某100 MW煤粉鍋爐低氮燃燒器改造及效果分析

侯益銘

(山西國際能源集團有限公司，山西 太原 030002)

某電廠2臺100 MW機組鍋爐日常運行中氮氧化物(NOx)排放量偏大，由于在爐膛上部僅裝設SNCR脫硝噴氨裝置，無法滿足新的《火電廠大氣污染物排放標準》，因此進行低氮燃燒器改造是必要的。降低爐膛出口NOx濃度，既減少氨水的消耗量，又降低脫硝成本。對于100 MW鍋爐低氮燃燒器改造，爐膛高度不足、成熟經驗較少，首次采用不同尺寸固定高度的撞擊式濃淡分離等技術，改造工程量小、費用低、運行調整簡單。改造后，NOx排放指標滿足國家不大于200 mg/Nm3(標態、干基、6%O2，以下同)的要求，減輕了水冷壁高溫腐蝕和結焦，減少了鍋爐受熱面吹灰次數。

1 設備概況

某電廠1號和2號100 MW機組鍋爐是北京巴威公司制造的B&WB-410/9.8M型單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架懸吊結構、自然循環汽包爐。燃燒設備為四角布置，切向燃燒。每角燃燒器共布置8層噴口，包括有3層一次風噴口，4層二次風噴口，1層三次風噴口，從下到上分別為Ⅱ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅰ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅱ-Ⅲ，排序為1-2-3-4-5-6-7-8。燃燒器最上層一次風噴口中心線標高14 585 mm，距離屏式過熱器下沿12 915 mm。

煤粉燃燒器設計一次風速為29 m/s，二次風速為43 m/s，三次風速為30～37 m/s。燃燒器設計數據見表1。

表1 燃燒器設計數據

為了滿足GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》[1]新的NOx排放指標，同時降低脫硝成本和解決氨逃逸造成的腐蝕、堵塞問題，進行爐內低氮燃燒器改造降低爐膛出口NOx濃度是必要的。

雖然低氮燃燒器改造技術較為普遍和成熟，但100 MW小機組改造只采用鍋爐低氮燃燒器改造+SNCR脫硝技術滿足國家標準要求先例較少[2]。與大型機組相比，100 MW鍋爐爐膛高度不足，致使鍋爐的最上層燃燒器和屛式過熱器下沿的高度差嚴重不足。因此，該廠低氮燃燒器改造既沒有成功經驗參考，又沒有充裕的改造空間位置，改造難度很大。

2 低氮燃燒器改造

本次低氮燃燒器改造對燃燒器各參數進行了詳細設計，根據經驗重新分配各燃燒器噴口風率，得出一、二、三次風以及燃盡風噴口面積和設定出口風速，見表2。

表2 核算后燃燒器數據

本次改造，增加燃盡風噴口，燃盡風率為11%，二次風率相應降低11%，一次風率和三次風率保持不變。

2.1 一次煤粉燃燒器改造

改造前，煤粉燃燒器布置如圖1所示。經燃燒器噴入的煤粉與二次風不能形成良好的風包粉效果，使得水冷壁側的煤粉濃度比較高，容易造成水冷壁結焦，水冷壁側氧量不夠造成高溫腐蝕。同時生成的NOx濃度比較高。

圖1 煤粉燃燒器改造前布置圖

一次風煤粉燃燒器改造采用固定高度撞擊式水平濃淡分離燃燒技術，利用撞擊塊使煤粉濃淡分離，濃側煤粉向著火焰中心，淡側煤粉向著水冷壁，同時在噴口水平中分面用隔板分離，使濃淡側分離明顯。為了使濃淡側的風壓保持恒定，在隔板上設計一定數量的平衡孔。煤粉燃燒器改造后布置如圖2所示。

圖2 煤粉燃燒器改造后布置圖

由于每臺煤粉燃燒器一次風道彎頭到鍋爐水冷壁之間的距離不等，距離較遠的彎頭基本上失去了自身濃淡分離的作用。因此，根據各層、各角煤粉燃燒器入口一次風道彎頭距水冷壁的距離和煤粉濃淡分離要求，計算撞擊塊插入風道深度見表3。

表3 各臺煤粉燃燒器一次風道內撞擊塊插入深度計算結果 mm

2.2 燃盡風改造

燃盡風改造，在主燃燒器上方增設1組分離燃盡風，分為2層噴嘴，噴口尺寸為400 mm×160 mm。噴口設計水平擺動15°，可向右擺動10°，向左擺動5°，不能垂直擺動。主燃燒器最上層一次風噴口中心線標高為14 585 mm，低位燃盡風標高為19 660 mm，高位燃盡風標高為20 510 mm，最上層燃盡風噴口上沿標高為20 585 mm，距離分隔屏下沿6 915 mm。

從鍋爐左右側二次風主風箱頂部各引接2個燃盡風風道，風道截面尺寸500 mm×700 mm。每個燃盡風道經金屬膨脹節后一分為二，分上下2層為燃盡風噴口配風，2層燃盡風道截面尺寸均為500 mm×350 mm。每個角上下2層燃盡風共用1臺手動擋板門，調節燃盡風量。

割除燃盡風噴口設計位置處水冷壁切角管，設計制作如圖3所示水冷套管。水冷套管、燃盡風噴口安裝必須與主燃燒器中心線重合，確保爐內假想切圓直徑600 mm。

圖3 水冷套管結構圖

2.3 二次風噴口改造

將從下往上數第2、3層二次風右側加堵20%，第4層二次風加堵50%，為了不影響大渣含碳量、二次風箱壓力，底部第1層二次風噴口不進行改造，噴口截面積不變。二次風噴口改造后，既保證了二次風速，還形成了偏置二次風的效果，防止煤粉沖刷水冷壁，避免水冷壁結焦及高溫腐蝕[3-4]。

3 改造效果

3.1 NOx排放

a.改造前后習慣運行工況對比

2號機組80 MW與75 MW習慣運行工況下，改造前NOx排放量分別為550 mg/Nm3和590 mg/Nm3，改造后NOx排放量分別為320 mg/Nm3和390 mg/Nm3，相對于改造前明顯降低。

b.燃盡風擋板開度、氧量對NOx生成的影響

在同一個負荷下，保持氧量基本不變，隨著燃盡風擋板開度從60%～100%增加，NOx生成量逐漸減少，但是開度從80%～100%變化時，NOx生成量減少幅度變小。經過大量的試驗，考慮二次風箱壓力和煤粉的燃燒效果，綜合飛灰和大渣含碳量等一系列因素影響到鍋爐效率，燃盡風開度在70%時運行最經濟。

在相同負荷下，固定燃盡風擋板開度，隨著氧量的降低，NOx生成量減少，但變化幅度較小。左側NOx濃度最高是390 mg/m3，最低是330 mg/m3，右側NOx濃度最高是380 mg/m3，最低是320 mg/m3。

3.2 安全性

低氮燃燒改造后，煤粉氣流經燃燒器后形成水平濃淡分離，二次風噴口加堵后，形成偏置二次風效果，使爐膛中心欠氧燃燒，而水冷壁近壁處富氧燃燒，可大幅降低水冷壁近壁煙氣中強還原性氣體CO濃度，有效抑制H2S和HCl等酸性腐蝕性氣體生成[5]。以2號爐為例，當燃用高硫分、低熔點煤種時，維持爐膛出口氧量3.5%左右，鍋爐兩側的CO濃度都在50 mg/L以內，水冷壁發生高溫腐蝕的幾率較小，同時結焦量也會隨著減少，這樣吹灰的次數減少，水冷壁被吹損減薄的概率也減小。

3.3 經濟性

通過自主設計及安裝鍋爐低氮燃燒器改造，2臺鍋爐改造費用僅用100多萬元。低氮燃燒器改造后，設計22只氨水噴槍的SNCR脫硝系統只需投入18只噴槍，便可以將爐膛出口NOx濃度降到180 mg/Nm3左右，達到國家標準小于200 mg/Nm3的要求，減少了25%的氨水消耗量。

低氮燃燒改造，使爐內燃燒向后推移，導致Ⅰ、Ⅱ級減溫水在相同負荷下都明顯增加，分別是7 t/h和18 t/h，主汽溫度為538 ℃，在可控范圍內。

4 結束語

鍋爐低氮燃燒器改造后，鍋爐習慣運行工況下爐膛出口NOx濃度由改造前的570 mg/m3降至355 mg/m3，降低了脫硝運行成本；煙氣再通過SNCR脫硝裝置，可使NOx排放達到國家排放標準；水冷壁發生高溫腐蝕幾率減小，同時結焦量減少，鍋爐安全性提高；雖然爐內燃燒后移，火焰中心升高，但在主汽溫度在可控范圍內，改造達到預期效果。