600MW鍋爐低NOx燃燒系統及磨煤機旋轉分離器改造技術分析

徐 揚，張純潔，王國清

(1.華電能源股份有限公司哈爾濱第三發電廠，哈爾濱150024;2.華能鶴崗發電有限公司，黑龍江鶴崗154109)

近年來，中國全面開展了工業氮氧化物污染防治工作，要求新建火電廠必須同步建設脫硝裝置。根據《火電廠大氣污染物排放標準》［1］，從2014年1月1日開始，要求重點地區所有火電投運機組NOx排放量達到100 mg/Nm3，而非重點地區2003年以前投產的機組達到200 mg/Nm3。華電能源股份有限公司哈爾濱第三發電廠(以下簡稱哈三電廠)600 MW機組鍋爐大量摻燒褐煤后，現NOx排放量達到700 mg/Nm3以上(嚴重超過NOx排放量標準100 mg/Nm3)，爐內脫硝改造成為緊迫任務。因此，為了降低NOx排放量，本文闡述了哈三電廠600 MW機組鍋爐高效超低NOx排放設備技術改造的過程，使旋轉分離器動態特性能夠滿足磨煤機對煤粉細度調整的需要，磨煤機旋轉分離器實現了自動方式運行，降低了NOx排放濃度。

1 鍋爐概況

哈三電廠3號爐為HG－2008/18.2－YM2型、亞臨界壓力、一次中間再熱、強制循環汽包爐，鍋爐設計燃料為煙煤，采用平衡通風、四角雙切圓懸浮燃燒，配有正壓直吹式制粉系統、擺動式燃燒器。

鍋爐的最大連續蒸發量為2 008 t/h。鍋爐爐膛設計為18 542 mm×16 432 mm長方形爐膛。鍋爐主要性能規范如表1所示。

該爐制粉系統采用正壓直吹式，配有6臺RP碗式中速磨煤機(5臺運行，1臺備用)。磨煤機采用CE公司技術由上海重型機械廠生產制造的碗式中速磨煤機，煤粉細度R90=25%。原煤由煤斗經電子重力式皮帶給煤機通過磨煤機頂部中心落煤管進入磨內，熱風從磨本體下部3個風口進入磨碗內與原煤混合并干燥原煤。原煤在轉動的磨碗與磨輥之間被碾碎，被碾碎的煤粉由熱風攜帶經外錐體向上進入分離器進行煤粉分離，合格的煤粉經一次風管、噴燃器進入爐膛，不合格的煤粉經分配器均勻后與原煤一起落入磨碗內重新碾磨。

表1 鍋爐主要性能規范

鍋爐為單爐膛結構，燃燒器為四角布置擺動式，雙切圓燃燒。每只燃燒器共有15層風室和29個噴嘴，一次風噴嘴可上下擺動±27°，二次風噴嘴可上下擺動±30°，頂部風噴嘴可向上擺動30°，向下5°，用以調節再熱汽溫，所有煤粉噴嘴設有周界風，用擋板控制風量，以保證穩定高效的燃燒。

該爐燃煤以煙煤和俄羅斯煤為主，再摻燒一定量的褐煤，以一般粒徑煤粉(R90=28.0%)為測試煤粉，混煤煤質分析如表2所示。

表2 煤質分析表 %

2 設備改造方案

針對哈三電廠600 MW燃煤機組3號鍋爐(大量摻燒褐煤)實際情況，鍋爐NOx排放確定目標如下:

1)使磨煤機在相同工況條件下，磨煤出力提高8%以上，煤粉均勻性指數n≥1.2，保證煤粉燃燒充分，燃盡率高，提高鍋爐效率。

2)延長鍋爐燃燒系統煤粉燃燒器的使用壽命，保證機組穩定運行。

3)使氮氧化物排放量從現有的700 mg/Nm3降到300 mg/Nm3以下，并保證鍋爐的其它性能。

2.1 燃燒器改造

針對哈三電廠3號600 MW燃煤機組鍋爐特點、燃料燃燒特性、運行特點以及存在的問題，對鍋爐狀態進行全面診斷，分析問題的原因，采用立體多級超低氮燃燒技術［2－3］，利用哈爾濱博深科技發展有限公司黑龍江省電站燃燒設備工程技術研究中心的煤燃燒特性研究條件確定現場燃煤的最佳參數，結合哈爾濱博深科技發展有限公司多年在燃燒系統設計和改進方面積累的經驗提出技術方案，通過鍋爐熱力參數的計算、CFD燃燒數值模擬優化燃燒系統設計，確定最佳參數和結構，高效降低NOx排放，確定采用濃淡煤粉燃燒技術與爐內空氣垂直多級燃燒相結合形成的立體多級超低NOx排放燃燒技術，以提高鍋爐低負荷運行的能力。垂直濃淡煤粉燃燒器能利用煤粉進入燃燒器一次風噴嘴體后經濃縮器的分離作用，將一次風氣流分離成濃淡兩部分，兩部分之間用水平隔板分開，燃燒器出口處設有帶波紋型的穩燃鈍體。濃相氣流的煤粉濃度高，著火特性好，即使在低負荷情況下，濃相氣流的風煤比也能保持著火特性不會明顯惡化。鈍體形成的高溫煙氣回流區又充分為煤粉著火提供了熱源，這兩者的結合為低負荷穩燃提供了保證。

2.2 磨煤機改造

將磨煤機出口分離器改造為動態旋轉分離器，動態旋轉分離器可以改善煤粉細度，提高煤粉燃燼率，提高燃料熱效率，改善鍋爐燃燒狀況。動態旋轉分離器的設計適用于研磨低揮發分煤等劣質煤(或磨煤機的研磨能力下降時，使系統能夠處于常規狀態)，完成出力調節或者改型為低NOx排放。動態旋轉分離器有效地減少了細煤粉在磨煤機內部的循環次數，大大提高了研磨效率和磨煤機能力。

哈三電廠600 MW機組3號鍋爐在大量摻燒褐煤條件下進行鍋爐高效超低NOx排放技術改造后，燃燒系統經過調試，有效改善了四角切圓鍋爐的運行性能，高效超低了NOx排放，同時利用磨煤機旋轉分離器保證了煤粉細度及均勻性，使煤粉高效燃燒，爐內不結渣，無高溫腐蝕，具有寬廣煤質適應性，為保證鍋爐經濟運行打下良好基礎［4］。

3 設備改造后的試驗效果

為了降低3號爐NOx排放濃度，哈三電廠在2011年大修工作中，采用哈爾濱博深科技發展有限公司的低NOx燃燒技術進行3號鍋爐燃燒器改造。為全面掌握燃燒器改造后機組實際的NOx排放量與鍋爐熱效率，哈三電廠委托西安熱工研究院有限公司和黑龍江省電力監督檢測中心對3號機組改造后進行鍋爐性能試驗［5］。由于中國煤炭供選率較低、運輸能力不足以及對鍋爐燃燒設備燃用劣質煤的政策等原因，造成用煤企業大量燃用混煤［6］，因此選用不同煤種對3號鍋爐NOx排放結果進行測量、分析。

燃燒器調整試驗:鍋爐燃煤方式共有3種。第一種為D、E、F磨煤機為褐煤，A、B、C 磨煤機為俄羅斯煤;第二種為 D、E、F磨煤機為煙煤，A、B、C 磨煤機為褐煤;第三種為6臺磨煤機全部為煙煤。由于褐煤揮發分較高，因此磨制褐煤的磨煤機出口溫度按50～60℃控制。磨制煙煤的磨煤機出口溫度按70～80℃控制。選擇了6種工況進行試驗。除工況六以外，其它工況磨煤機旋轉分離器全部為自動方式。工況六A、B、C磨煤機旋轉分離器為自動方式，D、E、F磨煤機轉速為75 r/min。二次風配風方式分為均等配風、上大下小的倒塔形配風、濃相風門開度較小、稀相較大的配風等。氧量和二次風大風箱總風門的調整:氧量為2.3%、2.1%、1.7%，二次風大風箱總風門開度為100%、45%、25%、10%。燃燒器擺角大(基本在40%左右)，過熱器減溫水投入自動，送風機風量根據氧量進行調整。燃燒器擺角和減溫水主要根據汽溫調整的需要進行調整，爐膛風箱差壓由氧量和各二次風門開度進行確定。爐膛負壓按－100 Pa左右進行控制。

下面是各主要工況試驗數據:

工況一:A、B、C 磨煤機為俄羅斯煤，D、E、F磨煤機為褐煤，氧量2.7%，大風箱總風門25%，燃料風門開度在30%，輔助風門開度在40%左右。兩側NOx濃度可以降低到320 mg/Nm3左右。

工況二:A、B、C 磨煤機為褐煤，D、E、F磨煤機為俄羅斯煤，氧量2.9%，大風箱總風門25%，燃料風門開度在20%，輔助風門開度為30%～50%。兩側NOx濃度可以降低到310 mg/Nm3左右。

工況三:A、B 磨煤機為俄羅斯煤，C、D、E、F磨煤機為褐煤，氧量3.2%，大風箱總風門10%，燃料風門開度在20%，輔助風門開度為40%～60%。兩側NOx濃度可以降低到270 mg/Nm3左右。

工況四:A、B、C 磨煤機為褐煤，D、E、F磨煤機為煙煤，氧量2.7%，大風箱總風門10%，燃料風門開度在20%，輔助風門開度為50%～60%。兩側NOx濃度可以降低到310 mg/Nm3左右。

工況五:A、B、C 磨煤機為褐煤，D、E、F磨煤機為煙煤，氧量1.7%，大風箱總風門10%，燃料風門開度在20%，輔助風門開度為50%～60%。兩側NOx濃度可以降低到270 mg/Nm3左右。

工況六:A、B 磨煤機為俄羅斯煤，C、D、E、F磨煤機為褐煤，氧量2.3%，大風箱總風門10%，燃料風門開度在20%，輔助風門開度為50%～60%。兩側NOx濃度可以降低到240 mg/Nm3左右。

可見，調整前兩側NOx濃度基本在410 mg/Nm3左右，經過對氧量和二次風大風箱總風門、二次風各風門的調整，各煤種下兩側NOx濃度可以降低到270 mg/Nm3左右。各二次風門開度對NOx濃度的影響不大，對NOx排放濃度影響較大的主要是二次風大風箱總風門開度和氧量。

磨煤機在給煤量45～48 t/h時，分離器轉速分別在 0、54、61、65、75 r/min 轉速下，進行試驗。煤粉細度、單耗與分離器轉速關系曲線如圖1所示。

圖1 磨煤機給煤量45～48 t/h時煤粉細度、單耗與分離器轉速關系曲線

從圖1可以看出，隨著分離器轉速的升高，煤粉細度R90有下降趨勢，轉速從0升至75 r/min，R90從30.84%逐漸降至20.33%，單耗從5.78 kW·h/t升至5.95 kW·h/t，但在54 r/min時單耗較低，單耗為5.88 kW·h/t，R90為26.88%，運行狀態較理想。

磨煤機分離器轉速維持在54 r/min時，給煤量取40 t/h、45 t/h、48 t/h，煤粉細度、單耗與給煤量關系曲線如圖2所示。

圖2 磨煤機在分離器轉速54 r/min時煤粉細度、單耗與給煤量關系曲線

從圖2可以看出，在同一分離器轉速下，隨著給煤量增加，磨煤機單耗逐漸增大，煤粉細度R90逐漸減小，單耗從5.82 kW·h/h逐漸增至5.92 kW·h/h，R90從30.11%降至26.32%。

在磨煤機磨制常規煤種的工況下，繪出不同給煤量下分離器轉速與煤粉細度的關系特性曲線，以及在同一給煤量下不同轉速與煤粉細度的關系曲線。通過對磨煤機分離器的性能試驗，綜合考慮煤粉細度與單耗，確定了磨煤機分離器的最佳運行曲線。

4 改造實施后設備的運行狀況及出現的問題

哈三電廠3號機組于2011年10月28日整體啟動，燃燒器正常投入運行，由于項目設計中沒能充分考慮原有密封風系統狀況，致使密封風壓力不能滿足磨煤機旋轉分離器運行，磨煤機旋轉分離器暫時采取緊固密封的措施沒有投入運行。密封風系統改造于2011年底完成，磨煤機旋轉分離器投入運行，設備運行正常，投運后熱試組對各臺磨煤機的旋轉分離器分別進行了調整試驗。磨煤機旋轉分離器總體上達到了設計要求，煤粉均勻性較好，旋轉分離器動態特性可以滿足磨煤機對煤粉細度調整的需要，目前各磨煤機旋轉分離器均為自動方式運行。汽溫等運行參數和NOx排放濃度基本滿足設計要求。燃燒器擺角對汽溫的調節作用很明顯，通過調整燃盡風門和二次風大風箱總風門、控制氧量可以達到降低NOx排放濃度的作用［7］，如表3所示。

表3 大風箱總風門開度與NOx排放濃度關系

設備改造后出現的問題及解決措施如下:

1)磨煤機在運行過程中，旋轉分離器減速箱上蓋存在局部漏油問題，經過對減速箱上蓋密封面進行重新密封，解決了局部漏油問題。

2)鍋爐使用煤質惡劣，造成磨煤機旋轉分離器內部中心筒、混合室、動葉出口邊緣、出口位置管段磨損嚴重，導致密封間隙逐漸擴大，密封風壓力下降。在鍋爐臨檢時對上述部位加裝耐磨陶瓷強制防磨措施，解決了密封間隙擴大問題。

5 結論

1)哈三電廠3號鍋爐爐內脫硝改造后，經過試驗調整，磨煤機旋轉分離器達到了設計要求，煤粉均勻性較好，旋轉分離器動態特性可以滿足磨煤機對煤粉細度調整的需要，磨煤機旋轉分離器實現了自動方式運行。

2)燃燒器改造有利于汽溫等運行參數的調整和NOx排放濃度的降低，滿足了設計要求。燃燒器擺角對汽溫的調節作用很明顯，調整燃盡風門、二次風大風箱總風門和控制氧量可以降低NOx排放濃度。

3)NOx排放濃度降低300 mg/Nm3左右，鍋爐效率沒有降低(與改造前相比)，本次爐內脫硝改造基本達到了預期的效果。

［1］GB13223－2011，火電廠大氣污染物排放標準［S］.

［2］張成恩.分級燃燒技術的應用［J］.鍋爐技術，1998(6).

［3］安恩科，于娟.低NOx燃燒器與常規直流煤粉燃燒器的NOx生成特性的研究［J］.動力工程，2006(6).

［4］范從振，鍋爐原理［M］.北京:水利電力出版社，1986.

［5］杜利梅，閆承先，劉珊伯.600 MW四角切圓鍋爐低NOx燃燒器改造試驗研究［J］.黑龍江電力，2012(5).

［6］姚強，岑可法，施正倫，等.多煤種配煤特性的試驗研究［J］.動力工程，1997，17(2):16 －20.

［7］李永華，李松庚，馮兆興，等.褐煤及其混煤燃燒NOx生成的試驗研究［J］.中國電機工程學報，2001，21(8):34 －37.