300 MW機組鍋爐低氮燃燒技術改造與性能評價

閆曉燕

300 MW機組鍋爐低氮燃燒技術改造與性能評價

閆曉燕

(太原鋼鐵（集團）有限公司規劃發展部,山西太原030003)

為了保護環境，降低運行成本，太鋼采用立體分級強穩燃、高效的水平濃縮煤粉燃燒技術對2號300 MW機組鍋爐進行了低氮燃燒技術改造。改造后的試驗及運行結果顯示，爐內NOx排放量大幅下降，鍋爐效率、飛灰中可燃物含量、CO排放等指標也有明顯提高。

鍋爐;低氮燃燒改造;NOx濃度;性能評價

1 前言

國家于2011年7月29日頒布了最新的火電廠排污標準：《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）用以取代（GB13223-2003），對火電發電企業大氣污染物排放作出了更為嚴格的規定，要求自2014年7月1日起，現有火力發電鍋爐及燃氣輪機組NOx排放量執行100 mg/m3的排放標準。為了減少脫硝裝置入口NOx含量，降低脫硝運行費用，低氮燃燒技術改造已逐漸成為火力發電企業改造的主導方向。在火力發電廠，實施燃燒控制技術和煙氣脫硝技術相結合的綜合防治措施將成為必然發展趨勢。

2 氮氧化物的生成

燃燒過程中NOx的生成量與燃料的燃燒方式，特別是燃燒溫度和過量空氣系數等燃燒條件有關。研究表明，在燃燒過程中，NOx生成的途徑主要有3個，分別為熱力型、燃料型和快速型。

(1)熱力型NOx是空氣中的氧氣（O2）和氮氣（N2）在高溫環境下發生化學反應生成的NO和NO2的總和，隨著反應溫度的升高，NOx的生成速度按指數規律增加。當溫度低于1000℃時，NOx的生成量很少，而當溫度高于1400℃，NOx生成速度急劇增大。當溫度達到1600℃以上時，熱力型NOx占NOx生成總量的25%～30%。

(2)燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃燒過程中發生熱分解，并進一步氧化而生成的，在此過程中，還存在NOx還原成N2的反應。在煤粉鍋爐中，燃料型NOx約占NOx生成總量的75%～90%，它的生成和還原與反應過程中氧的濃度、燃燒溫度及煤種的特性等密切相關。

(3)快速型NOx的生成是通過燃料在燃燒過程中產生的CH原子團撞擊N2分子，生成HCN類化合物，再進一步氧化而生成的，這個反應很快，只需60 ms，所生成的NOx量與爐膛壓力的0.5次方成正比，而與溫度的關系不大。

3 太鋼300 MW機組配套鍋爐低氮燃燒技術改造

低氮燃燒器就是通過特殊設計的燃燒器結構調整風煤比例，盡可能地降低參與燃燒的氧氣濃度，并適當降低著火區的溫度，縮短氣體在高溫區的滯留時間，以達到最大限度抑制NOx生成的目的。太鋼于2013年7月至9月期間對2#300 MW機組鍋爐進行了低氮燃燒技術改造。

3.1 改造前狀況

(1)鍋爐狀況

太鋼300 MW機組鍋爐為東方鍋爐（集團）股份有限公司生產的亞臨界、中間再熱、燃煤自然循環汽包鍋爐，型號為DG1080/17.4－Π4。燃燒設備為四角布置，切向燃燒，百葉窗式水平濃淡直流擺動式燃燒器，風、粉氣流從爐膛四角噴進爐膛，噴口中心線與爐膛中心兩個假想切圓相切，假想切圓直徑分別為Φ772和Φ681。

燃燒器上一次風噴口中心到屏底距離為17.36 m，下一次風噴口中心到冷灰斗拐點距離為4.306 m。每角燃燒器共布置15層噴口，包括有6層一次風噴口，1層頂二次風(OFA)噴口，8層二次風噴口，(其中3層布置有燃油裝置)。一次風噴口四周布置有偏置周界風，見圖1。

燃燒器風箱被隔成15層風室，各層風室分別向對應的一次風噴口（周界風）、二次風噴口和頂二次風(OFA)噴口單獨供風。各層風室之間的風量分配是通過調節各層風室入口處的風門擋板的開度來實現的。總體上仍為均等配風布置，無較大的還原區，低NOx措施有限。

(2)鍋爐燃用煤質

鍋爐燃用煤以太原西山煤為主，灰份約29%，揮發份約33%，發熱量約1.2 MJ/kg，灰份高，揮發份和發熱量低。

(3)NOx排放情況

在現有煤質運行情況下，在300 MW負荷內，脫硝裝置(SCR)入口NOx濃度680～890 mg/m3(O2= 6%)左右，通過SCR脫硝處理，鍋爐排放煙氣NOx濃度控制在130 mg/m3左右，脫硝效率為85%，再提高脫硝效率，脫硝出口氨逃逸率則會升高，有造成空氣預熱器堵塞危險。

3.2 改造方案

根據鍋爐運行現狀及燃用煤質特點，確定采用立體分級強穩燃、高效的水平濃縮煤粉燃燒技術對鍋爐進行改造，主要采用以下技術措施：

(1)采用分級送入的高位分離燃盡風系統，燃盡風噴口雙向擺動，有效控制氣溫及其偏差。

在距離最上層一次風燃燒器（F層）大約5000 mm至7000 mm處，四角增設4層共16只燃盡風（SOFA）噴嘴，見圖2。每個SOFA噴嘴均為擺動式噴嘴，可以垂直和水平方向擺動，水平方向可擺動± 10°，垂直上下擺動±15°，熱態運行時可根據鍋爐運行狀況（燃盡、NOx排放、煙溫偏差及過熱器汽溫偏差等）對燃盡噴口擺動角度進行適當調整，有效進行煙氣消旋，減少爐膛出口煙溫偏差，并保證過熱器管壁壁溫正常。各個燃盡風的供風風道均由各角二次風主風道引出，由單獨燃盡風道向各燃盡風噴口供風，保證供風阻力小。

(2)采用水平濃淡風煤粉燃燒技術，并采用噴口強化燃燒措施，保證高效燃燒，降低飛灰可燃物含量。

將B層至F層的一次風燃燒器更換為水平濃淡分離燃燒器，噴口周圍保留適當噴口面積的周界風，采用扳邊方式推遲周界風向一次風內的混入。燃燒器內安裝有高濃縮比百葉窗式煤粉濃縮器，一次風煤粉氣流在流經百葉窗濃縮葉片后被分離，形成兩股煤粉濃度不同的煤粉氣流（見圖3），其中高濃度煤粉氣流，含一次風粉中大部分煤粉，位于向火側，形成內切圓，另一股淡煤粉氣流以空氣為主，位于背火側形成外切圓。濃一次風煤粉氣流著火后，淡一次風煤粉氣流逐漸混入，有利于煤粉粒的燃燼。淡一次風煤粉氣流和側二次風在背火側噴入，在爐膛水冷壁附近形成氧化性氣氛和較低的溫度環境，可以防止結渣。

(3)采用高濃縮比、低阻力新一代煤粉濃縮技術，確保煤粉及時著火，加強燃盡效果。煤粉濃度的提高，可以降低著火點的溫度，減少著火熱，火焰傳播速度加快，有利于穩燃。

(4)采用延遲混合型一、二次風以及帶側二次風的周界風噴口設計，確保氮氧化物濃度大幅降低。

對所有二次風噴嘴進行改造，風口全部采用收縮型結構，增加一、二次風噴口之間的間距，推遲一二次風的混合。

3.3 改造后的鍋爐性能測評

在進行低氮燃燒技術改造過程中，不僅更換了原有的燃燒器，同時還增設了SOFA風噴口，改變了鍋爐結構，勢必對爐內空氣動力場、燃燒狀態及鍋爐效率等產生影響，因此需要對改造后的鍋爐性能進行綜合測評，測評采用ASME PTC4.1-1998標準

(1)測算方法

燃燒產生的NOx質量濃度、CO體積分數的計算需將煙氣中NOx、CO測量值折算為標準狀態、O2體積分數為6%，干煙氣的工況下，即：

式中：ρNOx：標準狀態，6%氧體積分數、干煙氣下NOx質量濃度，mg/m3；

VNO（μL/L）：實測干煙氣中NO體積分數%；

VO2：實測干煙氣中O2體積分數%；

0.95 ：經驗數據（在NOx中，NO體積分數）；

2.05 ：從NO的體積分數到NOx的質量濃度的轉換系數。

式中：VCO：標準狀態，6%氧體積分數、干煙氣下CO體積分數%；

V＇CO：實測干煙氣中CO體積分數%；

VO2：實測干煙氣中O2體積分數%。

η=100-（XΒ+LUC+LG+Lmf+LH+LmA+LR+Lun）

式中：η——鍋爐熱效率，%；

XΒ——輻射損失百分數，%；

LUC——未燃碳熱損失，%；

LG——干煙氣熱損失，%；

Lmf——燃料水分熱損失，%；

LH——氫生成的水的熱損失，%；

LmA——空氣中水分熱損失，%；

LR——輻射和對流熱損失，%；

Lun——不可測量熱損失，%。

(2）性能評價

鍋爐在滿負荷（300 MW）運行狀況下，SCR裝置入口前NOx濃度低于350 mg/m3；CO排放不高于30 ppm；鍋爐效率約92%；飛灰及灰渣中可燃物質量分數低于4.5%，上述指標均高過鍋爐原設計值。

4 結束語

根據性能測試結果顯示，太鋼300 MW機組鍋爐采用立體分級強穩燃、高效的水平濃縮煤粉燃燒技術進行改造后，各項指標良好，其中爐內NOx生成較改造前減少約60%，極大地減輕了SCR裝置的運行壓力，降低了鍋爐運行成本，實現了經濟效益和環境效益的雙提高。

[1]戴成峰，應明等.600MW機組四角切圓燃燒鍋爐低氮燃燒改造及其效果分析[J].中國電力，2012，45（4）：54-58

[2]劉永江，高正平，韓義等.燃燒機組低NOx燃燒技術現狀與發展前景[J].內蒙古電力技術，201—29（5：94-97.）

Performance Evaluation and Technical Transformation of Low NOx Combustion of 300 MW Unit Boiler

Yan Xiaoyan
（Planning&Development Department of Taiyuan Iron and Steel(Group)Co.,Ltd.,Taiyuan，Shanxi 030003,China）

In order to protect environment and reduce operation cost of the boiler, Taiyuan Steel carried out low-NOx transformation to its No.2 300MW boiler unit adopting stereo-staged strengthened combustion-stabilizing and high-efficiency horizontal concentrated pulverized coal technology.Test and operation results after the transformation showed that NOx emissions from the furnace have greatly reduced and the boiler efficiency,combustible content in fly ash and CO emission index were all significantly improved.

boiler;low NOx technical transformation;NOx concentration;performance evaluation

TK229

B

1006-6764（2015）01-0037-04

∶2014-09-30

閆曉燕（1974－），女，大學本科學歷，熱能動力工程師，現在太原鋼鐵（集團）有限公司規劃發展部從事能源管理工作。