超高壓鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)改造和性能考核試驗(yàn)簡(jiǎn)析

董建（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎|濟(jì)南250013）

超高壓鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)改造和性能考核試驗(yàn)簡(jiǎn)析

董建
（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎|濟(jì)南250013）

介紹了某電廠采用復(fù)合空氣分級(jí)燃燒技術(shù)對(duì)超高壓鍋爐進(jìn)行低氮燃燒系統(tǒng)改造的案例。經(jīng)性能考核試驗(yàn)證實(shí)，改造后降低污染物NOx排放超過50%，保持鍋爐效率基本不變，為同類鍋爐的改造提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

超高壓鍋爐；低氮燃燒系統(tǒng)；復(fù)合空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

目前，大氣環(huán)境污染的形勢(shì)越來越嚴(yán)峻，國(guó)家環(huán)保部于2011年發(fā)布了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定燃煤鍋爐排放的煙塵、二氧化硫、氮氧化物（NOx）將逐步在重點(diǎn)地區(qū)執(zhí)行20mg/m3、50 mg/m3和100mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)。環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，對(duì)于現(xiàn)役機(jī)組必須進(jìn)行技術(shù)改造。

本文重點(diǎn)關(guān)注NOx減排的問題，目前電站鍋爐主要的NOx減排技術(shù)包括：低氮燃燒技術(shù)、選擇性催化還原技術(shù)（SCR）和非選擇性催化還原技術(shù)(SNCR)。其中低氮燃燒技術(shù)是通過對(duì)燃燒過程中的燃料和空氣進(jìn)行優(yōu)化配置達(dá)到從源頭減少NOx產(chǎn)生的目的；而后兩種是采用氨水或者尿素作為還原劑，在合適的溫度窗口將煙氣中的NOx還原成N2，這兩種技術(shù)由于消耗還原劑，尤其是SCR技術(shù)要采用昂貴的催化劑，運(yùn)行成本比較高。因此為了降低運(yùn)行成本，一般電廠首先都要進(jìn)行低氮燃燒改造，然后再配置SCR或SNCR技術(shù)，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保指標(biāo)。在低氮燃燒改造過程中經(jīng)常遇到的技術(shù)難題是不能兼顧鍋爐效率，有的鍋爐改造后達(dá)到了降低NOx排放的目的，但同時(shí)也降低了鍋爐效率。本文介紹一個(gè)兼顧降低NOx排放又不影響鍋爐效率的改造案例。

1　鍋爐基礎(chǔ)情況

某電廠#4號(hào)機(jī)組鍋爐系上海鍋爐廠有限公司制造的超高壓中間再熱自然循環(huán)鍋爐，型號(hào)為SG-420/13.7-M753，平衡通風(fēng)，π型爐膛布置，四角切圓燃燒，固態(tài)排渣方式。爐膛寬9600mm，深9323mm。該鍋爐自投運(yùn)以來，省煤器出口NOx排放濃度一直維持在700mg/Nm3(O2=6%)左右，無法滿足最新的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。為降低NOx排放，計(jì)劃加裝SCR脫硝設(shè)備配合進(jìn)行低氮燃燒器改造，本文重點(diǎn)介紹該鍋爐低氮燃燒器改造的情況。

鍋爐燃燒系統(tǒng)基本情況：制粉系統(tǒng)采用中間儲(chǔ)倉(cāng)、乏氣送粉式制粉系統(tǒng)。燃燒器采用正四角布置，切向燃燒。一次風(fēng)噴嘴分四層布置。一、二次風(fēng)噴嘴均由耐熱耐磨鑄鋼及不銹鋼板制成，除最上的噴嘴用手輪擺動(dòng)，下二次風(fēng)及下一次風(fēng)的噴嘴不擺動(dòng)外，其余噴嘴有電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)可作整組擺動(dòng)。四個(gè)角上同一層噴嘴的擺動(dòng)角度一致，保證爐內(nèi)有穩(wěn)定的空氣動(dòng)力工況。

2　低氮燃燒器改造

2.1改造目標(biāo)

本次改造后保證在燃用目前運(yùn)行煤種條件下，經(jīng)過改造后，可達(dá)到以下性能指標(biāo)。

（1）在50%～100%ECR工況下，NOx排放濃度在省煤器出口小于350mg/Nm3（以NO2計(jì)，折算O2=6%），鍋爐效率不小于91.8%。

（2）鍋爐改造后，通過適當(dāng)?shù)娜紵{(diào)整，可使CO排放濃度不大于100μL/L，飛灰可燃物不高于2%，爐渣含碳量不大于5%。

（3）燃燒器改造后主蒸汽、再熱蒸汽溫度保持設(shè)計(jì)值，減溫水不超過設(shè)計(jì)值，應(yīng)具有良好的煤種適應(yīng)性，在常規(guī)燃煤范圍內(nèi)，保證鍋爐不發(fā)生結(jié)焦和腐蝕現(xiàn)象。

2.2改造方案

改造采用復(fù)合空氣分級(jí)低NOx燃燒技術(shù)，可充分降低鍋爐的NOx排放且兼顧鍋爐效率，具體改造方案制定如下。

（1）將主燃燒器的一、二次風(fēng)噴嘴進(jìn)行更換，更換一次風(fēng)噴嘴周界風(fēng)、二次風(fēng)噴嘴的通流面積，保持一定的二次風(fēng)風(fēng)速，爐內(nèi)合理的空氣動(dòng)力場(chǎng)。外部接口與原主燃燒器的外部接口相同，原有主燃燒器箱殼及水冷套、大風(fēng)箱、剛性梁、火檢裝置、油系統(tǒng)基本不變。需增加以下設(shè)備：在每個(gè)角4只一次風(fēng)/煤粉噴嘴、5只二次風(fēng)噴嘴上裝設(shè)9只熱電偶固定裝置。

（2）在主燃燒器上部區(qū)域增加一段分離燃盡風(fēng)（AGP），布置三層噴嘴，燃盡風(fēng)量占總風(fēng)量的30%。這樣使得主燃燒器區(qū)域形成了還原性氣氛，抑制氮氧化物的生成。三層AGP噴嘴可通過一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作水平方向±15°的調(diào)節(jié)（左右擺動(dòng)），這種左右擺動(dòng)調(diào)節(jié)是手動(dòng)的機(jī)械調(diào)節(jié)，可以在燃燒器組件外部進(jìn)行而無需停機(jī)或停燃燒器層，用于消除爐內(nèi)煙氣的殘余旋轉(zhuǎn)，降低爐膛兩側(cè)的煙溫偏差。

（3）更換全部二次風(fēng)門擋板：采用上鍋新型二次風(fēng)門擋板，實(shí)現(xiàn)各段風(fēng)量的精確控制。

改造方案的示意圖如圖1所示；改造后的B-MCR工況下的過量空氣系數(shù)的分布如圖2所示。

圖1　改造后燃燒器布置示意圖

圖2　改造后B-MCR工況下的過量空氣系數(shù)的分布

2.3改造原理分析

煤粉燃燒過程中，氮氧化物生成途徑主要有以下3種：（1）空氣中的氮?dú)獗桓邷匮趸傻臒崃π蚇Ox；（2）燃料中的含氮化合物在燃燒過程中進(jìn)行熱分解繼而進(jìn)一步被氧化而成的燃料型NOx；（3）空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)等反應(yīng)生成的快速型NOx。本文案例中的鍋爐燃燒溫度低于1500℃，產(chǎn)生的主要是燃料型NOx。控制燃料型NOx的主要原則為：降低過量空氣系數(shù)和氧氣濃度，使煤粉在缺氧條件下燃燒。燃料型NOx的形成主要集中于燃料的著火階段，這時(shí)煤粉熱解產(chǎn)生大量的揮發(fā)成分，如果氧氣充足，它們將迅速生成NOx；如果氧氣不足，則氮?dú)獾男纬傻玫綇?qiáng)化，NOx的形成受到抑制。而這一原則與煤粉爐降低飛灰含炭量，提高燃盡率的原則相矛盾，所以在對(duì)鍋爐進(jìn)行改造時(shí)，應(yīng)綜合全面考慮[2]。

爐內(nèi)空氣分級(jí)燃燒就是根據(jù)這一原理，通過改變送風(fēng)方式，控制爐內(nèi)空氣的分布，使煤在著火階段缺氧，即在燃燒器出口和燃燒中心區(qū)域造成還原性氣氛，從而降低NOx的生成量，未燃盡的炭粒將在爐膛上部的燃盡區(qū)與燃盡風(fēng)混合并完全燃燒，其中燃盡風(fēng)由主燃空氣分流而來，并通過爐膛上部燃盡風(fēng)噴口噴入燃盡區(qū)。如圖2所示，本改造方案在主燃區(qū)的過量空氣系數(shù)為0.815，營(yíng)造了缺氧的還原性氣氛，可有效降低燃料型NOx的生成；在主燃區(qū)上部設(shè)置的燃盡區(qū)補(bǔ)入缺少的空氣，使整體的過量空氣系數(shù)達(dá)到1.25，確保燃料的燃盡，避免降低鍋爐效率。

3　改造后的性能測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證改造的效果，該電廠委托具備資質(zhì)的機(jī)構(gòu)在2014年7月對(duì)該鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒器改造后的性能考核試驗(yàn)。試驗(yàn)期間的煤質(zhì)與設(shè)計(jì)煤種相差不大，如表1所示，改造后經(jīng)過調(diào)試確定的風(fēng)門開度如表2所示，主要試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表1　試驗(yàn)期間的煤質(zhì)情況

表2　試驗(yàn)期間風(fēng)門開度

表3　主要試驗(yàn)結(jié)果

從表3所示的考核試驗(yàn)結(jié)果來看，鍋爐的NOx排放濃度達(dá)到了低于350mg/Nm3的改造目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了高于50%的脫硝效率，達(dá)到了此次改造的主要目標(biāo)。機(jī)組發(fā)電負(fù)荷和鍋爐主蒸汽流量可達(dá)到設(shè)計(jì)出力；在確保主蒸汽溫度保持設(shè)計(jì)值的情況下，減溫水未超量，再熱蒸汽溫度也達(dá)到了改造目標(biāo)；代表化學(xué)未完全燃燒損失的CO濃度和代表機(jī)械未完全燃燒損失的飛灰可燃物和爐渣可燃物含量都達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，說明主燃燒風(fēng)和燃盡風(fēng)的配置合理，燃料完全燃燒；鍋爐效率高于預(yù)期目標(biāo)，說明此次改造在確保降低NOx排放的同時(shí)，鍋爐燃燒、爐內(nèi)換熱等保持正常狀態(tài)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

［1］GB13223-2011.火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］董利，李瑞揚(yáng).爐內(nèi)空氣分級(jí)低NOx燃燒技術(shù)［J］.電站系統(tǒng)工程，2003，19（6）：47-49.

(編輯：王智圣)

Low NOxCombustion Transformation of an Ultra High Pressure Boiler and the Performance Appraisal Test

DONG Jian
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan250013，China）

A case of low NOxcombustion system transformation on an ultrahigh pressure boiler using the classified combustion technology is introduced in this paper.The performance testconfirmed that the reduction ofNOxemissions reached more than 50%after transformation，and the boilerefficiency maintained the same.This case can provide the experience for the improvement of the same typeboiler.

ultrahigh pressure boier；low NOxcombustion system；classified combustion technology

TK22

A

1009－9492(2015)06－0154－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.045

2015－01－07

董建，男，1978年生，山東肥城人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：電站鍋爐性能試驗(yàn)與調(diào)試。已發(fā)表論文2篇。