具體公式如下所示。

從公式來看，切割粒徑是與氣體切向速度成反比關系的，能夠通過提升氣體的傾向速度，減小切割粒徑，進一步提高分離效果。國內的實驗表明，當分離器入口煙氣速度為每秒30m時，此時分離效果較好。在本研究中經過改造前，該分離器的入口煙速度為每秒18.17m，經過優化之后通過制作分離器入口煙道澆筑料，縮短寬度，能夠提升煙氣速度為每秒26m。對于燃煤機組鍋爐的改造，可以通過增加燃煤機組系統，根據煙氣中氧氣所占比例低的特點，在確保總流化風量的前提下能夠降低一次風量的含氧含量，并進一步強化密相區的還原性氛圍，有效降低床溫。在一號鍋爐處于額定負荷條件下一二次風量分別為每小時62000Nm3，一二次風率為50%，煙氣量為每小時155000Nm3。當增加燃煤機組系統之后部分煙氣能夠通過該管道引入一次風機，使一次風機中氧氣含量降低17%，而增加二次風流量，一次風率降低40%，而二次風率提高60%，進而能夠強化空氣的分級燃燒效果，最終設備氮氧化物的排放量能夠顯著降低。從二次封口的改造上來看，原鍋爐分為上中下層二次風，前墻和后墻各兩列，左右側墻圍二列，三層二次封口距離布分板的高度分別為2600，1600以及800mm。經過本次優化設計之后能夠上移前后墻，二次封口位置，原下層二次封口進行封堵，在距離布分板三千六百毫米的開孔位置改為上二次風鍋爐，左右側進行二次封口的封堵，其余不進行變動。如圖1所示經過改造之后，下二次封口距離布分板的距離為1600mm，能夠擴大密相區的還原范圍。

4? 設備改造效果分析

經過研究，我們發現氮氧化物的排放會隨鍋爐氧含量變化而變化，從SCR技術原理上來看，氧氣能夠使氨氣還原為一氧化碳，也可將其氧化為二氧化碳，但是氧氣體積分數的增加能夠促進氨氣的氧化反應，并增加氮氧化物的排放量。經過對該鍋爐改造后在處于一定負荷條件下能夠顯著降低氮氧化物的排放濃度，當處于不同負荷條件下其還原劑的使用量與氧氣含量得關系如圖2所示。

當氧含量處于3.3%到3.8%這一范圍中，該鍋爐20%的氨水消耗量為每小時26萬克，能夠使氮氧化物的排放量低于50毫克每Nm3。隨氧量的提升在處于不同負荷條件下，相應的還原劑使用量能夠顯著增加，當氧含量低于3%時，處于不同的負荷條件下還原劑的使用量仍然增加，當氧含量低時還原劑的產量與氮氧化物的排放量如圖3所示。

在處于一定負荷條件下，當氧含量低于2.2%時氨水的消耗量會增加到每小時400kg，相應的氮氧化物排放量也會增加。同時，繼續增加氨水消耗量，氮氧化物的排放量也會受到影響。李明磊等人通過搭設實驗臺和數據模擬，結果發現當氧含量增加時會降低脫硝效率，經過SCR反應處于無氧條件下該反應不會進行，但沒有針對該反應需氧量進行定量分析。因此我們通過該鍋爐處于不同負荷條件下進行研究，結果表明，隨著氧含量變化，SCR反映能夠分為不同的區間，包括無效區，低于2.2%的濃度，由于整體的含氧含量較低，因此SCR反應不進行，反應器出口位置的氮氧化物排放量是受到低氮改造后原始排放影響的，當氧含量處于2.2%到3.3%這一范圍時為低效區，此時氮氧化物的原始排放量少，同時脫硝效率低，能夠導致反應器中最終氮氧化物排放量仍然較高，當氧含量為3.3%到3.8%時，此時為高效區，具有較高的脫硝效率，同時反應器的出口位置氮氧化物的排放量低。當高于3.8%時為低效區，該區域范圍內原始排放量增加，脫硝效率低，反應器出口位置，氮氧化物的排放量相比前者來說顯著升高，從燃煤機組對氮化物排放的影響上來看，當SCR系統停止運行時，對于處于不同負荷條件下鍋爐進行燃煤機組調整結果發現，當處于不同負荷條件下，氮氧化物的排放濃度會隨燃煤機組開度增加，氧濃度減小，當處于每小時70噸的負荷條件下，氮氧化物的排放濃度將降低50%，而當處于每小時90噸的負荷條件下，將降低40%。通常我們認為采用燃煤機組系統能夠降低氮氧化物排放量，主要是由于燃煤機組系統能夠降低床層溫度，平衡正向和爐內水平溫度分布，利用該系統能夠降低爐內的氧含量。

5? 小結

總而言之，在本研究中分析了燃煤機組鍋爐低氮燃燒技術，通過實驗分析發現當氧含量降低時，此時鍋爐中氮氧化物的排放量也相應降低，利用燃煤機組系統能夠降低床溫，進而縮小爐膛中的溫差，以獲取較高的脫硝效率。

參考文獻：

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