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.鍋爐現狀概述

(1)鍋爐現狀

電廠使用的600MW發動機組鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責任公司配備的鍋爐產品。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噴口的氣流中心位置濃度較大，可在風噴口加裝擴散設備，將氣體濃度在空間內進行稀釋和擴散，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重。環保標準更新與實施后，要求鍋爐進行改造，使用低氮燃燒模式。由于該電廠使用的鍋爐還未能在結構上進行改造，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，目前氮氧化物生產的量和燃燒方式以及燃燒溫度以及空氣系數有關。鍋爐燃燒時，在主燃區和再燃區由于都能夠滿足氮氧化物的生產條件，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%。在鍋爐的主燃區出現。

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氫離子發生反應，生成氮氧化物。發生在鍋爐的主燃區。

③熱力型氮氧化物。空氣中的氮氣在高溫條件下被氧化產生氮氧化物。生成的氮氧化物能夠達到20%。發生在鍋爐的主燃區和再燃區。

2.鍋爐改造的思路

在現有鍋爐上進行改造，實現低氮燃燒方式。新型鍋爐低氮燃燒器由中心管路，火焰穩定環，旋轉扇葉，通風量調節機構等部件組成。

將現有鍋爐改造為低氮燃燒模式，需要設計一種新型燃燒器，使用時將其固定在鍋爐上，燃燒器由中心管路，火焰穩定環，旋轉扇葉，通風量調節機構等部件組成。中心管路的左右側連接火焰穩定環以及風管彎頭部件?；鹧娣€定環的側面安裝一次風旋轉扇葉，且旋轉扇葉與中心管路進行連接，一次風旋轉扇葉的另一側面安裝一次風彎頭部件，且一次風彎頭部件與中心管路相連，在一次風彎頭的側面安裝一次風導流扇葉，導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。可伸縮的套筒被放置在一次風彎頭和一次風旋轉扇葉的中間部分，且可伸縮的套筒與中心管路之間存在一定間隙，套筒的外側與一次風旋轉扇葉也并無直接接觸。

通風量調節機構放置于可伸縮的套筒旁邊，通風量調節機構的作用可以調節內部和外部二次通風量的大小。在調節機構內部，分別設計安裝了內部二次風旋轉扇葉以及外部二次風旋轉扇葉。內部二次風旋轉扇葉與可伸縮的套筒進行連接。二次風旋轉扇葉的左側安裝第一連接腔，第一連接腔與中心管路之間無接觸，外部二次風旋轉扇葉安裝在第一連接腔表面。

下一階段，通過內部二次風旋轉扇葉針對可伸縮的套筒存有的混合氣體進行二次混合，加大氧氣的濃度，使得過剩空氣系數約達到0.8%，氧氣濃度由改造前的3%上升至13.9%，在此種環境下燃燒可以防止燃燒過程中氮元素轉換為氮氧化物，逐漸轉化為低氮燃燒的混合氣體，這種混合氣體通過外部二次風旋轉扇葉進行第三次混合，向混合氣體內繼續沖入氧氣，提升氧氣濃度?；旌蠚怏w經過火焰穩定環，能夠將混合氣體均勻輸送至燃燒器，并在燃燒器出口附近形成富氧區，能夠有效減緩氮氧化物的生成。同時，二次通風逐漸增多，并逐漸與混合氣體全部進行二次及三次混合，能夠讓燃料全部反應充分，降低了燃燒反應速率，火焰溫度也同步進行降低，對氮氧化物生成的降低有進一步的優化。

對改造思路可以進行一些優化，可以將第一連接腔進行橫向放置，并將連接腔的內壁與燃燒器的中心管路之間進行聯動，通風量調節機構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部安裝一次風導流板，導流板放置在燃燒器中心管路的下端，導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，內部及外部二次通風量調節機構分別與第二連接腔和可伸縮的套筒進行連接與固定，用于實現內部和外部的二次通風量調節。同時，改造后的燃燒器連接在現有鍋爐的兩側，鍋爐的內部燃區的分布主要為主燃區、再燃區、燃盡區。燃盡區以及主燃區都和再燃區相連，通過多組燃燒區域分布，以實現鍋爐低氮燃燒的方式，同時能夠滿足最新的環保排放標準。

改造前后鍋爐內部的分區對比示意如圖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，燃燒時能根據空氣分級燃燒技術有效預防氮氧化物的產生，能夠在燃燒器的出口附近制造氧氣濃度較多的區域，防止化學機理轉化的氮氧化物產生。通過逐漸將二次風全部進行混合，進行充分燃燒，同時在反應后期降低燃燒速率和火焰溫度，進一步防止氮氧化物的生產。

通過此種改造方式，利用空氣進行分級送入，此種燃燒技術對現有使用中的鍋爐及其他設備改造比較便捷，改造時產生的工作量少，同時，改造的費用無需進行很多的投入。用揮發成分較高的煤進行燃燒時，使用改造后的燃燒器搭配現有鍋爐設備，實現低氮燃燒模式，能夠將鍋爐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，能夠有效降低主燃燒區的燃燒溫度，通過通風量調節機構，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，有效預防熱量氮氧化物的轉換與形成，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.結語

目前發電廠的600MW鍋爐存在氮氧化物排放濃度過高的問題，且在現有的工作狀態中，燃燒過程會在鍋爐內產生燃燒結焦，且結焦面積大，長期用這種煤燃燒會在鍋爐的內壁上形成較多的污垢，反復高溫時產生腐蝕。改造后，鍋爐進行燃燒時，空氣和煤粉的混合氣體經過彎頭部件后，將氣體通入燃燒器的中心管路內，并通過調節導向擋板開度，跟進鍋爐燃燒的不同階段調整混合氣體的比例，實現在鍋爐內的充分混合，通過一次風導流扇葉把混合后的氣體輸送至可伸縮的套筒內部。同時受到溫度變化及反應速率等因素影響，內壁氧化皮大面積脫落，導致換熱管堵塞。為了解決上述問題，在現有鍋爐上進行改造，實現低氮燃燒方式。新型鍋爐低氮燃燒器由中心管路，火焰穩定環，旋轉扇葉，通風量調節機構等部件組成。利用空氣進行分級送入，此種燃燒技術對現有使用中的鍋爐及其他設備改造比較便捷，改造時產生的工作量少，同時，改造的費用無需進行很多的投入。用揮發成分較高的煤進行燃燒時，使用改造后的燃燒器搭配現有鍋爐設備，實現低氮燃燒模式，能夠將鍋爐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域，防止化學機理轉化的氮氧化物產生。通過逐漸將二次風全部進行混合，進行充分燃燒，同時在反應后期降低燃燒速率和火焰溫度，進一步防止氮氧化物的生產，提升燃燒效率。