對沖燃燒鍋爐低NOx改造技術研究與應用分析

陳有為

摘要：針對沖燃燒鍋爐低NOx改造技術的應用，改造之后，使得鍋爐保證了原有性能，如主蒸汽溫度都與設計值相符、鍋爐煙道出口NOx排放在200mg/m3以內、低氮燃燒性相對穩定、鍋爐尾部低溫腐蝕情況并不明顯等。本文針對沖燃燒鍋爐低NOx改造技術研究與應用做出了進一步探究，詳細分析了改造目標、方案、應用措施和數據對比，對對沖燃燒鍋爐低NOx改造有一定的參考意義。

關鍵詞：沖燃燒鍋爐;低NOx改造技術;研究分析

前言

某大型鋼鐵240t/h燃氣鍋爐，鍋爐型號為JG-240/9.81-Q，主要燃用COREX爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣和焦爐煤氣，其中焦爐煤氣最大用量約6000m3/h。現鍋爐采用臭氧脫硝，由于進入臭氧脫硝的氧氣氮氧化物較高。造成臭氧發生器滿負荷運行，且鍋爐總排口氮氧化物還時有超標情況。在增加焦爐煤氣燃用量至25000 m3/h的前提下，同步對鍋爐進行低氮燃燒改造。通過此改造使得鍋爐出口NOx小于200mg/m3，在保證保證最終NOx達標排放的前提下，可大幅減少臭氧脫硝運行成本。

1、改造目標分析

在本次改造當中，需要降低鍋爐排放NOx的質量濃度，在純燃焦爐煤氣時鍋爐煙道出口 NOx排放不大于200mg/m3。不影響鍋爐原有設計工況，且效率需要高于基準試驗數值。此外，鍋爐不能有十分顯著的低溫腐蝕。在改造之后，不可對總體性能產生影響[1]。

2、改進措施分析

2.1燃燒器改造

將原12只混合煤氣混合燃燒器全部更換為低氮煤氣燃燒器。燃燒器布置位置與原燃燒器布置位置一致，及燃燒器采用左右墻對沖布置，單側墻上布置6只，分2層布置，1層3只。

燃燒器采用擴散式旋流燃燒器，即煤氣與空氣不提前進行預混，煤氣噴入爐膛后才和空氣混合并燃燒，燃燒所需的空氣是在燃燒過程中供給的。為保證煤氣和空氣成分的混合燃燒，并形成有利于著火的高溫煙氣回流區，在燃燒器噴口處，煤氣和空氣均設計有旋流葉片。為減小燃燒器煤氣和空氣阻力，旋流葉片設計為軸向彎曲葉片。

燃燒器采用多級配風的方式供風，即將空氣分為助燃風、燃燒風及燃盡風。燃燒器結構簡圖見下圖：

焦爐煤氣主氣槍采用多槍式結構，可分散火焰中心，降低火焰的平均溫度，降低熱力型NOx的生成。

將焦爐煤氣噴口送風形式改為分級送風，既將空氣層分為內環通道和外環通道的雙通道進風方式，內外通道的風量配比暫定為7：3。另外在內通道外設置有環形擴口，通過外通道的空氣經擴口后，不僅可以增加空氣與主火焰的接觸時間，形成局部富氧和厭氧燃燒環境，減少燃料型NOx 的生成，還可加強主火焰對低溫煙氣的卷吸能力，均勻火焰的溫度峰值，形成爐內煙氣再循環，抑制熱力型NOx 的生成。

焦爐煤氣燃燒器投運后，上層混合燃燒器內的焦爐煤氣點火槍需切停，作為備用。下層混合燃燒器內的焦爐煤氣點火槍可作為長明火投運，這樣改造后總焦爐煤氣消耗量可達27000Nm3/h。

2.2燃燒器布置角度調整

對于原始鍋爐設計當中的爐膛高度，過熱器匹配形式不做調整，僅通過燃燒角度調整后對燃燒進行修正，在具體改造過程中，需要對合理的技術以及方法進行應用[3]。

在原始設計當中，因為考慮燃燒不同屬性的煤氣，在鍋爐受熱面布置時受到限制，現階段運行過程中存在低溫過熱器出口溫度高于設計溫度約50～80℃，導致沒有前置降溫措施的低溫過熱器出口溫度接近管材選用材質許用溫度，存在該部分材質超溫運行的風險。針對其實施改造之后，在此次改造時采用燃燒器燒嘴下傾角安裝，這樣下移了爐膛火焰中心，這樣爐膛內部會增加吸熱面積，增強了水冷壁的蒸發吸熱能力，可以有效的減弱對流受熱面吸熱量，對低溫過熱器出口溫度產生的過盈問題有較好的緩解[4]。

2.3增加高位燃盡風

在實施改造工作中，對分級燃燒技術進行了應用，燃料通過燃燒器進入爐膛燃燒時，最初在缺氧的狀態當中燃燒，推遲著火以及燃燒的時間。燃料在缺氧狀態下燃燒在主燃燒區域產生部分還原性氣氛，該還原性氣氛可以有效的將燃燒生成的熱力型氮氧化物進行還原，。

然而一定量的燃料要想做到完全燃燒，所需要的氧量也是一定的，因此在主燃燒區域缺失的燃燒所需氧量必須通過其他渠道予以補充，否則大量沒有完全燃燒的燃料向后移動進入鍋爐水平煙道或者尾部豎井，將會造成鍋爐水平煙道或者尾部豎井在燃燒。

為了保證鍋爐燃料的充分燃燒，在距離鍋爐上部燃燒器噴口約3.5米標高處增設燃盡風噴口，該噴口利用鍋爐經過空氣預熱器加熱后的熱風作為介質，這樣利用進入鍋爐燃燒器的一樣溫度的熱風，對鍋爐燃燒效率和鍋爐出力沒有任何影響，最大限度的保證了鍋爐的原有設計參數。

2.4二次風量控制策略改進

原鍋爐對于二次風調整基本采用送風機基本穩定運行，調整各燃燒器對應二次風門的方式，或者采用送風機和二次風門混合調整的方法。

改造后調試時，將改造后燃燒器對應二次風門和高位燃盡風擋板根據85：15的比例將鍋爐送風機送來熱風進行總分配，同時充分考慮各燃燒器二次分管路的阻力差異，對每一個燃燒器二次風進行詳細調整，確保每一個燃燒噴口出口處二次風壓（風速）基本保證一致。起爐運行時，盡量不對二次風門和高位燃盡風風門擋板進行調整，依據鍋爐出口氧含量，對送風機變頻進行調整。

3、改造前后的數據比對分析

改造結束后，采用鍋爐純然焦爐煤氣工況進行設計功能試驗。

當鍋爐燃用純焦爐煤氣負荷分別在60t/h、70 t/h、85 t/h、90 t/h、100 t/h、110 t/h、125 t/h時分別委托第三方進行了鍋爐出口煙道NOx 的排放數據匯總如下：

通過上述表格數據匯總，可以看出此次改造實現了對沖式燃燒器低氮燃燒改造，到達了增加鍋爐焦爐煤氣用量，在此用量下能夠滿足設計時對NOx排放的要求。同時改造時對燃燒器進行下傾布置，有效的將鍋爐低溫過熱器出口溫度調整到了鍋爐最初設計參數。

4、結語：

總之，針對低氮燃燒技術改造過程中，需要結合綜合情況，例如：鍋爐的特征、運行情況、燃料特性、現場條件，從而對相應的改造方案進行編制。同時，需要對國內外同類鍋爐先進的改造經驗進行借鑒，綜合分析之后對NOx減排標值進行確定。此外，需要優化主燃燒器分級燃燒等，對較大的主燃燒區化學當量進行應用，從而將化學當量比的敏感度降低，使其依賴度下降，進而使得燃燒可能會產生的一系列負面影響減小。

參考文獻：

[1]張守恒， 李紅兵， 賀桂林，等. 對沖燃燒鍋爐低NOx改造技術研究與應用[C]// 全國火電600mw級機組能效對標及競賽年會. 2015.

[2]屠小寶， 胡偉鋒， 徐良，等. 國內首臺600HW對沖燃燒鍋爐低NOx燃燒技術改造[J]. 中國電力， 2011， 44（6）：31-33.

[3]段二朋， 孫保民， 郭永紅，等. 800MW旋流對沖燃燒鍋爐低NOx改造的數值模擬[J]. 動力工程學報， 2012， 032（011）：P.825-829，858.

[4]趙剛， 應明良， 王磊， et al. 對沖燃燒鍋爐低氮燃燒改造中2種燃燒器的應用分析[J]. 浙江電力， 2014（4）：29-33.

[5]藍春娟， 劉石生. 對沖燃燒鍋爐低氮燃燒改造技術研究[J]. 新技術新工藝， 2015， 000（007）：96-98.