國內(nèi)首臺 600 MW 對沖燃燒鍋爐低 NOX技術(shù)改造

發(fā)電技術(shù)

國內(nèi)首臺 600 MW 對沖燃燒鍋爐低 NOX技術(shù)改造

屠小寶1， 胡偉鋒1， 徐 良1， 徐仲雄1， 戴成峰1， 應(yīng)明良2
（1.國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司， 浙江 寧波 315800；2.浙江省電力試驗研究院， 杭州 310014）

為將鍋爐低 NOX技術(shù)改造可能產(chǎn)生的負面影響減至最小， 在燃燒器改造設(shè)計中， 采用較大的主燃燒區(qū)化學(xué)當量比，降低對主燃燒區(qū)低化學(xué)當量比的依賴度和敏感度，并采取了調(diào)整受熱面和加裝磨煤機動態(tài)分離器等配套措施。 改造后鍋爐總體性能良好， NOX減排幅度達到 50%， 實現(xiàn)了預(yù)期目標。

600MW； 對沖燃燒；鍋爐；低 NOX； 技術(shù)改造

0 引言

火電廠大氣污染物排放控制問題已越來越受到世界各國的關(guān)注和重視。 我國在“十二五”期間將推行新的更加嚴格的火電廠大氣污染物排放標準，并將氮氧化物列為重點控制的污染物。應(yīng)用低氮燃燒技術(shù)和 SCR（煙氣尾部脫硝裝置）是國內(nèi)外新建電廠降低 NOX排放濃度的主要手段。 但國內(nèi)火電廠早期投運鍋爐采用的低氮燃燒技術(shù)相對落后，NOX排放濃度普遍較高， 煙煤鍋爐 NOX排放濃度通常在 600mg/Nm3以上。

火電廠早期投運鍋爐受現(xiàn)場條件的制約，增設(shè) SCR 的改造難度和工作量較大， 且減排成本較高。而低氮燃燒器改造則是一種經(jīng)濟、有效的減排方法。根據(jù)國際經(jīng)驗，通過低氮燃燒器改造使燃煤鍋爐 NOX排放濃度降低 30%～50%是可行的。 即使需要進一步降低 NOX排放濃度而增設(shè)SCR， 為降低減排成本， 預(yù)先或同步進行低氮燃燒器改造，也是發(fā)達國家首選的技術(shù)路線。

為順應(yīng)國家對火電廠大氣污染物排放控制的要求， 北侖電廠 2 號鍋爐于 2008 年機組大修期間實施并完成了國內(nèi)首臺 600 MW 對沖燃燒鍋爐低 NOX技術(shù)改造。改造后，鍋爐總體性能良好，NOX平均排放濃度低于 300 mg/Nm3，比改造前降低約 50%， 達到了國際同類電站鍋爐低 NOX燃燒技術(shù)改造的領(lǐng)先水平。

1 設(shè)備概況

北侖電廠 2號鍋爐為加拿大 B&W 公司設(shè)計制造的 600 MW 亞臨界、 自然循環(huán)、 前后墻對沖燃燒鍋爐， 原設(shè)計共配備 36 只 DRB 雙調(diào)風旋流燃燒器，在前/后墻分三層對稱布置， 各層燃燒器中心間距為 4.875m， 設(shè)計煤種為晉北煙煤。 鍋爐于 1994 年投運， 改造前 NOX平均排放濃度為600～650mg/Nm3。

鍋爐主要設(shè)計參數(shù)為： 蒸發(fā)量（BMCR）2 026 t/h； 爐膛寬度 19.51 m； 爐膛深度 17.37m； 爐膛容 積 熱 負 荷 98.3 kW/m3； 燃 燒 器 區(qū) 壁 面 熱 負 荷1.66 MW/m2； 上層燃燒器至屏底距離 19.15m。

改造的目標是鍋爐 NOX排放濃度降低至 400 mg/Nm3以下；爐膛出口飛灰含碳量不大于 3%，鍋爐效率不低于基準試驗值；鍋爐不發(fā)生明顯結(jié)渣和高溫腐蝕；鍋爐總體性能無明顯影響。

2 改造方案

改造后設(shè)計煤種采用日常燃用煤種，按大同優(yōu)混煤 ∶平朔混煤為 3∶2 和 2∶3 進行摻配， 煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 日常燃用煤質(zhì)數(shù)據(jù)

在確定改造方案時，根據(jù)鍋爐原設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)選取合適的主燃燒區(qū)化學(xué)當量比是至關(guān)重要的。 較低的主燃燒區(qū)化學(xué)當量比有利于抑制 NOX的生成，但會產(chǎn)生較大的負面影響。由于鍋爐原設(shè)計爐膛燃盡高度不足，因此在改造方案設(shè)計時采用了較大的主燃燒區(qū)化學(xué)當量比，并注重對主燃燒器分級燃燒的優(yōu)化。

主燃燒器優(yōu)化改造方案如下：

將原 B&W 公司 DRB 旋流燃燒器更換為東方鍋爐廠低 NOX雙調(diào)風旋流燃燒器，燃燒器數(shù)量和布置位置不變。在前、后墻上層燃燒器上方4.25m 處各增設(shè) 6 只燃盡風（OFA）噴口， 燃盡風占總風量的比例為 20%。 爐膛出口過量空氣系數(shù)為 1.16， 主燃燒區(qū)化學(xué)當量比為 0.928。 OFA 主要由直流風、 旋流風、 調(diào)風器及殼體等組成， OFA總風量通過風箱入口風門擋板調(diào)節(jié)，在每層燃盡風風道上配置風量測量裝置。

東方鍋爐廠低 NOX燃燒器結(jié)構(gòu)見圖1， 其主要特點是采用徑向煤粉濃縮器，獲得外濃內(nèi)淡的煤粉氣流，一次風噴口設(shè)有穩(wěn)焰齒環(huán)及一、二次風導(dǎo)向擴錐，在噴口附近獲得環(huán)型回流區(qū)和較高的一次風湍動度，以實現(xiàn)焰內(nèi)還原并提高燃燒器的低負荷穩(wěn)燃性能。

圖1 東方鍋爐廠低NOX燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

為了在較大主燃燒區(qū)化學(xué)當量比條件下達到優(yōu)良的低氮燃燒性能，對東方鍋爐廠低 NOX燃燒器和原設(shè)計進行了優(yōu)化改進。通過主燃燒器分級燃燒優(yōu)化，降低抑制 NOX生成對主燃燒區(qū)低化學(xué)當量比的依賴度和敏感度，從而達到良好的燃燒性能和低 NOX排放的綜合優(yōu)化。 優(yōu)化改進主要內(nèi)容有：燃燒器噴口通流面積和擴錐角度優(yōu)化及煤粉濃縮器優(yōu)化改進。此外，為提高燃燒器運行的可靠性和使用壽命，增設(shè)了一次風噴嘴冷卻風系統(tǒng)，并對一次風噴口材料作了改進。

在現(xiàn)場試驗基礎(chǔ)上，進行了6個方案的數(shù)值模擬計算（見表2）， 通過計算、 分析和比較， 在綜合考慮燃燒器出口流場分布、回流區(qū)分布和燃燒器內(nèi)外二次風阻力的基礎(chǔ)上，最終選取方案3進行主燃燒器優(yōu)化改進。

優(yōu)化改進后， 一次風擴錐角從 45°改為 30°，二次風擴錐角從 45°改為 35°， 濃縮器整體后移1 000mm， 一、 二級濃縮器拉開 250mm， 二次風噴口通流面積比原設(shè)計增加約 20%。 方案3 數(shù)值計算流場分布如圖2所示。燃燒器出口一次風與二次風之間有明顯的回流區(qū)，燃燒器出口中心線距噴口 1.8 m 處最大風速達到 29.7m/s， 并 迅速衰減， 有利于抑制燃燒初期 NOX生成及煤粉的穩(wěn)燃和燃盡。

表2 數(shù)值模擬計算方案

圖2 方案三數(shù)值計算流場分布

3 低氮燃燒可能產(chǎn)生的負面影響及改進措施

3.1 可能產(chǎn)生的負面影響

鍋爐低 NOX技術(shù)改造是一項系統(tǒng)工程， 不僅涉及燃燒系統(tǒng)本身，還必須對改造后可能產(chǎn)生的負面影響進行全面系統(tǒng)的分析評估，并采取相應(yīng)的技術(shù)改進措施。

根據(jù)相關(guān)文獻報導(dǎo)，低氮燃燒可能產(chǎn)生的負面影響有：

（1）由于主燃燒區(qū)缺氧燃燒， 煤粉無法燃盡，飛灰含碳量上升， 未完全燃燒損失增加[1]。

（2）主燃燒區(qū)的氧量減少， 產(chǎn)生還原性氣氛，導(dǎo)致爐膛水冷壁結(jié)焦及高溫腐蝕[2]。

（3）由于分級燃燒，火焰中心上移，鍋爐減溫水量增加[3]。

3.2 改進措施

針對鍋爐原設(shè)計爐膛高度不足、過熱器和再熱器受熱面不匹配、飛灰含碳量不穩(wěn)定等情況，在實施低 NOX技術(shù)改造時，采取了相應(yīng)的技術(shù)改進措施。

3.2.1 部分低溫過熱器置換為省煤器

鍋爐原設(shè)計存在過熱器受熱面過盈而再熱器受熱面不足的問題。在額定工況下，過熱器側(cè)煙道擋板關(guān)至低限、再熱器側(cè)煙道擋板全開時，過熱器減溫水量仍達 100～150 t/h， 而再熱汽溫則較低。低氮燃燒器改造后，爐膛火焰中心上移、燃燒器區(qū)域沾污性增強，加之在水冷壁上增設(shè)OFA 噴口并拆除部分吹灰器后， 爐膛有效吸熱面積減少，對流受熱面吸熱量增加，過熱器受熱面過盈問題更加突出。

為了使過熱器減溫水量保持在適當水平，對鍋爐原受熱面進行了調(diào)整：將鍋爐尾部煙道部分低溫過熱器置換為省煤器，置換面積為 4 735m2。制定置換方案時需關(guān)注省煤器出口水溫欠飽和問題，防止汽化。根據(jù)置換改造后的數(shù)據(jù)分析，在300～600 MW 工況時， 省煤器出口欠飽和溫差為20～40℃， 仍有一定的安全裕度。 部分低溫過熱器置換為省煤器后，過熱器減溫水量比置換前下降了 50 t/h 左右。

3.2.2 磨煤機增裝動態(tài)分離器

鍋爐低氮燃燒器改造采用分級燃燒技術(shù)，煤粉燃燒初期處于缺氧燃燒狀態(tài)，著火和燃盡時間推遲，通常會造成鍋爐飛灰含碳量上升。為提高煤粉細度和均勻性，使飛灰含碳量保持原有水平，又增裝了磨煤機動態(tài)分離器。

增裝動態(tài)分離器后，在煤質(zhì)和運行條件相同的情況下，磨煤機產(chǎn)出的煤粉細度和均勻性系數(shù)提高， 150 μm 以上的大顆粒明顯減少。 煤粉細度為R75、 R90、 R150、 R300的含量分別由原來的37.28%、26.99% 、 5.50% 、 0.24% 變 為 30.84% 、 20.38% 、2.24%、 0.05%； 煤粉均勻 性系數(shù) n 由 1.6 提高到1.66。

3.2.3 二次風量控制策略改進

為保證在不同負荷工況下主燃燒區(qū)化學(xué)當量比的穩(wěn)定性，對二次風控制策略作了改進。將總風量控制改為二次風箱壓力控制，增加鍋爐氧量控制對二次風箱壓力設(shè)定值的修正；根據(jù)燃燒調(diào)整試驗，確定最佳二次風箱壓力與負荷以及燃盡風門開度與負荷的關(guān)系曲線，并實現(xiàn)閉環(huán)控制。機組負荷與二次風箱壓力和主燃燒區(qū)化學(xué)當量比控制曲線見圖3。

圖3 機組負荷與二次風箱壓力和主燃燒區(qū)化學(xué)當量比控制曲線

4 改造前后的性能比較

實施改造前和改造后分別進行了鍋爐性能試驗，額定工況下的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)見表3。

表3 改造前、后性能試驗結(jié)果數(shù)據(jù)

完成改造 2年來的實際運行情況表明：低NOX燃燒技術(shù)改造后， 鍋爐總體性能良好； 在不同負荷工況下，主汽和再熱汽溫度均能達到設(shè)計值；飛灰含碳量和鍋爐效率與改造前持平，飛灰含碳量平均值為 3%以下， CO 含量平均值為 250 mg/Nm3以下； NOX平均排放濃度在 300mg/Nm3以下， 比改造前降低了 50%左右， 且在各種工況下 NOX排放濃度波動幅度均不大， 低氮燃燒性能穩(wěn)定；鍋爐除燃燒器區(qū)域有少量碎渣外，無明顯結(jié)渣情況；煤種適應(yīng)性與改造前基本相同；停爐檢查水冷壁無明顯減薄和凹陷等高溫腐蝕情況。

5 結(jié)論與建議

（1）實施低氮燃燒技術(shù)改造時， 要對鍋爐結(jié)構(gòu)特點、煤質(zhì)、運行情況、現(xiàn)場條件、可選取的技術(shù)改造方案有充分認識，并借鑒國內(nèi)外同類鍋爐低氮燃燒器改造經(jīng)驗，在綜合分析的基礎(chǔ)上確定合理的 NOX減排目標值。

（2）設(shè)計改造方案時要注重主燃燒器分級燃燒優(yōu)化，并采用較大的主燃燒區(qū)化學(xué)當量比，降低對主燃燒區(qū)低化學(xué)當量比的依賴度和敏感度，將低氮燃燒可能帶來的負面影響降至最小。

（3）鍋爐增設(shè)燃盡風噴口是低氮燃燒技術(shù)的主要手段之一。要充分考慮鍋爐在不同負荷工況下燃燒器與燃盡風配風比例的變化及配風的均勻性，并有一定的調(diào)節(jié)余地。

（4）對燃燒器改造后可能產(chǎn)生的負面影響要進行分析和評估，并采取相應(yīng)措施。必要時需同步或分步實施受熱面調(diào)整、磨煤機增裝動態(tài)分離器等配套措施。

（5）煤質(zhì)特性對鍋爐 NOX排放和性能影響較大。在燃燒器改造前，要選取合適煤種進行基準試驗，以獲得鍋爐基準性能數(shù)據(jù)。試驗煤種應(yīng)具有代表性，并將其作為燃燒器改造的設(shè)計依據(jù)。

[1]朱 懿 灝 ， 夏 杰.1 025 t/h 亞 臨 界 一 次 中 間 再 熱 鍋 爐 低NOX燃 燒 技 術(shù) 改 造[J].上 海 電 力 ，2010（2）∶146-150.

[2]周新雅.大型燃煤電站鍋爐低氮燃燒技術(shù)分析及應(yīng)用策 略[J].華 東 電 力 ，2003（10）∶6-12.

[3]孟 建 國 ， 元 懷 全 ， 盧 存 河 ， 等.600 MW 電 站 鍋 爐 過 熱 器減 溫水治理 策 略 及 效 果[J].華 北 電 力 技 術(shù) ，2008（6）∶30-34.

（本文編輯：龔 皓）

Low NOXTechnical Retrofit of First 600MW Cross-firing Boiler in China

TU Xiao-bao1， HUWei-feng1， XU Liang1， XU Zhong-xiong1，DAICheng-feng1， YINGMing-liang2
（1.Guodian Zhejiang Beilun No.1 Power Generation Co.， Ltd，Ningbo Zhejiang 315800， China；2.Zhejiang Electric Power Test and Research Institute,Hangzhou 310014， China）

In order tominimize the negative effect resulted from low NOXtechnical retrofit of the boiler，the high stoichiometric ratio in themain burning area is used and the dependence on and sensitivity to low stoichiometric ratio in themain burning area are lowered in the design of burner retrofit.The supportingmeasures are adopted such as adjusting heating surface and installing dynamic classifier for the coal pulverizer.The overall performance of the boiler is desirable after retrofit.NOXreduction rate reaches 50%and the goals are achieved.

600MW； cross-firing； boiler； low NOX； technical retrofit

TK223.2

： B

： 1007-1881（2011）06-0024-04

2011-03-03

屠小寶（1949-）， 男， 浙江寧波人， 碩士研究生，教授級高級工程師，長期從事鍋爐燃燒技術(shù)研究工作。