600MW機組低氮燃燒器改造效果分析

焦林生 薛曉壘 金理鵬

(1.陜西神華國華錦界能源有限責任公司，陜西 榆林 719313；2.西安熱工研究院有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215011)

0 鍋爐概況

鍋爐為600MW單爐膛、∏型布置、固態排渣、全鋼架結構、平衡通風、亞臨界壓力一次中間再熱控制循環汽包鍋爐。鍋爐采用擺動式燃燒器調溫，四角布置、切向燃燒，正壓直吹式制粉系統。鍋爐原燃燒器采用四角布置，共24只切向燃燒擺動式，每只燃燒器最大出力為11.5t/h，分六層布置，每層設置4只燃燒器。在頂部燃燒器上方各設一層燃盡風和輔助風噴口。煤粉噴口、二次風噴口、燃盡風噴口均可上下擺動，用以調節再熱汽溫。

正常運行時，鍋爐NOx排放濃度在402mg/m3～609mg/m3之間，該排放濃度已無法滿足環保和國家火力發電政策的要求[1]。為響應國家“節能減排”政策號召，電廠對3號鍋爐進行了低NOx燃燒系統改造。

表1 鍋爐主要設計參數Tab.1 Major design parameters of the boiler

1 改造方案

對燃燒器進行重新布置，改變假想切圓直徑，調整各層煤粉噴嘴的標高和間距，增加新的燃盡風組件以增加高位燃盡風量（改造后燃燒器見圖1）；除了A層一次風沿用等離子燃燒器之外，更換其它5層一次風噴口、噴嘴體及彎頭，一次風全部采用上下濃淡、中間帶穩燃鈍體的燃燒器；采用新的二次風室，適當減小端部風室、油風室及中間空氣風室的面積；在湊燃盡風室兩側加裝貼壁風；采用節點功能區技術，在兩層一次風噴口之間增加貼壁風。

圖1 燃燒設備布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the burner layout

下端部風及一次風仍舊為逆時針方向旋轉，切圓適當減小；其它二次風改為與一次風小角度偏置，順時針反向切入，形成橫向空氣分級。風量重新合理分配，并調整主燃燒器區一二次風噴口面積，使一次風速滿足入爐煤種的燃燒特性要求，主燃燒器區的二次風量適當減小，形成縱向空氣分級。燃燒器采用新的擺動機構，可以整體上下擺動。

在原主燃燒器上方約9米處增加7層分離燃盡風SOFA噴口，分配足量的SOFA燃盡風量，SOFA噴口可同時做上下左右擺動。

1.1 燃燒器縱向布置

燃燒器由下至上依次為：AA二次風、A一次風 （等離子燃燒器）、AB二次風（油）、B一次風、BC二次風（帶貼壁風）、C一次風、CD二次風（油）、D一次風、DE 二次風（帶貼壁風）、E 一次風、EF二次風（油）、F一次風、FF二次風 （帶貼壁風）、OFA二次風 （帶貼壁風）、WA貼壁風、SOFA1～ SOFA7。

1.2 燃燒器橫向布置

在水平斷面上，一次風射流在爐內形成φ514和φ779的兩個大小切圓，二次風射流與一次風射流偏置7°，防結渣及降低NOx排放。燃盡風組件布置在主燃燒器上方。

圖2 燃燒器切圓示意圖Fig.2 Schematic diagram of the burner firing

1.3 改造前后設計參數對比

表2 燃燒器改造前后設計參數Tab.2 The design parameters before and after the retrofit

2 燃燒調整試驗

鍋爐低氮燃燒器改造后，爐膛內部整體燃燒狀況發生了較大變化，為了解燃燒器的改造效果，掌握鍋爐及其輔機在各種運行工況下的特性，確保鍋爐在最佳的安全、經濟狀態下運行，需要對鍋爐進行詳細的燃燒調整試驗。

整個調整工況包括變一次風率、變煤粉細度、變氧量、變配風（包括周界風、SOFA風和輔助風）、變燃燒器擺角、變磨組合等工況，幾乎包括了爐側所有的可調因素，每個燃燒調整工況均對飛灰、爐渣進行了采集，同時觀察減溫水量及汽溫變化，實測煙氣成分及排煙溫度，并得出每個工況的實測鍋爐效率以及NOx排放濃度，以便對燃燒器改造后鍋爐的安全性、經濟性和環保特性作出定性評估和量化分析。

燃燒調整試驗依據ASME PTC 4.1《鍋爐性能試驗規程》進行[2]，煤的熱值取低位發熱量，灰渣平衡比率取飛灰90%，爐底大渣為10%。

爐內溫度利用現有看火孔，使用IS8 plus便攜式紅外測溫儀進行測試。試驗煤質特性見表3。

表3 試驗煤質特性分析Tab.3 Performance analysis of the coal

3 試驗結果

試驗主要在600MW、450MW和350MW負荷點下進行，每個負荷點下確定出鍋爐的最佳運行狀態。各典型工況下機組主要運行參數與測試結果見表4。

表4 燃燒器改造前后試驗結果Tab.4 Experimental results the before and after the burner retrofit

3.1 NOx排放特性

燃燒器改造后，通過燃燒優化調整，逐步降低主燃燒區域的過量空氣系數，增加分級燃燒的效果[3-4]，SCR系統入口NOx排放濃度較改造前有了大幅下降，詳見圖3。

600MW負荷下，鍋爐最優狀態時NOx排放濃度（干基，折算到6%O2）由改造前的 609mg/Nm3（標準狀態，下同）降至 135mg/Nm3，降幅達77.8%；450MW 負荷下，NOx排放濃度由改造前的 495mg/Nm3降至128mg/Nm3，降幅達74.1%；350MW～380MW負荷下，NOx排放濃度由改造前的402mg/Nm3降至132mg/Nm3，降幅達67.2%。通過燃燒器改造，全負荷工況下，NOx排放濃度平均降幅約70%，低氮改造效果非常明顯。

圖3 NOx排放濃度分布圖Fig.3 Distribution about concentration of NOxemission

SCR系統入口NOx濃度的降低，可以有效緩解SCR系統的壓力，根據最新的國家環保標準 （NOx排放濃度小于100mg/Nm3），SCR系統僅需30%～40%的脫硝效率即可滿足環保要求，大大減少了尿素用量，節約了SCR系統的運行成本。

600MW負荷下，SCR入口實測NOx排放濃度最低可降至117mg/Nm3，但此時過熱器減溫水量上升至130t/h，再熱器減溫水量上升至145t/h，飛灰含碳量增加到1.94%，SCR入口CO含量約805ppm，鍋爐燃燒狀況較差。

降低NOx排放濃度與減小減溫水量、降低飛灰含碳量之間相互制約，在鍋爐最佳運行狀態下（NOx排放濃度、減溫水量和鍋爐效率達到最佳平衡點），若想繼續降低NOx排放濃度，勢必會導致減溫水量增加、鍋爐效率下降。

3.2 汽溫特性

該鍋爐長期以來存在冷再溫度高的問題（比設計值高12℃左右），導致機組正常運行時，再熱器減溫水量偏高，高負荷下，機組再熱器減溫水量約35t/h。

低氮燃燒器改造后，由于分級燃燒程度增加，鍋爐火焰中心上移，在一定程度上會導致減溫水量進一步增加。通過燃燒優化調整試驗，在兼顧NOx排放濃度的基礎上，過熱器減溫水量及再熱器減溫水量均比改造前增加了10t/h左右，沒有出現因低氮改造而導致減溫水量大幅上升的情況。

3.3 鍋爐效率

低氮燃燒器改造后，由于燃燒推遲，鍋爐火焰中心上移，在磨煤機磨輥加載壓力和折向門門擋板未做調整，即煤粉細度不變的情況下，勢必會導致飛灰含碳量上升，鍋爐未燃碳熱損失增加。

在不影響磨煤機出力及大幅增加制粉單耗的情況下，通過適當降低煤粉細度，并配合風門的調整，各負荷工況下，鍋爐飛灰含碳量均可以控制在1%左右，鍋爐未燃碳熱損失較改造前沒有明顯上升，鍋爐效率基本維持在改造前的水平。

3.4 爐膛溫度及結焦情況

為了了解燃燒器改造后爐膛內部溫度場的變化情況，試驗期間通過爐膛看火孔測試了爐內燃燒溫度，同時觀察并記錄燃燒器區域和屏區的結焦情況。

從表5可以看出，燃燒器改造后，燃盡風門整體關小工況下的爐內溫度分布情況與燃燒器改造前的分布情況相近。隨著燃盡風比例的增加，爐膛上部火焰溫度逐漸上升，當燃盡風門整體開大時，爐膛上部大屏處溫度比燃燒器改造前上升了約100℃，證明燃燒器改造后，隨著燃盡風的投入，爐膛火焰中心上移，由此，勢必會導致爐內各受熱面的換熱發生變化。

表5 爐膛火焰溫度Tab.5 Flame temperature distribution in furnace

由于神木錦界煤屬于低熔點、易結焦煤種 （其軟化溫度僅約1210℃），再加上低氮燃燒器改造后，爐內主燃燒區域處于缺氧燃燒狀態，極易導致爐內結焦情況發生，因此，試驗期間密切觀察了爐內的結焦狀況。通過觀察發現，在看火孔附近有輕微的結焦情況，爐內受熱面上僅有少量的附焦，與燃燒器改造前的情況相似，這反映出低氮燃燒器改造并未造成爐內大量結焦的情況發生。

4 結論

（1）鍋爐低氮燃燒器改造后，全負荷工況下，SCR入口實測NOx排放濃度均能控制在140mg/Nm3以內，與燃燒器改造前的402mg/m3～609mg/m3相比，平均降幅達70%左右，低氮改造效果非常明顯。

（2）低氮燃燒器改造后，由于分級燃燒程度增加，鍋爐火焰中心上移，過熱器減溫水量及再熱器減溫水量均比改造前增加了10t/h左右。

（3）低氮燃燒器改造后，通過燃燒調整試驗，各負荷工況下，飛灰含碳量均可以控制在1%左右，鍋爐未燃碳熱損失較改造前沒有明顯上升，鍋爐效率基本維持在改造前的水平。

（4）通過燃燒調整試驗，低氮燃燒器改造后的鍋爐在NOx排放濃度、減溫水量和鍋爐效率方面可達到最佳平衡點。降低NOx排放濃度與減小減溫水量、降低飛灰含碳量之間相互制約，在鍋爐最佳運行狀態下，若想繼續降低NOx濃度，勢必會導致減溫水量增加、鍋爐效率下降。

［1］GB 13223-2011火電廠大氣污染物排放標準[S].GB 13223-2011 Emission standards of air pollutants for thermal power plants[S].

［2］ASME PTC 4.1鍋爐性能試驗規程 [S].ASME PTC 4.1 Performance test code for utility boiler[S].

［3］馮兆興.高揮發分煤種電站鍋爐高效低NOx排放系統研究[D].石家莊：華北電力大學，2007.FENG Zhaoxing.Study on high efficiency and low NOxemission system of system of high volatile coal fired power plant boiler[D].Shijiazhuang:North China Electric Power University,2007.

［4］魯鵬飛.某600MW機組煙煤鍋爐低NOx改造及效果分析[J].陜西電力，2013,41(2):84-87.LU Pengfei,Low NOxretrofit for certain 600 MW bituminouscoal boiler and performance analysis[J].Shaanxi Electric Power,2012013,41(2):84-87.