對沖燃燒鍋爐低氮燃燒器改造后煤種適應(yīng)性試驗研究

章良利， 李 敏， 趙 敏，葉凌云， 包文東

（1.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 蘭溪 321110；2.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院 能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027）

對沖燃燒鍋爐低氮燃燒器改造后煤種適應(yīng)性試驗研究

章良利1， 李 敏1， 趙 敏2，葉凌云2， 包文東1

（1.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 蘭溪 321110；2.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院 能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027）

一臺660 MW機組的對沖燃燒鍋爐進行了低NOX燃燒器改造，將原DRB-4Z燃燒器改造為新型AireJet燃燒器，并將燃盡風(fēng)與上層燃燒器的距離由3.5 m改為7 m。燃燒器改造后，進行了燃用蒙煤和澳煤試驗，鍋爐運行參數(shù)正常，SCR裝置入口煙氣中NOX和CO含量都顯著降低。燃用不同煤種時的鍋爐參數(shù)存在較明顯的差異。蒙煤的結(jié)渣傾向性較強，前屏有一定的結(jié)渣，導(dǎo)致再熱器減溫水量增加、SCR煙溫偏高，不過基本上在可控范圍內(nèi)。燃用蒙煤和澳煤時的煙氣中NOX含量分別在240 mg/m3以下和320 mg/m3以下，燃用2組煤種的煙氣中NOX含量差異最高達到30%左右。SCR裝置入口煙氣中CO含量總體達到了200 μL/L以下的較低水平，但燃用澳煤的煙氣中CO含量明顯較高，且排煙溫度和飛灰含碳量也明顯較高。因此燃用蒙煤比燃用澳煤的鍋爐效率高1%左右，發(fā)電煤耗低3 g/kWh左右，燃用蒙煤具有顯著的經(jīng)濟性。

鍋爐；對沖燃燒；低氮燃燒改造；煤種；適應(yīng)性

0 引言

燃煤發(fā)電機組低氮燃燒技術(shù)是控制NOX排放的有效手段之一，與SCR（選擇性催化還原）煙氣脫硝技術(shù)相結(jié)合，是實現(xiàn)國家環(huán)保排放標(biāo)準的經(jīng)濟有效的手段[1]。目前電站鍋爐主要采用空氣分級低氮燃燒技術(shù)[2-4]，結(jié)合 SCR技術(shù)[5]，一般能將機組NOX排放量控制到國家標(biāo)準規(guī)定的100mg/m3以內(nèi)[6]。隨著環(huán)保問題的日益突出，NOX排放要求比之前更嚴格，因此燃煤發(fā)電機組超低排放技術(shù)得到了快速的推廣應(yīng)用，其目標(biāo)是將NOX排放量控制到50 mg/m3以下[7]，這不僅需要SCR裝置實現(xiàn)更高效的脫硝效率，也要求鍋爐能夠?qū)崿F(xiàn)更有效的低氮燃燒。同時，鍋爐煙氣中NOX含量及鍋爐效率不僅與燃燒系統(tǒng)、鍋爐結(jié)構(gòu)、運行方式[8，9]等有關(guān)，與入爐煤種的燃燒特性等也有較大關(guān)系[10，11]。

一臺已有低氮燃燒的600 MW（增容到660 MW）對沖墻燃燒鍋爐，為了進一步降低煙氣中排放中NOX含量，重新進行了低氮燃燒系統(tǒng)升級改造。針對改造后的燃燒系統(tǒng)，進行了不同煤種的燃燒試驗，分析煤種差異對NOX含量和鍋爐運行安全性、經(jīng)濟性等方面的影響。

1 鍋爐概況

600MW超臨界機組鍋爐為北京巴威公司按美國B&W公司SWUP系列鍋爐技術(shù)標(biāo)準，結(jié)合設(shè)計、校核煤質(zhì)特性和自然條件，進行性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的超臨界參數(shù)SWUP鍋爐，鍋爐型號為B&WB-1903/25.40-M。在汽輪機增容改造后，鍋爐利用設(shè)計余量，機組發(fā)電負荷達到了660 MW。

鍋爐為超臨界參數(shù)、螺旋爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、露天布置的П型鍋爐。鍋爐設(shè)計煤種為淮南煙煤，校核煤種為煙混煤。鍋爐采用中速磨冷一次風(fēng)機正壓直吹式制粉系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒方式。配有36只DRB-4Z煤粉燃燒器，分3層布置在鍋爐的前后墻上，前后墻各18只，每層前后墻各6只。

2 低氮燃燒器改造設(shè)計特點

2.1 燃燒器改造設(shè)計

燃燒器改造內(nèi)容是將原有30只非等離子點火DRB-4Z燃燒器改造為AireJet燃燒器，原有等離子點火的6只DRB-4Z燃燒器未改造。兩種燃燒器的結(jié)構(gòu)及其差異見圖1。

根據(jù)設(shè)計原理，AireJet型燃燒器能夠高效地燃燒煤粉并通過與OFA（燃盡風(fēng)）噴口聯(lián)合使用的方式，大幅度降低NOX的排放量，AireJet型燃燒器能夠在合適的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)在燃燒器喉口處建立穩(wěn)定的著火點。憑借中心風(fēng)區(qū)和內(nèi)、外二次風(fēng)區(qū)的設(shè)計，供給環(huán)形煤粉噴口的一次風(fēng)粉混合物被自內(nèi)向外和自外向內(nèi)地點燃和著火。

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)比較

2.2 低NOX燃燒系統(tǒng)設(shè)計

鍋爐燃燒系統(tǒng)原設(shè)計即為低氮燃燒，布置有一層前后墻對沖OFA噴口（各8只），為了進一步降低鍋爐燃燒生成的煙氣中NOX含量，將原OFA噴口上移，與上層燃燒器間距為7 m（原3.66 m），并下傾15°。

OFA噴口結(jié)構(gòu)如圖2所示，OFA風(fēng)出口分成2個通道，中心風(fēng)為直流以保持進風(fēng)的剛度；外環(huán)裝有可調(diào)葉片，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流幫助二次風(fēng)與煙氣充分混合。設(shè)計燃盡風(fēng)率最大為35%。

圖2 OFA噴口結(jié)構(gòu)

3 試驗條件

3.1 試驗煤種煤質(zhì)

鍋爐原設(shè)計煤種為淮南煤，實際常用煤種為優(yōu)混類煤與澳煤，為了增強鍋爐的煤種適應(yīng)性，燃燒系統(tǒng)設(shè)計煤種為蒙煤與優(yōu)混煤摻燒。

根據(jù)已有研究[10,11]，與優(yōu)混煤相比，蒙煤具有顯著的著火溫度低、燃盡溫度低、燃燒速度快的特點，因此其燃燒效率較高（飛灰含碳量和煙氣排放中CO含量較低），同時也會使空氣分級低NOX燃燒過程中的還原性氣氛停留時間更長，從而可以降低燃燒生成的煙氣中NOX含量。但是蒙煤的顯著缺點是灰熔點較低，具有較嚴重的結(jié)渣傾向性，因此燃用蒙煤時，預(yù)防結(jié)渣是關(guān)注的重點。

根據(jù)實際經(jīng)驗，大部分與優(yōu)混煤煤質(zhì)接近的澳煤（低水）的燃燒性能比優(yōu)混煤略差，因此燃用澳煤時，燃燒效率和燃燒生成的煙氣中NOX含量是需要關(guān)注的重點。

為了掌握鍋爐的煤種適應(yīng)寬度，試驗選擇了低水澳煤與現(xiàn)設(shè)計煤種進行對比試驗分析。試驗煤質(zhì)見表1、表2。

表1 試驗煤種及煤質(zhì)

表2 試驗煤種的灰熔點

3.2 試驗工況

試驗負荷分別為660 MW，500 MW，330 MW，第1組入爐煤種為蒙煤與優(yōu)混分磨摻燒（簡稱蒙煤），摻燒比例為3∶2，330 MW時為2∶2（4磨運行），第2組入爐煤種為澳煤。

試驗時，保持燃盡風(fēng)率基本不變（約30%）。由于2組入爐煤的燃燒有較大差異，爐膛出口氧量根據(jù)SCR裝置入口煙氣中的NOX含量和CO含量平衡控制，實際氧量控制值見表3。

表3 爐膛出口氧量%

4 煤種適應(yīng)性試驗結(jié)果

4.1 鍋爐主要運行參數(shù)

綜合考慮減溫水量，各工況下的主汽溫度都能夠達到目標(biāo)值，再熱汽溫度在低負荷下略有所偏低，但也在正常范圍內(nèi)（見表4）。

表4 鍋爐主要運行參數(shù)

蒙煤的灰熔點較低，具有一定的結(jié)渣傾向性。試驗表明，燃用蒙煤時，過熱器減溫水量相對較低，而再熱器減溫水量相對較高，這主要是前屏的結(jié)渣有所偏多，但結(jié)渣呈現(xiàn)穩(wěn)定的薄渣，并不明顯影響鍋爐安全運行。說明鍋爐基本能夠安全摻燒一定比例的蒙煤。

4.2 SCR裝置入口煙氣中NOX含量

蒙煤比澳煤具有顯著的容易著火、燃盡的特點，因此在空氣分級燃燒中具有一定的低NOX性能。試驗也體現(xiàn)出了2組入爐煤的SCR裝置入口煙氣中NOX含量（折算到6%氧量）存在明顯的差異，如圖3所示。

燃用蒙煤的情況下，SCR裝置入口煙氣中NOX含量可達到230 mg/m3以下，在前后墻對沖燃燒鍋爐中基本達到了非常理想的水平。而燃用澳煤時，NOX濃度明顯大幅度升高，此時氧量已經(jīng)降低到較低水平，滿負荷時NOX含量的增加幅度更加明顯，在低于2%氧量的情況下依然高于320 mg/m3，遠遠達不到機組的超低排放要求。不過，從低氮燃燒器改造角度來看，改造前在600MW負荷下（尚未增容改造），SCR裝置入口煙氣中NOX含量基本上在350 mg/m3以上，改造后相同負荷下能達到300 mg/m3以下，基本實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

圖3 不同煤種的SCR裝置入口煙氣中NOX含量

4.3 SCR裝置入口煙氣中CO含量

在2組試驗煤種下的CO含量都達到了200 μL/L以下（如圖4所示），燃燒器改造有效降低了CO含量（改造前在1 000 μL/L左右）。不過燃用澳煤時，CO含量明顯較高，這與澳煤較難燃燒具有密切的關(guān)系。

圖4 不同煤種的SCR裝置入口煙氣中CO含量

4.4 對SCR裝置煙溫及空預(yù)器的影響

由于蒙煤具有一定的結(jié)渣傾向性，因此在燃用蒙煤時，受前屏少量結(jié)渣的影響，SCR裝置煙溫明顯偏高（如圖5所示），不過由于蒙煤的水分較高，受磨煤機干燥出力的影響，一次風(fēng)熱風(fēng)量增加，排煙溫度反而明顯較低（如圖6所示）。

在燃用蒙煤時，SCR裝置煙溫達到了400℃左右，對SCR裝置催化劑及空預(yù)器的安全運行會帶來一定的不利影響。不過，在加強爐膛與過熱器吹灰的情況下，SCR裝置煙溫基本可控到400℃以下。

圖5 不同煤種的SCR裝置入口煙溫

圖6 不同煤種的排煙溫度

4.5 鍋爐效率

如圖7所示，燃用蒙煤時飛灰含碳量在0.7%以下，而燃用澳煤時飛灰含碳量達到2%以上。即使考慮氧量因素的影響，根據(jù)經(jīng)驗飛灰含碳量也只能達到2%左右。這與2組煤的著火、燃盡特性差異密切相關(guān)，同時蒙煤的灰分也較低，因此總體上2組入爐煤的固體不完全燃燒損失差異可達0.6%左右。試驗工況下負荷變化對飛灰含碳量的影響不大。

圖7 不同煤種的飛灰含碳量

由圖6可知，燃用蒙煤時排煙溫度也明顯降低，所以燃用蒙煤比燃用澳煤的鍋爐效率明顯提高，如圖8所示，鍋爐效率提高了1%左右，發(fā)電煤耗的差異可達3 g/kWh左右，對經(jīng)濟性產(chǎn)生明顯的影響。

圖8 不同煤種的鍋爐效率

5 結(jié)論

（1）燃燒器改造后，鍋爐運行參數(shù)正常，與改造前運行數(shù)據(jù)相比，SCR裝置入口煙氣中NOX和CO含量都顯著降低。

（2）燃用不同煤種時，鍋爐參數(shù)存在較明顯的差異。

（3）蒙煤的結(jié)渣傾向性較強，前屏有一定的結(jié)渣，導(dǎo)致再熱器減溫水量增加、SCR裝置煙溫偏高，不過基本上在可控范圍內(nèi)。

（4）燃用蒙煤和澳煤時的煙氣中NOX含量分別在240 mg/m3以下和320 mg/m3以下，燃用兩組煤種的煙氣中NOX含量差異最高達到30%左右。

（5）SCR含量入口煙氣中CO含量總體達到了200 μL/L以下的較低水平，但燃用澳煤的煙氣中CO含量明顯較高，且排煙溫度和飛灰含碳量也明顯較高。因此燃用蒙煤比燃用澳煤的鍋爐效率高1%左右，發(fā)電煤耗低3 g/kWh左右，燃用蒙煤具有顯著的經(jīng)濟性。

[1]中華人民共和國環(huán)境保護部.火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策[EB/OL]．http∶//kjs.mep.gov.cn/hjbhbz/bzwb/wrfzjszc/ 201002/t20100201_185221.htm.2010．

[2]徐良，徐昶，徐仲雄，等.600 MW四角切圓燃燒鍋爐低NOX燃燒器改造[J].鍋爐技術(shù)，2012，43（3）∶63-66.

[3]周俊虎，趙琛杰，許建華，等.電站鍋爐空氣分級低NOX燃燒技術(shù)的應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報，2010，30（23）∶19-23.

[4]胡志宏，李德功，邵紅軍，等.600 MW機組鍋爐低氮燃燒改造[J].熱力發(fā)電，2014，43（4）∶131-134.

[5]陳杭君，趙華，丁經(jīng)緯.火電廠煙氣脫硝技術(shù)介紹[J].熱力發(fā)電，2005，34（2）∶15-18.

[6]李海濱.低氮燃燒結(jié)合SCR脫硝方案論證分析[J].熱力發(fā)電，2013，42（6）∶17-20.

[7]張軍，鄭成航，張涌新，等.某1 000 MW燃煤機組超低排放電廠煙氣污染物排放測試及其特性分析[J].中國電機工程學(xué)報，2016，36（5）∶1310-1314.

[8]寧新宇，梁紹華，岳峻峰，等.低NOX切向燃燒系統(tǒng)的改造及性能優(yōu)化試驗 [J].動力工程學(xué)報，2010，30（7）∶502-507.

[9]黃軍.燃用神華煤2 028 t/h亞臨界鍋爐超低NOX燃燒優(yōu)化試驗研究[J].中國電力，2014，47（12）∶7-12.

[10]曹御風(fēng).分磨摻燒蒙煤對300 MW機組運行的影響研究[J].浙江電力，2014，33（4）∶34-37.

[11]趙虹，張清福，楊建國.不同煤種及其燃燒特性對NOX排放濃度的影響[J].熱力發(fā)電，2013，42（12）∶59-63.

（本文編輯：陸 瑩）

Experimental Research on Coal Applicability after Low-NOXBurner Retrofit of Opposed Firing Boiler

ZHANG Liangli1，LI Min1，ZHAO Min2，YE Lingyun2，BAO Wendong1

（1.Zhejiang Zheneng Lanxi Power Generation Co.，Ltd.，Lanxi Zhejiang 321110，China；2.State Key Laboratory of Clean Energy Utilization，College of Energy Engineering，Zhejiang University, Hangzhou 310027，China）

Low-NOXburner retrofit was applied in opposed firing boiler of a 660 MW unit.The DRB-4Z burners were replaced with the new AireJet burners.The distance between OFA and upper burner was modified from 3.5 m to 7 m.After the retrofit，tests were conducted on Mongolia coal and Australian coal respectively，and the operation parameters were as normal as before.NOXand CO in SCR inlet decreased significantly. There were significant differences in boiler parameters when burning the two coals.The slagging tendency of Mongolia coal is stronger，so there was a thin layer of slag on the front screen，resulting in attempering water in reheater and SCR temperature rise，but in a controllable range.The NOXconcentrations were below 240 mg/m3and 320 mg/m3when burning Mongolia coal and Australian coal respectively.The difference was up to 30%.CO concentration in SCR inlet was less than 200 μL/L，but it was relatively higher when burning Australian coal，and exhaust gas temperature and carbon content in fly ash were also high.The boiler efficiency of Mongolia coal was 1%higher than that of Australian coal，and coal consumption for power generation of Mongolia coal was 3 g/kWh lower than that of Australian coal.It is concluded that the Mongolia coal is more economical.

boiler；opposed firing；low-NOXburner retrofit；coal；applicability

TM621.2

A

1007-1881（2016）11-0037-05

2016-07-05

章良利（1966），男，高級工程師，從事發(fā)電廠技術(shù)與管理工作。