燃煤机组锅炉低氮燃烧器改造运行调整探讨

吴天明

摘要：研究表明，对于反应器出口氮氧化物的排放量以及氧含量存在最适范围，烟气再循环开度与二次风入射角度会对燃料产生显著影响，当后燃严重时甚至会使非催化还原反应效率降低，甚至处于失效状态。

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.

关键词：燃煤机组;锅炉;低氮燃烧器;改造;运行;调整

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

中图分类号：TM621.2                                    文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）24-0164-02

0  引言

近年来，随着人们对于电力的需求量提升速度趋于缓慢，很多机组需要进行参数调整，当锅炉在处于低负荷情况下由于循环灰量少，分离器入口温度为850℃以下导致无法实现SCR反应，采用单一的脱硝技术无法实现低排量要求，采用低氮燃烧技术能够减少氮氧化物的排放，这也是目前的最佳途径。通过适当延长还原性富燃料区域的反应区间，增强二次风的穿透性，提高炉膛传热强度，能够使锅炉中氮氧化物的排放量降低，同时还能够降低机械的不完全燃烧损失。

1  氮氧化物的生成机理

煤炭经过燃烧之后能够产生氮氧化物，主要包括一氧化氮和二氧化氮，我们将其称为氮氧化物，此外还会伴随着少量氧化二氮的产生，相比二氧化硫在生产过程中其机理不同，在煤炭燃烧时氮氧化物的生成量和排放量是与煤炭燃烧方式有关的，尤其是燃烧温度和空气系数是与煤炭燃烧条件具有密切联系。在煤炭燃烧过程中氮氧化物的生成途径主要有以下三种：首先，热力型氮氧化物，是由空气中氮气在高温下经过氧化之后形成的。燃料型氮氧化物，是在燃料中氮化物燃烧时经过热分解和氧化反应形成的。快速型氮氧化物，是由空气中的氮核燃料中的碳氢离子团发生反应形成的氮氧化物，其中燃料型氮氧化物是主要的成分，占总产量的百分之六十，而热力型氮氧化物的生产是以与燃烧过程中的温度具有一定联系的，当温度较高时热力型氮氧化物的生成量达总体积的百分之二十，快速型氮氧化物在煤炭燃烧时的生成量较小。除此之外，燃料型氮氧化物与氧化二氮生成条件相同，主要是从燃料氮化物转化而来的。氧化二氮在生产和过程中是与燃料型氮氧化物生成破坏具有一定联系的。

研究表明，选择合适的床温，降低床温能够控制氮氧化物的排放量，同时还利于脱硫，然而会使氧化二氮的排放量升高，增加一氧化碳浓度，降低燃烧效率。综合分析各种因素可以将循环流化床的床温控制在850到1000℃之间，选择性还原。在分离器区域和悬浮段中注入尿素或者液态胺，能够还原氮氧化物气体降低排放量，然而采用这种技术需要控制还原反应温度，通常在这一过程中温度为8810℃，而尿素为890℃，且还需要合理控制氧浓度。天然气再燃技术。在一些密相区域中注入天然气能够使氮氧化物还原为氮气，同时产生一氧化碳，为提高燃烧效率，可以在天然气注入口注入补燃空气，能够有效控制氮氧化物的排放量，同时获取较高的燃烧效率。采取分段燃烧。在流化床热过程中，通常采用的是二段燃烧的方式，通过降低流化床中氧气浓度，以减少氮氧化物排放量，当氧气降低太多时会降低燃烧效率和脱硫。根据研究发现，在二次燃烧过程中，将一次风率控制在0.9到1.0时，此时对于氮氧化物排放量产生影响较大，对挥发分含量分别为高中低的三种煤进行燃烧实验时发现一次风率提高之后，能够增加氮氧化物和一氧化氮的排放量。

2  实验研究对象

我们对某电厂作为研究对象，针对其直流煤粉锅炉采用的是自然循环方式，全悬吊结构，从整体布局上为全钢架π型布置，炉膛中采用膜式水冷壁气冷式旋风分离器，尾部采用两级三组对流过热器，且下方为省煤器和一、二次风各三组，预热器采用SCR脱硫方式，经过改造之前氮氧化物的排放量为500毫克每Nm3。常用燃料为褐煤。

3  研究方法

首先对分离器的改造，经过Mazyan等人的研究，将直径为190mm的分离器作为研究模型，经过分析在分离器上方增加切向进气时能够提高50%的分离效率，压降增加低于8%。王勇等人用燃煤机组锅炉作为研究对象，经过优化中心筒的深度，延长其长度到入烟入口烟气高度，能够提高分离器的使用效率。李楠等人利用带偏置渐缩中心筒，能够增加锅炉循环灰量，降低床温，并且能够显著减少氨水的消耗量。分离器的内部烟气是一种混合有宽筛分颗粒的气固两相流，在重力以及离心力的综合作用力下，颗粒能够经过沉降和离心后被分离器捕捉，利用这个理论，Muschelknautz等人提出分离器效率的计算模型，其具体公式如下所示。

从公式来看，切割粒径是与气体切向速度成反比关系的，能够通过提升气体的倾向速度，减小切割粒径，进一步提高分离效果。国内的实验表明，当分离器入口烟气速度为每秒30m时，此时分离效果较好。在本研究中经过改造前，该分离器的入口烟速度为每秒18.17m，经过优化之后通过制作分离器入口烟道浇筑料，缩短宽度，能够提升烟气速度为每秒26m。对于燃煤机组锅炉的改造，可以通过增加燃煤机组系统，根据烟气中氧气所占比例低的特点，在确保总流化风量的前提下能够降低一次风量的含氧含量，并进一步强化密相区的还原性氛围，有效降低床温。在一号锅炉处于额定负荷条件下一二次风量分别为每小时62000Nm3，一二次风率为50%，烟气量为每小时155000Nm3。当增加燃煤机组系统之后部分烟气能够通过该管道引入一次风机，使一次风机中氧气含量降低17%，而增加二次风流量，一次风率降低40%，而二次风率提高60%，进而能够强化空气的分级燃烧效果，最终设备氮氧化物的排放量能够显著降低。从二次封口的改造上来看，原锅炉分为上中下层二次风，前墙和后墙各两列，左右侧墙围二列，三层二次封口距离布分板的高度分别为2600，1600以及800mm。经过本次优化设计之后能够上移前后墙，二次封口位置，原下层二次封口进行封堵，在距离布分板三千六百毫米的开孔位置改为上二次风锅炉，左右侧进行二次封口的封堵，其余不进行变动。如图1所示经过改造之后，下二次封口距离布分板的距离为1600mm，能够扩大密相区的还原范围。

4  设备改造效果分析

经过研究，我们发现氮氧化物的排放会随锅炉氧含量变化而变化，从SCR技术原理上来看，氧气能够使氨气还原为一氧化碳，也可将其氧化为二氧化碳，但是氧气体积分数的增加能够促进氨气的氧化反应，并增加氮氧化物的排放量。经过对该锅炉改造后在处于一定负荷条件下能够显著降低氮氧化物的排放浓度，当处于不同负荷条件下其还原剂的使用量与氧气含量得关系如图2所示。

当氧含量处于3.3%到3.8%这一范围中，该锅炉20%的氨水消耗量为每小时26万克，能够使氮氧化物的排放量低于50毫克每Nm3。随氧量的提升在处于不同负荷条件下，相应的还原剂使用量能够显著增加，当氧含量低于3%时，处于不同的负荷条件下还原剂的使用量仍然增加，当氧含量低时还原剂的产量与氮氧化物的排放量如图3所示。

在處于一定负荷条件下，当氧含量低于2.2%时氨水的消耗量会增加到每小时400kg，相应的氮氧化物排放量也会增加。同时，继续增加氨水消耗量，氮氧化物的排放量也会受到影响。李明磊等人通过搭设实验台和数据模拟，结果发现当氧含量增加时会降低脱硝效率，经过SCR反应处于无氧条件下该反应不会进行，但没有针对该反应需氧量进行定量分析。因此我们通过该锅炉处于不同负荷条件下进行研究，结果表明，随着氧含量变化，SCR反映能够分为不同的区间，包括无效区，低于2.2%的浓度，由于整体的含氧含量较低，因此SCR反应不进行，反应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响的，当氧含量处于2.2%到3.3%这一范围时为低效区，此时氮氧化物的原始排放量少，同时脱硝效率低，能够导致反应器中最终氮氧化物排放量仍然较高，当氧含量为3.3%到3.8%时，此时为高效区，具有较高的脱硝效率，同时反应器的出口位置氮氧化物的排放量低。当高于3.8%时为低效区，该区域范围内原始排放量增加，脱硝效率低，反应器出口位置，氮氧化物的排放量相比前者来说显著升高，从燃煤机组对氮化物排放的影响上来看，当SCR系统停止运行时，对于处于不同负荷条件下锅炉进行燃煤机组调整结果发现，当处于不同负荷条件下，氮氧化物的排放浓度会随燃煤机组开度增加，氧浓度减小，当处于每小时70吨的负荷条件下，氮氧化物的排放浓度将降低50%，而当处于每小时90吨的负荷条件下，将降低40%。通常我们认为采用燃煤机组系统能够降低氮氧化物排放量，主要是由于燃煤机组系统能够降低床层温度，平衡正向和炉内水平温度分布，利用该系统能够降低炉内的氧含量。

5  小结

总而言之，在本研究中分析了燃煤机组锅炉低氮燃烧技术，通过实验分析发现当氧含量降低时，此时锅炉中氮氧化物的排放量也相应降低，利用燃煤机组系统能够降低床温，进而缩小炉膛中的温差，以获取较高的脱硝效率。

参考文献：

[1]王勇.240t/h燃煤机组锅炉低氮燃烧技术应用探讨[D].2017.

[2]陈建军，周俊虎，朱占恒.130t/h燃煤机组锅炉低氮燃烧改造及调整试验[J].热力发电，2017（2）.

[3]赵秋利，苏少林.中小型燃煤锅炉烟气脱硫技术现状及趋势[J].价值工程，2012，31（11）：32-33.