50t/h燃氣鍋爐低氮改造技術應用和工程實踐

張昊

（華電浙江龍游熱電有限公司，浙江 龍游 324400）

天然氣雖然是清潔能源，但它在燃燒過程中還是會產生一定的氮氧化物，對環(huán)境造成污染。隨著我國環(huán)保要求逐漸嚴格和低氮先進技術的導入，低氮鍋爐受到了越來越多人的青睞。目前，華東區(qū)域存在很多早期生產的燃氣鍋爐，其氮氧化物排放濃度在100mg/m3以上，不能滿足《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB3301/T 0250-2018）不高于50mg/m3的標準要求。鍋爐使用單位通過實施燃氣鍋爐低氮改造方式，在較大程度上對原有鍋爐進行二次利用，有效降低氮氧化物排放濃度，進一步充分發(fā)揮原鍋爐的功效和價值。

1 項目概況

某燃機電廠配置2臺SZS50-2.3/350-Q型燃氣鍋爐，作為燃氣輪機停機期間的備用，用于當?shù)亟?jīng)濟開發(fā)區(qū)工業(yè)供熱，2016年8月投入運行。燃氣鍋爐采用RPD100G-RU型分體式燃燒器，最大輸出功率45MW。目前該燃氣鍋爐氮氧化物排放濃度約140mg/m3，現(xiàn)采用低氮燃燒加煙氣外循環(huán)的方式對其進行低氮改造，使燃氣鍋爐滿足以下要求：（1）燃氣鍋爐全過程運行工況氮氧化物排放濃度均不高于30mg/m3；（2）鍋爐出力不低于改造前；（3）鍋爐最小穩(wěn)定運行負荷不高于20%額定負荷；（4）改造后燃氣鍋爐滿足安全性檢驗、排放測試和能效測試要求。

2 低氮改造技術方案

2.1 低氮燃燒技術路線

本項目采用升級低氮燃燒器加煙氣外循環(huán)技術路線，即采用煙氣再循環(huán)耦合低氮燃燒器的方式，將煙道中部分煙氣引回與助燃空氣混合后進入爐膛。要求燃燒器升級為低氮燃燒器（原燃燒頭更換為低氮燃燒頭），燃氣閥組和原燃燒器殼體可利舊。

循環(huán)煙氣由省煤器進口煙道引出，煙氣溫度在120～150℃，接至燃燒器前與空氣混合，保證混合后的進風溫度在露點之上以減少冷凝水的產生。增加的一路煙氣外循環(huán)系統(tǒng)，配有隔離閥、電動蝶閥、溫度探頭、管道，并配置單獨的FGR風機。FGR管道做防腐和保溫處理，低位安裝冷凝水疏水閥。

2.2 煙氣混合方式

再循環(huán)煙氣采用后混式，即再循環(huán)煙氣接入送風機后，通過測算原有送風機風量、風壓能滿足要求，確認是否需要更換送風機。再循環(huán)風機風量根據(jù)煙氣量測算，風壓一般比送風機高300～1000Pa，風道長度5m以上，以避免煙氣和助燃空氣對沖或混合不均勻情況的發(fā)生。后混式再循環(huán)煙氣方案，如圖1所示。

2.3 低氮燃燒控制方式

低氮燃燒控制包括燃燒器及再循環(huán)煙道等設備的監(jiān)視、控制、保護和聯(lián)鎖所需的完整的儀表及控制系統(tǒng)。原燃燒器機械比調控制改造為電子伺服控制，配套燃燒器火檢由1個增加為3個，對應保護由單點保護升級為三取二保護。

同時，將原有的燃燒器程序控制器改造為基于DCS的控制系統(tǒng)，對DCS系統(tǒng)進行硬件擴容、軟件升級，所有IO點根據(jù)實際情況重新設計排布。

3 施工過程

3.1 燃燒器升級拆裝

燃燒器只需要對燃燒頭進行升級，所以鍋爐前墻口與安裝口尺寸一致，無須進行擴孔和重新澆筑。施工過程通過拆下原燃燒器，返廠將RU燃燒頭升級為EU2超低氮燃燒頭（EU2燃燒頭彩用多噴管擴散燃燒技術，火焰發(fā)散角為108°～120°，助燃空氣沿燃燒頭軸向成螺旋噴出，并強制煙氣內循環(huán)降低火焰根部溫度抑制NOx在爐膛內生成的反應條件，從而達到降氮效果），升級后重新裝入原前墻口。

安裝完成后，對燃燒器與爐墻口接縫處填補保溫材料和澆注料進行密封，防止燃燒物從鍋爐縫隙中泄漏逃逸至鍋爐房。

3.2 FGR煙道安裝

拆除原有主風機下部進風風道，改為左側進風風道，風道安裝時，注意支撐及冷凝水排水管道安裝及加裝閥門；新增循環(huán)煙道，循環(huán)煙道煙氣接口取自于省煤器與煙囪的連接煙道上，在煙道水平中心偏上位置開孔，以減少循環(huán)煙氣源的冷凝水含量，循環(huán)煙道流動介質為高溫煙氣，從防護要求對風道及循環(huán)煙道進行保溫。主風機風道與FGR煙道對接如圖2所示。

3.3 主風機和FGR風機改造和安裝

根據(jù)測算需更換工作效率不高，參數(shù)余量不足的原主風機（型號：G9-26 16.2D，參數(shù)：Q=62000m3/h、H=6600Pa、N=185kW）。更 換 為HNPD1400-0900-RD90型風機，參數(shù)Q=71000m3/h、H=7800Pa、N=185kW，風機變頻器利舊。

增配耐高溫FGR風機，HNPD0800-0500-LG90型風機，參數(shù)Q=165m3/h、H=8100Pa、N=55kW，通過FGR電動蝶閥控制煙氣量，煙氣再循環(huán)率10%～20%，根據(jù)氮氧化物排放動態(tài)調整。FRR風機及煙道安裝如圖3所示。

主風機利用原風機基礎，增配的FGR風機定位及載荷根據(jù)設計院土建專業(yè)設計、復核和實施。

3.4 燃燒調整

改造后的燃燒器采用電子比例調節(jié)，由DCS系統(tǒng)控制。燃燒調整過程包含對每臺鍋爐從點火到12.5%～100%升降負荷全過程調整，通過對CEMS排放監(jiān)測數(shù)據(jù)、架設在鍋爐煙道上的手持式煙氣分析儀數(shù)據(jù)、爐膛火焰燃燒情況以及鍋爐各運行工況數(shù)據(jù)進行對比分析，逐條記錄燃氣鍋爐點火、12.5%～100%負荷區(qū)間范圍內共10個負荷點對應的燃氣調節(jié)閥、一次風門、二次風門、主風機頻率、FGR調節(jié)閥、FGR風機頻率參數(shù)定值，制定燃氣鍋爐升降負荷曲線，各負荷點之間控制參數(shù)等比例變化。最終使NOx排放、CO排放、氧量、排煙溫度等各項參數(shù)在標準范圍內，同時保持燃氣鍋爐燃燒穩(wěn)定、排放達標、效率優(yōu)化。控制參數(shù)定值設置如表1所示。

表1 燃燒調整參數(shù)控制表

后期隨著環(huán)境溫度、燃料熱值等因素變化，還可以通過耦合燃氣鍋爐的啟停工況、不同負荷段及各種可能引起燃燒排放NOx超標或超出最佳控制區(qū)間的因素，通過基于PID控制原理結合自適應控制技術，準確快速平穩(wěn)地自動調節(jié)煙氣再循環(huán)調閥開度及送風機頻率偏置，通過疊加到原預置曲線開度的方式，實現(xiàn)NOx排放的自適應調整，邏輯設計如圖4所示。在穩(wěn)定燃燒的前提下，自動擴大鍋爐升降負荷曲線的適應范圍，實現(xiàn)不同實際工況下的達標排放。

3.5 項目驗收

改造施工完成且設備調試正常穩(wěn)定后，需要經(jīng)以下第三方單位檢驗及測試，才能完成驗收并取得環(huán)保補貼：（1）向具備特種設備檢驗資質的單位申請進行燃氣鍋爐外檢并檢驗合格；（2）在外檢合格的基礎上，進行第三方能效測試，鍋爐熱效率需滿足DB33/T800《鍋爐運行能效限額及監(jiān)測技術要求》規(guī)定標準值的要求；（3）在外檢合格的基礎上，進行第三方排放測試，氮氧化物排放不高于30mg/m3且其他污染物排放達標；（4）涉及CEMS設備改造范圍的還需進行第三方煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)比對測試，測試結果符合標準要求；（5）涉及環(huán)保補貼需根據(jù)當?shù)卣畬嶋H政策要求向市場監(jiān)督管理局和生態(tài)環(huán)境局申請驗收并提供驗收資料，驗收通過并向社會公示后依法依規(guī)取得。

4 項目改造亮點

本項目針對原燃氣鍋爐累計運行時間短、使用率不高的現(xiàn)狀，在滿足安全性和氮氧化物排放要求的同時，按照最大限度利舊的原則，降低排放、降低成本、提高設備的安全可靠性和運行效率，創(chuàng)新挖掘出以下工程亮點：（1）采用燃燒器升級為低氮燃燒器的改造方式。僅需將燃燒頭更換為低氮燃燒頭，燃氣閥組和原燃燒器殼體可利舊，燃燒器與鍋爐前墻接口尺寸不變，無須改變鍋爐前墻結構布局，既節(jié)約了成本，又最大程度減少現(xiàn)場改造工作量，避免對鍋爐結構改動引起的各種報批手續(xù)。（2）燃燒器調節(jié)方式由原有的機械比例調節(jié)升級為電子比例調節(jié)，提高了燃燒控制的調節(jié)精度和調節(jié)可靠性；同時，燃燒器控制方式由程控器升級為DCS控制，方便后期對燃燒控制進行調整、監(jiān)督和分析記錄。（3）創(chuàng)新應用自適應燃燒調整技術，F(xiàn)GR調節(jié)閥及送風機變頻協(xié)同參與NOx調節(jié)的控制燃氣鍋爐，實現(xiàn)不同負荷段、不同工況下NOx排放參數(shù)的自適應控制。

5 結語

采用升級低氮燃燒器加煙氣外循環(huán)的方式對50t/h燃氣鍋爐進行低氮改造，能最大限度地利用原有設備，改造可靠性高、施工難度低、實施效果好。通過低氮改造實現(xiàn)燃氣鍋爐氮氧化物排放濃度不高于30mg/m3的目標，符合《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB3301/T 0250-2018）的標準要求。在取得環(huán)保補貼的同時，大幅減小燃氣鍋爐污染物排放，并有效提升燃氣鍋爐運行靈活性和穩(wěn)定性，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。