萊城電廠1號(hào)爐低NOx燃燒系統(tǒng)改造效果分析

李衍平

（華電國(guó)際萊城發(fā)電廠，山東 萊蕪 271100）

萊城電廠1號(hào)爐低NOx燃燒系統(tǒng)改造效果分析

李衍平

（華電國(guó)際萊城發(fā)電廠，山東 萊蕪 271100）

為有效應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，火電廠鍋爐采取燃煤鍋爐爐內(nèi)空間分級(jí)燃燒技術(shù)、煤粉濃淡高效分離技術(shù)，提出了對(duì)燃燒器系統(tǒng)、一次風(fēng)管道、二次風(fēng)系統(tǒng)和空預(yù)器等系統(tǒng)進(jìn)行具體的低氮改造措施，并且分析了300MW燃煤鍋爐低氮改造后的熱經(jīng)濟(jì)性和安全性。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，1號(hào)鍋爐低氮改造后，鍋爐NOx排放量大幅減少，質(zhì)量排放濃度標(biāo)準(zhǔn)降到了300mg/m3。

節(jié)能減排；氮氧化物；空氣分級(jí)；水平濃淡；燃燒器

1 鍋爐概況

從2014年1月1日開始，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求重點(diǎn)地區(qū)所有火電投運(yùn)機(jī)組NOx質(zhì)量排放濃度標(biāo)準(zhǔn)要達(dá)到100mg/m3。然而，非重點(diǎn)地區(qū)2003年以前投產(chǎn)的機(jī)組達(dá)到200mg/m3[1]。燃煤電廠作為燃煤大戶，排放了大量的氮氧化物，嚴(yán)重影響了空氣質(zhì)量。為此，進(jìn)行鍋爐低氮改造迫在眉睫。

華電國(guó)際萊城發(fā)電廠1號(hào)爐設(shè)計(jì)煤種為山西煤與濟(jì)北混煤，但實(shí)際入爐煤已經(jīng)偏離設(shè)計(jì)和校核煤種，入爐煤質(zhì)越來越差?，F(xiàn)在入爐煤是貧煤、劣質(zhì)煙煤、褐煤的混合。在原設(shè)計(jì)中雖然考慮了采用濃淡分離燃燒來降低鍋爐NOx的生成排放、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)燃及燃燼的要求，但在實(shí)際運(yùn)行和對(duì)設(shè)計(jì)的分析中發(fā)現(xiàn)存在以下幾方面的問題。

a） NOx排放濃度偏高，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試表明，機(jī)組滿負(fù)荷下，1號(hào)爐的NOx質(zhì)量排放濃度最高約835mg/m3。由于2010年11月以來，鍋爐摻燒煤種亂、煤質(zhì)差，磨煤機(jī)一次風(fēng)量和機(jī)組運(yùn)行氧量比以前高，NOx排放濃度提高，在試驗(yàn)煤種條件下，煙氣NOx質(zhì)量排放濃度約550～800mg/m3，NOx排放濃度很高。

b）由于煤炭資源市場(chǎng)變化復(fù)雜，目前實(shí)際燃用煤種摻合貧煤、劣質(zhì)煙煤、褐煤；入爐煤灰分達(dá)到30%～43%，揮發(fā)分24%～26%，發(fā)熱量15～18Mj/kg，如表1所示。煤種變化給鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)、高效燃燼、低負(fù)荷穩(wěn)燃運(yùn)行帶來了巨大的壓力，如燃燒效率較低、穩(wěn)燃性差、燃燒器及水冷壁附近結(jié)渣、NOx排放濃度高等。

表1 改造考核燃用煤種煤質(zhì)特性

2 燃燒系統(tǒng)問題

a） 原采用彎頭分離上下濃淡的WR（Wide Range）燃燒器[2]，首先不能很好地實(shí)施濃淡分離的效果,對(duì)于降低燃燒初期的NOx生成性能一般，同時(shí)大量燃燒器周界風(fēng)的進(jìn)入，對(duì)于穩(wěn)燃和降低NOx都不利；其次采用上濃下淡的煤粉射流組織，不能較好地實(shí)現(xiàn)爐膛燃燒的風(fēng)包粉的技術(shù)要求，在主燃燒區(qū)域煤粉射流容易在爐膛旋轉(zhuǎn)氣流的作用下貼壁，而導(dǎo)致結(jié)渣和高溫腐蝕的發(fā)生。

b）原煤粉燃燒器噴嘴出口采用鈍體分離及導(dǎo)流煤粉[3]，造成鈍體運(yùn)行環(huán)境惡劣，既要承受煤粉沖擊磨損，同時(shí)又處于高溫環(huán)境，容易造成鈍體在1年左右時(shí)間損壞。損壞后嚴(yán)重影響鍋爐四角切圓燃燒，給鍋爐帶來了安全隱患。

c）原設(shè)計(jì)通過同心反切圓燃燒技術(shù)來起到保護(hù)水冷壁作用，這種技術(shù)在過去的應(yīng)用中已經(jīng)證明并不能降低煙溫偏差，而且一、二次風(fēng)大夾角反向進(jìn)入爐膛，如果爐膛內(nèi)氣流按設(shè)計(jì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，煤粉射流周圍沒有二次風(fēng)射流保護(hù)，對(duì)于防止水冷壁高溫腐蝕極其不利；其次，該設(shè)計(jì)與四角切圓燃燒的“鄰角點(diǎn)燃”著火原理是違背的，不利于鍋爐的低負(fù)荷不投油穩(wěn)燃。

d）在采用原美國(guó)燃燒工程公司擺動(dòng)燃燒器技術(shù)設(shè)計(jì)[4]時(shí)，噴嘴與壁面間隙過大（12mm），造成燃燒的無組織漏風(fēng)過大，這對(duì)于控制NOx的生成極其不利，特別在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行中會(huì)導(dǎo)致NOx大幅上升。大量的油風(fēng)室噴嘴旋流風(fēng)又容易快速地混入一次風(fēng)煤粉中，對(duì)于防止NOx的生成不利。

e）原設(shè)計(jì)燃燒系統(tǒng)頂部?jī)蓪尤紶a風(fēng)射流對(duì)于降低NOx效果不明顯，雖然有一定反切動(dòng)量，但其反切角度和反切動(dòng)量都較小，射流組織由于緊貼主燃燒區(qū)域，對(duì)于降低NOx和爐膛消旋的作用不明顯。

3 燃燒系統(tǒng)改造

在不改變鍋爐其他設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)的前提條件下[5]（如制粉系統(tǒng)、各級(jí)受熱面大小、熱風(fēng)溫度等），針對(duì)鍋爐實(shí)際運(yùn)行的煤質(zhì)情況及所存在的問題，在盡量減少改造工作量的要求下，經(jīng)過詳細(xì)的研究分析，此次鍋爐燃燒系統(tǒng)改造工作主要包括如下幾部分。

a）在距離最上層一次風(fēng)燃燒器中心線約7.1m處布置4層剛性大覆蓋的SOFA（Sepeated over Fire Air）[6]分離式燃燼風(fēng)噴嘴，大空間垂直分離的SOFA燃燒裝置（噴嘴、燃燼風(fēng)角風(fēng)箱、風(fēng)門、大風(fēng)箱、風(fēng)道及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)），占燃燒總風(fēng)量的29%左右，這樣在爐膛的縱向空間尺度上，將燃燒系統(tǒng)改造為主燃燒區(qū)和上部燃燼區(qū)，中間為大空間的NOx還原區(qū)，如圖1所示。

b）將原設(shè)計(jì)的一次風(fēng)煤粉燃燒器全部（除下層小油槍煤粉燃燒器以外）改為帶對(duì)置丘體高效濃淡分離裝置的水平濃淡煤粉燃燒器[7]濃淡比為8:2～7:3），同時(shí)濃一次風(fēng)煤粉射流反切逆向進(jìn)入爐膛向火面，在強(qiáng)化爐膛下部主燃燒區(qū)域煤粉的著火穩(wěn)燃能力的基礎(chǔ)上，極大地降低NOx的生成，同時(shí)防止煤粉噴嘴鈍體的磨損。

圖1 爐膛燃燒組織示意圖

c）采用“CEE高效低氮燃燒技術(shù)”，以爐內(nèi)空間分級(jí)燃燒技術(shù)、煤粉濃淡高效分離技術(shù)為核心，構(gòu)成爐內(nèi)超低NOx燃燒排放、煤粉高效穩(wěn)燃、高燃燼、防結(jié)渣、防高溫腐蝕的爐內(nèi)燃燒動(dòng)力場(chǎng)特性。該技術(shù)通過爐內(nèi)燃燒區(qū)域大空間分離的SOFA射流、水平濃淡分離一次風(fēng)射流、向火側(cè)/背火側(cè)壁二次風(fēng)射流的組合，在爐膛燃燒區(qū)域的縱向空間及水平截面上形成如下特性區(qū)域[7]，SOFA燃燒器規(guī)范如表2所示。

表2 SOFA燃燒器規(guī)范

在爐膛垂直方向的大空間尺度上，形成了燃燒器區(qū)域中心高煤粉濃度的著火穩(wěn)燃區(qū)、燃燒器及爐膛中心具有較高溫度、較高煤粉濃度和較低氧氣的主燃燒區(qū)域；在爐膛垂直方向的主燃燒區(qū)與燃燼區(qū)之間的大空間NOx還原區(qū)[8]，以及水平截面上由于水平濃淡分離的低NOx形成，極大地降低了爐膛燃燒的NOx生成排放；在靠近水冷壁區(qū)域形成較低溫度、較低CO濃度、低粉、高氧的水冷壁壁面附近的防結(jié)渣及高溫腐蝕區(qū)；在距整個(gè)燃燒區(qū)域頂部一定距離處投入SOFA燃燼風(fēng)，構(gòu)成了煤粉的燃燼區(qū)。

d） 在SOFA燃燼區(qū)域，采用剛性大覆蓋的SOFA射流，以強(qiáng)化未燃燼煤粉的富氧燃燒，提高煤粉燃燼率以及降低CO含量，同時(shí)極大地減少進(jìn)入爐膛上部及水平煙道的煙氣偏差，消除鍋爐兩側(cè)汽溫偏差。

e）在主燃燒器區(qū)域，布置有5層組合型雙向貼壁二次風(fēng)噴嘴射流，使得在靠近水冷壁區(qū)域形成具有較低溫度、較低CO濃度、低粉、高氧的水冷壁壁面防結(jié)渣及高溫腐蝕區(qū)。

f）采用降熱風(fēng)道阻力的燃燼風(fēng)風(fēng)道設(shè)計(jì)，在熱風(fēng)道下端合適的位置開孔引出燃燼風(fēng)風(fēng)道，將二次風(fēng)未進(jìn)入主燃燒器大風(fēng)箱之前直接引至燃燼風(fēng)大風(fēng)箱，并且加裝導(dǎo)流板，這樣反而可以降低二次風(fēng)的阻力大約30%左右，從而降低了廠用電，且保證了足夠的SOFA配風(fēng)及主燃燒器配風(fēng)要求。

4 改造效果分析

改造后性能考核試驗(yàn)，結(jié)果如下所示。

4.1 NOx生成量

在空氣預(yù)熱器出口兩側(cè)煙道，使用KM-9106儀器以網(wǎng)格法測(cè)量NOx與CO，每15 min測(cè)量1次。分別在300MW、225MW、180MW負(fù)荷下做試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，低氮改造后，NOx生成量明顯降低，改造比較成功。利用爐膛紅外測(cè)溫儀測(cè)量顯示爐膛火焰中心溫度約為1 300℃，未改造的鍋爐同樣負(fù)荷時(shí)約為1 500℃。同樣，根據(jù)NOx的生成量與火焰中心溫度的正比關(guān)系也可間接判斷火焰中心處溫度降低。

表3 不同負(fù)荷下的NOx生成量

4.2 鍋爐效率

在環(huán)境溫度30℃的額定負(fù)荷下，進(jìn)行了鍋爐性能試驗(yàn)，結(jié)果見表4。改造爐渣含碳量增加較大，飛灰含碳量有所下降。由于改造后燃燒距離拉大、火焰中心抬升、爐內(nèi)火焰充滿度較好，排煙溫度較低，降低了排煙熱損失，改造后的鍋爐效率略有增大。

表4 額定負(fù)荷下鍋爐性能試驗(yàn)對(duì)比

4.3 蒸汽參數(shù)

改造后的煙溫偏差很小，一般在20℃以內(nèi)。鍋爐主汽壓、汽溫都能達(dá)到設(shè)計(jì)值。過熱器減溫水量很少，但再熱器壁溫有時(shí)較高，但也都在控制范圍以內(nèi)。

5 結(jié)束語

a）在燃用為此次低NOx改造確定的考核煤種情況下，煤粉細(xì)度在合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，飛灰可燃物不大于2%、大渣含碳量不大于5%，鍋爐效率有所升高。

b）機(jī)組大于50%負(fù)荷工況下鍋爐的NOx質(zhì)量排放濃度不超過300mg/m3，各負(fù)荷下CO排放濃度不高于100μL/L，達(dá)到了低氮減排的目標(biāo)。

[1] 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院.火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn) 非書資料：GB13223—2011[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2012：2.

[2] 梁立剛，孟勇，吳生來.1 025 t/h鍋爐改造后運(yùn)行優(yōu)化及NOx排放特性試驗(yàn)研究[J].熱力發(fā)電，2013（1）：63.

[3] 李衍平.300MW燃煤鍋爐空氣分級(jí)低NOx燃燒系統(tǒng)改造技術(shù)[J].黑龍江電力，2013，35（3）：272-274.

[4] 焦傳寶，鐘磊.600MW“W”火焰鍋爐脫硝技術(shù)改造工程實(shí)踐[J].山西電力，2014（6）：30-34.

[5] 朱明，張忠孝，周托，等.1 000MW超超臨界塔式鍋爐爐內(nèi)水冷壁壁溫計(jì)算研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2012，32（1）：1-9.

[6] 鄒磊，梁紹華，岳峻峰，等.1 000MW超超臨界塔式鍋爐NOx排放特性試驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2014(3)：169-175.

[7] 高鵬，高明，張建文，等.600MW機(jī)組鍋爐低氮燃燒器改造試驗(yàn)研究[J].熱力發(fā)電，2013（4）：43-46.

[8] 史曉華，劉文偉，劉眾元.垂直濃淡燃燒器對(duì)水冷壁高溫腐蝕的探討[J].山西電力，2013（4）：50-51.

Effect Analysis of Low NOxCombustion Transformation for NO.1 Coal Boiler of Laicheng Power Plant

LIYanping

（China Huadian Laicheng Power Plant,Laiwu,Shandong 271100,China)

To effectively deal with the increasingly serious problem of environmental pollution, air- staged combustion technology and rich/lean pulverized coal separating technology were adopted by coal- fired thermal power plant. It was proposed to carry out low nitrogen transformation on burner system, primary air pipe, secondary air system, air pre- heater and other systems. 300 MWcoal- fired boilers with low nitrogen transformation were analyzed from the aspects of economy and safety. It was verified that after low nitrogen transformation of NO.1 boiler, NOx emissions were significantly reduced with emissions mass concentration dropping to 300 mg/m3.

energy conservation and emission reduction；nitrogen oxides；air staging；horizontal bias combustion；burner

TM621.2

B

1671-0320（2015）06-0059-04

2015-10-10，

2015-12-10

李衍平（1979），男，山東寧陽(yáng)人，2007年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)熱能動(dòng)力工程專業(yè)，工程師，從事火力發(fā)電廠集控運(yùn)行工作。