東方型300MW亞臨界“W”型火焰鍋爐爐內低氮燃燒改造

李旭升　熊鍇彬　劉賢榮

摘要：為適應越來越嚴格的國家環保政策要求，東方型300MW亞臨界“W”型火焰鍋爐需要進行改造。文章介紹了東方型300MW亞臨界“W”型火焰鍋爐采用爐內低氮燃燒方式改造的技術特點及改造后的運行效果，為今后同類型的鍋爐低氮及煤種適應性改造提供了參考。

關鍵詞：“W”型火焰鍋爐；低氮燃燒技術；尾部煙氣脫硝裝置；發電機組；環保要求 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK221 文章編號：1009-2374（2015）31-0091-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.046

1 改造背景

我國優質燃煤儲量有限，但無煙煤卻有著廣泛分布，燃用無煙煤的發電機組普遍采用的“W”型火焰鍋爐在燃燒穩定性、運行可靠性及可用率方面均有一定優勢，但其氮氧化物（NOx）排放量普遍偏高，均在1000mg/Nm3（換算至O2=6%，以下均是）以上，有的甚至高達1800～2000mg/Nm3，難以滿足我國新的排放標準。目前我國已經投運和在建的“W”型火焰鍋爐有90臺以上，其中300MW等級的49臺，幾乎包含了世界上所有技術流派的“W”型火焰鍋爐爐型，且大部分未采用低氮燃燒技術，可預見為了適應環保要求進行改造是有廣闊市場的。為適應越來越嚴厲的國家環保政策要求，需采用鍋爐爐內低氮燃燒技術+尾部煙氣脫硝裝置（SCR）的綜合技術方案，而SCR的初投資與運行維護費用昂貴，若在進入SCR前大幅降低煙氣中的NOx濃度，將會大大降低SCR的初投資和運行成本，提升企業經濟效益，因此低氮燃燒技術成為電廠的首選方案。目前國內采用“W”型火焰鍋爐的電廠均希望通過對原燃燒系統的改造使SCR前的NOx濃度控制在800mg/Nm3以下。由于“W”型火焰鍋爐低氮燃燒改造幾乎沒有先例，多是針對防結焦、降低排煙溫度、提高鍋爐效率等的局部改造，NOx排放高的問題沒有得到根本解決，各電廠仍處于觀望階段。

2 機組簡介

山西某電廠一期工程兩臺機組配套鍋爐為東方型（引進吸收美國FW公司技術設計生產）300MW亞臨界“W”火焰鍋爐，自20世紀90年代中后期投運以來，由于實際燃用煤質與原設計煤存在較大偏差以及當時國內“W”火焰鍋爐投運業績少、設計經驗有限等原因，造成鍋爐投產后存在燃燒效率低、NOx排放量大、過熱器減溫水流量大、排煙溫度偏高、低過超溫等問題，雖經過各方面多次調整，一直未得到明顯改善。

鑒于以上因素，電廠委托東方鍋爐利用現有技術針對目前實際燃用煤種對#1鍋爐設備進行改造，提供改造方案設計和完成主要設備供貨，擬通過改造達到節能減排、降低發電成本、提高企業經濟效益的目的。

東方型亞臨界“W”火焰燃燒鍋爐主要技術特點為雙旋風濃淡分離式燃燒器和雙進雙出鋼球滾筒磨煤機的配合，燃燒器結構及配風示意圖如圖1所示：

3 爐內低氮改造技術介紹

改造方案以電廠#1鍋爐原爐膛以及燃燒系統為基礎，將爐膛前后墻拱上錯列布置的24只雙旋風筒煤粉分離式燃燒器改造為24只帶有乏氣分離裝置的直流式帶中心風新型煤粉燃燒器，主煤粉噴嘴位于前后墻拱上，乏氣噴嘴則從拱上改為引至拱下前后墻中部。拱上原A、B、C二次風合并為拱上二次風并與主煤粉噴嘴錯列布置，拱下原D、E二次風取消，保留F二次風（減小風口面積和風率）作為拱下二次風。在上爐膛下部增設燃盡風噴口（由旋流風和直流風組成，可分別調節），以降低NOx排放，具體如下：

3.1 一次風改造

基于著火穩燃。通過煤粉濃淡分離使一次風率降低，提高煤粉濃度，減少其著火熱，提高無煙煤著火和穩燃能力；使濃縮后的煤粉氣流直接面對高溫火焰以利于吸收熱量；選取合適的一次風速，在保證合適的煤粉著火位置的同時延長一次風下沖行程，增加煤粉氣流的加熱時間。

3.2 二次風改造

基于形成合適、穩定的下爐膛空氣動力場。拱上二次風與一次風分離布置；取消垂直墻D、E二次風風口，僅利用原F二次風擋板風道繼續采用“風墻”結構。一方面通過分級送入二次風而避免一、二次風過早混合，抑制燃燒初期NOx的生成；另一方面增加火焰行程，利于煤粉的燃盡，同時緩解爐膛結焦問題。

3.3 乏氣風改造

一次風分離出的淡煤粉氣流作為乏氣布置于原D、E二次風口位置，向下傾斜進入爐膛以減少其對拱上主氣流的影響，燃燒器分離出來的乏氣風中含有少量細煤粉和大量空氣，在燃燒后期引入有利于煤粉燃盡和降低NOx生成量。

3.4 燃燼風改造

在上爐膛下部布置燃燼風風口，將燃燒區域劃分為燃燒器區域和燃燼風區域兩部分，通過調節兩級分級燃燒系統不同的風量配比獲得更低的NOx排放水平。改造前、后爐膛燃燒設備布置比較示意圖如圖2所示：

4 改造前后鍋爐運行情況

4.1 改造前

由電廠邀請第三方（具備資質的專業測試單位）依據相關試驗規程對#1鍋爐進行了改造前摸底測試，結果如下：

4.1.1 入爐煤低位熱值在21500～22040kJ/kg范圍，修正后的鍋爐熱效率分別為89.02%（240MW）、89.67%（270MW）、89.30%（290MW），均低于90%。

4.1.2 機組負荷240～290MW范圍內，省煤器出口NOx排放濃度在950～1300mg/Nm3，平均在1200mg/Nm3以上。

4.1.3 環境溫度較高時（30℃～36℃），鍋爐排煙溫度較高，機組負荷240MW和270MW下對應的空氣預熱器出口排煙溫度分別為145℃和150℃；環境溫度較低時（10℃），290MW負荷下空氣預熱器出口排煙溫度為140℃。換算至設計保證條件下，機組負荷在240～290MW范圍內對應的空預器出口排煙溫度為131℃～141℃。

4.1.4 鍋爐運行氧量控制在4.0%（240MW）、2.80%（270MW）、2.9%（290MW）的最佳值時，飛灰含碳量均在10%左右。endprint

4.1.5 測試期間各工況下的過熱器減溫水流量均在100t/h以上，最高達到130t/h。

4.2 改造后

#1鍋爐改造大修工作于2013年3月完成，第三方依據相關試驗規程進行了系統的冷、熱態調整試驗（包括制粉系統優化試驗），隨后進行了鍋爐性能測試。由于5月初機組臨時檢修，5月中下旬又進行了168小時試運行，加上電網調度的因素，性能測試分為兩個階段：2013年4月下旬為第一階段；6月上旬為第二階段。測試期間各工況及不同負荷下，鍋爐運行穩定，主要運行參數達到設計要求。以下是兩個階段的綜合測試結果：

4.2.1 入爐煤低位熱值在20073～25091kJ/kg范圍，機組負荷240～330MW范圍內，空預器出口排煙溫度在124℃～140℃（換算至設計保證條件下），飛灰含碳量在6.5%～10%，鍋爐熱效率均在90%以上，最高達到91%。

4.2.2 機組負荷260MW及以下時，省煤器出口NOx排放濃度可輕松控制在800mg/Nm3以下，此時CO排放濃度小于150ppm，燃燒經濟性好；機組負荷260～330MW范圍內，省煤器出口NOx排放濃度為760～990mg/Nm3，CO排放濃度較高，為130～400ppm，若要將NOx排放濃度控制在800mg/Nm3以下，須犧牲一定燃燒經濟性。

4.2.3 機組負荷210～330MW范圍內，過熱器減溫水流量為60～93t/h。

4.2.4 鍋爐最大出力可達到1025t/h（設計值），對應機組負荷330MW。

4.2.5 鍋爐不投油最低穩燃負荷對應機組負荷為180MW，蒸汽參數正常。

4.2.6 機組負荷180～330MW范圍內，過熱蒸汽溫度可達到額定值540℃±5℃。

4.2.7 測試期間各負荷下鍋爐低過、平過、高過、高再等受熱面金屬壁溫正常。

5 運行效果及結論

性能測試結果表明，燃用改造要求的設計和校核煤種時，在機組240MW及以上負荷時，鍋爐熱效率達到90%以上，較改造前高，同時省煤器出口NOx排放濃度比改造前降低300～500mg/Nm3，空預器出口排煙溫度較改造前有所下降；若適當犧牲燃燒經濟性，省煤器出口NOx排放濃度均可控制在800mg/Nm3以下；機組負荷180～330MW范圍內，鍋爐蒸汽參數達到設計值；過熱器減溫水流量為60～90t/h，優于改造前水平。

改造后第一階段測試效果好于第二階段，這是由于鍋爐實際入爐煤質產生大幅波動（尤其是第二階段測試期間的入爐煤種多次偏離改造設計范圍），且經過長時間高負荷穩定運行后，爐膛結焦加劇導致爐膛溫度升高和受熱面換熱效果變差、燃燒經濟性和NOx排放濃度兼顧性因此變差所致。

機組須經過長期運行后方可真實、客觀地反映改造效果，性能測試分為跨度近兩個月的兩個階段，是可以反映客觀事實的。綜合兩個階段的測試結果分析，#1鍋爐本次低氮燃燒改造后運行效果得到明顯改善，在燃燒經濟性略有提高的前提下，氮氧化物排放濃度得到大幅下降，排煙溫度有所下降，過熱器減溫水流量也明顯下降，鍋爐運行安全、穩定，蒸汽等主要參數正常且達到設計要求，基本達到預期目標。針對改造后運行過程中出現的問題還需優化和完善設計方案，使技術改造水平進一步提高和成熟，增強鍋爐在煤種適應性上的能力，為后續改造工程打下良好基礎。

參考文獻

[1] 電站鍋爐性能試驗規程（GB 10184-88）[S].

[2] 火電廠大氣污染物排放標準（GB 13223-2003）[S].

[3] 黃新元.電站鍋爐運行與燃燒調整[M].北京：中國電力出版社，2003.

作者簡介：李旭升（1982-），男，四川自貢人，東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司工程師，研究方向：電站鍋爐性能及試驗研究、調試。

（責任編輯：秦遜玉）endprint