太原锅炉集团电力工程有限公司 山西太原 030008
摘要：本文首先对锅炉的概况简要介绍，然后分别从二次风系统改造和旋风分离器入口整形改造两个方面设计140t/h循环流化床锅炉低氮燃烧的改造方案，再分析改造完成后锅炉的运行效果，最后分别从一次风和二次风两个角度提出锅炉的燃烧调整原则和建议，为循环流化床锅炉低氮燃烧改造人员提供参考。
关键词：140t/h循环流化床；锅炉；低氮燃烧；改造与运行
引言：氮氧化物属于大气污染气体的一种，该污染物主要产生于火力发电厂。全国火力发电厂排放的氮氧化物含量占总量的一半以上。国家环境保护部门联合发改委和能源局对火力发电厂氮氧化物的排放含量做出限制，其中对氮氧化物的排放含量进行了严格规定，因此各个火力发电厂开始对流化床风系统进行改造。
1锅炉概况
本文以东北某地区火力发电厂为例，对其140t/h循环流化床锅炉进行简要概述。该厂使用的锅炉型号为HX140/9.81-Ⅱ，生产于2012年，该型号的锅炉该厂共使用3个，主要为生产设备提供高温蒸汽。该锅炉的运行参数如表1所示：
表1 锅炉运行参数
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该锅炉由炉膛、分离器、返料器、屏式过热器、给煤管五部分组成，其结构构造图如图1所示：
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图1 锅炉结构构造图
该锅炉炉膛高宽深分别为29640mm、8846.6mm、4367.2mm；前墙二次风喷口12个，后墙二次风喷口数量12个，总计24个二次风口；旋风分离器内径4239mm，截面尺寸为5688mm×1355mm[1]。
2 140t/h循环流化床锅炉低氮燃烧改造方案
该锅炉烧煤灰份为36.7%，产生热量13.87MJ/kg，排放的氮氧化物含量浓度为320~380mg/Nm3。本文预计通过改造二次风系统或旋风分离器使其排放的氮氧化物含量浓度降到80~110mg/Nm3。
2.1二次风系统改造
锅炉烧煤后产生的氮氧化物主要来自于热力型氮和燃烧氮，煤燃烧的过程中氧气分布不均匀直接在高温高压环境下导致氮氧化物的生成，流化床温度过高也会直接增加氮氧化物的生成量。所以可以通过对二次风系统的改造，使锅炉内部的氧气分布均匀，这样则可以减少氧气的分布不均匀情况，最后则能够达到抑制氮氧化物生成的作用。二次风系统改造如图2所示：
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图2 二次风系统改造图
根据图2所示，本文采用调整二次风口位置和增加二次风口数量两种方式。调整二次风口位置可以通过对高度和宽度进行调整，利用分级燃烧的原理提高锅炉内部的氧气均匀程度，使各个部位的煤都可以与氧气充分接触燃烧，然后氧气浓度过高的区域减少，则高温环境下产生的氮氧化物含量也会随之减少，最终则可以解决锅炉中心部分氧气分布不均匀的问题。增加二次风口数量则可以通过对风量的调整，合理分配上下两层风量，使上下两层的氧气都能够与煤充分接触燃烧。除此之外，可以对二次风口施加一个低压，提高进入锅炉内部空气的压力，这样二次风口能够为炉膛内部更深位置提供足够的氧气，使炉膛内部的煤也能够充分燃烧，这样炉膛内部的氧气含量比较均匀，最终锅炉内产生的氮氧化物含量也会随之减少。为了保证风口空气具备足够高的穿透力，可以对二次风口进行改造，将其与一定长度的耐热材料不锈钢喷口相互连接。这样二次风口可以直接将空气向锅炉内部输送，可以在保证二次风口提供的空气速度比较低时依旧能够保持较强的穿透力，最终同样可以达到降低氮氧化物含量的目的[2]。
2.2旋风分离器入口整形改造
旋风分离器入口改造成流速更大的形状，则可以提高锅炉循环返料的工作效率，从而提高锅炉内部循环灰的参与，最终降低140t/h循环流化床的温度，则可以降低流化床温度过高产生的氮氧化物含量。除此之外，旋风分离器入口整形改造还可以通过增加循环灰的参与，保证锅炉内部煤与氧气充分接触燃烧，这样同样可以保证氧气的分布均匀，从而降低氧气分布不均产生的氮氧化物含量。旋风分离器入口形状改造方案如图3所示：
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图3 旋风分离器入口形状改造方案
3 140t/h循环流化床锅炉低氮燃烧改造后的运行效果
本文分别采用二次风口改造和旋风分离器入口改造方案对锅炉进行改造，然后经过运行测试，得到140t/h循环流化床锅炉低氮燃烧运行效果如图4和图5所示：
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图4 锅炉氮氧化物排放质量浓度和排烟温度
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图5 锅炉参数变化情况
根据图4可知，140t/h循环流化床锅炉低氮燃烧改造后，排烟温度有所提高，但是温度升高的幅度不大，随着负荷的升高，排烟温度只是从163℃升高到174℃；而氮氧化物排放质量浓度随着负荷的升高，从100mg/Nm3下降到90mg/Nm3，因此可以认为改造后锅炉排放氮氧化物质量浓度在90~100mg/Nm3，而改造预期目标为80~110mg/Nm3，所以该改造方案达到了预期目标。
根据图5可知，140t/h循环流化床锅炉低氮燃烧改造后，随着负荷的升高，锅炉主气温从515℃升高到528℃，旋风分离器入口温度从680℃升高到790℃，循环流化床温度从628℃升高到880℃。而改造前锅炉主气温在520℃左右，所以该改造方案对锅炉主气温影响不大；改造前旋风分离器入口温度为670℃~780℃，所以该改造方案对旋风分离器来说提高了10℃；改造前循环流化床温度为650~900℃，所以该改造方案对循环流化床来说降低了20℃。锅炉主气温不变，所以煤与氧气充分燃烧程度不变，不会产生过多的氮氧化物。流化床温度下降，则降低了流化床温度过高产生的氮氧化物含量，有利于降低锅炉总体排放的氮氧化物质量浓度，对预期目标的达到具有积极作用。
4锅炉的燃烧调整原则与建议
4.1一次风调整原则
一次风调整不能对循环返料系统进行调整，即使想要通过降低循环流化床的温度实现控制氮氧化物含量的目的，也不能改变循环物料的含量，否则会对煤的整体燃烧情况造成一定的影响，最后不能保持蒸汽的供给。因此一次风调整只能从调整给煤量和给风量两个方面进行控制，当循环流化床温度过高时，可以适当减少给煤量或者增加风量，这样可以对床温的升高起到一定的抑制作用。相反，当循环流化床温度过低时，没有发挥出锅炉的燃烧效率，此时可以增加给煤量或者减少风量，但是不能将风量降低太多，否则容易出现结焦情况。
4.2二次风调整原则
二次风调整应该在一次风调整结束后进行。一次风调整后应该保证循环流化床的流化、温度和料层阻力等参数均满足要求，这样再调整二次风才能够达到进一步降低氮氧化物质量浓度的目的。二次风应该根据锅炉总风量的情况进行调整，锅炉总风量不足，则可以在锅炉负荷较低时增加二次风量。当锅炉负荷为50%~75%时，可以通过分别调整下中下三个位置的风门开度，其中中间位置的风门开度最大，下方位置的风门开度最小，这样即可对锅炉排放的氮氧化物质量浓度进行控制。
结论：综上所述，二次风的调整对低氮燃烧的影响比较大，改造二次风的高度和风量可以在抑制氮氧化物生成的同时提高蒸汽参数。改造分离器可以通过提高细灰的循环降低温度，同样可以达到抑制氮氧化物生成的效果。本文通过改造二次风系统和旋风分离器入口的形状，可以将氮氧化物的含量降低一半以上，充分实现了低氮燃烧的效果。
参考文献：
[1]兰凤春，徐林林，孙路石.480 t/h电站循环流化床锅炉烟气超低排放改造及效果[J].吉林电力，2020，48（01）：47-50.
[2]于洁，于理，武文珏.140t/h循环流化床锅炉低氮燃烧改造与运行[J].能源研究与管理，2019（01）：109-112.