600MW機(jī)組低氮燃燒器改造效果分析

焦林生 薛曉壘 金理鵬

(1.陜西神華國華錦界能源有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719313；2.西安熱工研究院有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215011)

0 鍋爐概況

鍋爐為600MW單爐膛、∏型布置、固態(tài)排渣、全鋼架結(jié)構(gòu)、平衡通風(fēng)、亞臨界壓力一次中間再熱控制循環(huán)汽包鍋爐。鍋爐采用擺動式燃燒器調(diào)溫，四角布置、切向燃燒，正壓直吹式制粉系統(tǒng)。鍋爐原燃燒器采用四角布置，共24只切向燃燒擺動式，每只燃燒器最大出力為11.5t/h，分六層布置，每層設(shè)置4只燃燒器。在頂部燃燒器上方各設(shè)一層燃盡風(fēng)和輔助風(fēng)噴口。煤粉噴口、二次風(fēng)噴口、燃盡風(fēng)噴口均可上下擺動，用以調(diào)節(jié)再熱汽溫。

正常運行時，鍋爐NOx排放濃度在402mg/m3～609mg/m3之間，該排放濃度已無法滿足環(huán)保和國家火力發(fā)電政策的要求[1]。為響應(yīng)國家“節(jié)能減排”政策號召，電廠對3號鍋爐進(jìn)行了低NOx燃燒系統(tǒng)改造。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Major design parameters of the boiler

1 改造方案

對燃燒器進(jìn)行重新布置，改變假想切圓直徑，調(diào)整各層煤粉噴嘴的標(biāo)高和間距，增加新的燃盡風(fēng)組件以增加高位燃盡風(fēng)量（改造后燃燒器見圖1）；除了A層一次風(fēng)沿用等離子燃燒器之外，更換其它5層一次風(fēng)噴口、噴嘴體及彎頭，一次風(fēng)全部采用上下濃淡、中間帶穩(wěn)燃鈍體的燃燒器；采用新的二次風(fēng)室，適當(dāng)減小端部風(fēng)室、油風(fēng)室及中間空氣風(fēng)室的面積；在湊燃盡風(fēng)室兩側(cè)加裝貼壁風(fēng)；采用節(jié)點功能區(qū)技術(shù)，在兩層一次風(fēng)噴口之間增加貼壁風(fēng)。

圖1 燃燒設(shè)備布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the burner layout

下端部風(fēng)及一次風(fēng)仍舊為逆時針方向旋轉(zhuǎn)，切圓適當(dāng)減?。黄渌物L(fēng)改為與一次風(fēng)小角度偏置，順時針反向切入，形成橫向空氣分級。風(fēng)量重新合理分配，并調(diào)整主燃燒器區(qū)一二次風(fēng)噴口面積，使一次風(fēng)速滿足入爐煤種的燃燒特性要求，主燃燒器區(qū)的二次風(fēng)量適當(dāng)減小，形成縱向空氣分級。燃燒器采用新的擺動機(jī)構(gòu)，可以整體上下擺動。

在原主燃燒器上方約9米處增加7層分離燃盡風(fēng)SOFA噴口，分配足量的SOFA燃盡風(fēng)量，SOFA噴口可同時做上下左右擺動。

1.1 燃燒器縱向布置

燃燒器由下至上依次為：AA二次風(fēng)、A一次風(fēng) （等離子燃燒器）、AB二次風(fēng)（油）、B一次風(fēng)、BC二次風(fēng)（帶貼壁風(fēng)）、C一次風(fēng)、CD二次風(fēng)（油）、D一次風(fēng)、DE 二次風(fēng)（帶貼壁風(fēng)）、E 一次風(fēng)、EF二次風(fēng)（油）、F一次風(fēng)、FF二次風(fēng) （帶貼壁風(fēng)）、OFA二次風(fēng) （帶貼壁風(fēng)）、WA貼壁風(fēng)、SOFA1～ SOFA7。

1.2 燃燒器橫向布置

在水平斷面上，一次風(fēng)射流在爐內(nèi)形成φ514和φ779的兩個大小切圓，二次風(fēng)射流與一次風(fēng)射流偏置7°，防結(jié)渣及降低NOx排放。燃盡風(fēng)組件布置在主燃燒器上方。

圖2 燃燒器切圓示意圖Fig.2 Schematic diagram of the burner firing

1.3 改造前后設(shè)計參數(shù)對比

表2 燃燒器改造前后設(shè)計參數(shù)Tab.2 The design parameters before and after the retrofit

2 燃燒調(diào)整試驗

鍋爐低氮燃燒器改造后，爐膛內(nèi)部整體燃燒狀況發(fā)生了較大變化，為了解燃燒器的改造效果，掌握鍋爐及其輔機(jī)在各種運行工況下的特性，確保鍋爐在最佳的安全、經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運行，需要對鍋爐進(jìn)行詳細(xì)的燃燒調(diào)整試驗。

整個調(diào)整工況包括變一次風(fēng)率、變煤粉細(xì)度、變氧量、變配風(fēng)（包括周界風(fēng)、SOFA風(fēng)和輔助風(fēng)）、變?nèi)紵鲾[角、變磨組合等工況，幾乎包括了爐側(cè)所有的可調(diào)因素，每個燃燒調(diào)整工況均對飛灰、爐渣進(jìn)行了采集，同時觀察減溫水量及汽溫變化，實測煙氣成分及排煙溫度，并得出每個工況的實測鍋爐效率以及NOx排放濃度，以便對燃燒器改造后鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保特性作出定性評估和量化分析。

燃燒調(diào)整試驗依據(jù)ASME PTC 4.1《鍋爐性能試驗規(guī)程》進(jìn)行[2]，煤的熱值取低位發(fā)熱量，灰渣平衡比率取飛灰90%，爐底大渣為10%。

爐內(nèi)溫度利用現(xiàn)有看火孔，使用IS8 plus便攜式紅外測溫儀進(jìn)行測試。試驗煤質(zhì)特性見表3。

表3 試驗煤質(zhì)特性分析Tab.3 Performance analysis of the coal

3 試驗結(jié)果

試驗主要在600MW、450MW和350MW負(fù)荷點下進(jìn)行，每個負(fù)荷點下確定出鍋爐的最佳運行狀態(tài)。各典型工況下機(jī)組主要運行參數(shù)與測試結(jié)果見表4。

表4 燃燒器改造前后試驗結(jié)果Tab.4 Experimental results the before and after the burner retrofit

3.1 NOx排放特性

燃燒器改造后，通過燃燒優(yōu)化調(diào)整，逐步降低主燃燒區(qū)域的過量空氣系數(shù)，增加分級燃燒的效果[3-4]，SCR系統(tǒng)入口NOx排放濃度較改造前有了大幅下降，詳見圖3。

600MW負(fù)荷下，鍋爐最優(yōu)狀態(tài)時NOx排放濃度（干基，折算到6%O2）由改造前的 609mg/Nm3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同）降至 135mg/Nm3，降幅達(dá)77.8%；450MW 負(fù)荷下，NOx排放濃度由改造前的 495mg/Nm3降至128mg/Nm3，降幅達(dá)74.1%；350MW～380MW負(fù)荷下，NOx排放濃度由改造前的402mg/Nm3降至132mg/Nm3，降幅達(dá)67.2%。通過燃燒器改造，全負(fù)荷工況下，NOx排放濃度平均降幅約70%，低氮改造效果非常明顯。

圖3 NOx排放濃度分布圖Fig.3 Distribution about concentration of NOxemission

SCR系統(tǒng)入口NOx濃度的降低，可以有效緩解SCR系統(tǒng)的壓力，根據(jù)最新的國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn) （NOx排放濃度小于100mg/Nm3），SCR系統(tǒng)僅需30%～40%的脫硝效率即可滿足環(huán)保要求，大大減少了尿素用量，節(jié)約了SCR系統(tǒng)的運行成本。

600MW負(fù)荷下，SCR入口實測NOx排放濃度最低可降至117mg/Nm3，但此時過熱器減溫水量上升至130t/h，再熱器減溫水量上升至145t/h，飛灰含碳量增加到1.94%，SCR入口CO含量約805ppm，鍋爐燃燒狀況較差。

降低NOx排放濃度與減小減溫水量、降低飛灰含碳量之間相互制約，在鍋爐最佳運行狀態(tài)下（NOx排放濃度、減溫水量和鍋爐效率達(dá)到最佳平衡點），若想繼續(xù)降低NOx排放濃度，勢必會導(dǎo)致減溫水量增加、鍋爐效率下降。

3.2 汽溫特性

該鍋爐長期以來存在冷再溫度高的問題（比設(shè)計值高12℃左右），導(dǎo)致機(jī)組正常運行時，再熱器減溫水量偏高，高負(fù)荷下，機(jī)組再熱器減溫水量約35t/h。

低氮燃燒器改造后，由于分級燃燒程度增加，鍋爐火焰中心上移，在一定程度上會導(dǎo)致減溫水量進(jìn)一步增加。通過燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗，在兼顧NOx排放濃度的基礎(chǔ)上，過熱器減溫水量及再熱器減溫水量均比改造前增加了10t/h左右，沒有出現(xiàn)因低氮改造而導(dǎo)致減溫水量大幅上升的情況。

3.3 鍋爐效率

低氮燃燒器改造后，由于燃燒推遲，鍋爐火焰中心上移，在磨煤機(jī)磨輥加載壓力和折向門門擋板未做調(diào)整，即煤粉細(xì)度不變的情況下，勢必會導(dǎo)致飛灰含碳量上升，鍋爐未燃碳熱損失增加。

在不影響磨煤機(jī)出力及大幅增加制粉單耗的情況下，通過適當(dāng)降低煤粉細(xì)度，并配合風(fēng)門的調(diào)整，各負(fù)荷工況下，鍋爐飛灰含碳量均可以控制在1%左右，鍋爐未燃碳熱損失較改造前沒有明顯上升，鍋爐效率基本維持在改造前的水平。

3.4 爐膛溫度及結(jié)焦情況

為了了解燃燒器改造后爐膛內(nèi)部溫度場的變化情況，試驗期間通過爐膛看火孔測試了爐內(nèi)燃燒溫度，同時觀察并記錄燃燒器區(qū)域和屏區(qū)的結(jié)焦情況。

從表5可以看出，燃燒器改造后，燃盡風(fēng)門整體關(guān)小工況下的爐內(nèi)溫度分布情況與燃燒器改造前的分布情況相近。隨著燃盡風(fēng)比例的增加，爐膛上部火焰溫度逐漸上升，當(dāng)燃盡風(fēng)門整體開大時，爐膛上部大屏處溫度比燃燒器改造前上升了約100℃，證明燃燒器改造后，隨著燃盡風(fēng)的投入，爐膛火焰中心上移，由此，勢必會導(dǎo)致爐內(nèi)各受熱面的換熱發(fā)生變化。

表5 爐膛火焰溫度Tab.5 Flame temperature distribution in furnace

由于神木錦界煤屬于低熔點、易結(jié)焦煤種 （其軟化溫度僅約1210℃），再加上低氮燃燒器改造后，爐內(nèi)主燃燒區(qū)域處于缺氧燃燒狀態(tài)，極易導(dǎo)致爐內(nèi)結(jié)焦情況發(fā)生，因此，試驗期間密切觀察了爐內(nèi)的結(jié)焦?fàn)顩r。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在看火孔附近有輕微的結(jié)焦情況，爐內(nèi)受熱面上僅有少量的附焦，與燃燒器改造前的情況相似，這反映出低氮燃燒器改造并未造成爐內(nèi)大量結(jié)焦的情況發(fā)生。

4 結(jié)論

（1）鍋爐低氮燃燒器改造后，全負(fù)荷工況下，SCR入口實測NOx排放濃度均能控制在140mg/Nm3以內(nèi)，與燃燒器改造前的402mg/m3～609mg/m3相比，平均降幅達(dá)70%左右，低氮改造效果非常明顯。

（2）低氮燃燒器改造后，由于分級燃燒程度增加，鍋爐火焰中心上移，過熱器減溫水量及再熱器減溫水量均比改造前增加了10t/h左右。

（3）低氮燃燒器改造后，通過燃燒調(diào)整試驗，各負(fù)荷工況下，飛灰含碳量均可以控制在1%左右，鍋爐未燃碳熱損失較改造前沒有明顯上升，鍋爐效率基本維持在改造前的水平。

（4）通過燃燒調(diào)整試驗，低氮燃燒器改造后的鍋爐在NOx排放濃度、減溫水量和鍋爐效率方面可達(dá)到最佳平衡點。降低NOx排放濃度與減小減溫水量、降低飛灰含碳量之間相互制約，在鍋爐最佳運行狀態(tài)下，若想繼續(xù)降低NOx濃度，勢必會導(dǎo)致減溫水量增加、鍋爐效率下降。

［1］GB 13223-2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].GB 13223-2011 Emission standards of air pollutants for thermal power plants[S].

［2］ASME PTC 4.1鍋爐性能試驗規(guī)程 [S].ASME PTC 4.1 Performance test code for utility boiler[S].

［3］馮兆興.高揮發(fā)分煤種電站鍋爐高效低NOx排放系統(tǒng)研究[D].石家莊：華北電力大學(xué)，2007.FENG Zhaoxing.Study on high efficiency and low NOxemission system of system of high volatile coal fired power plant boiler[D].Shijiazhuang:North China Electric Power University,2007.

［4］魯鵬飛.某600MW機(jī)組煙煤鍋爐低NOx改造及效果分析[J].陜西電力，2013,41(2):84-87.LU Pengfei,Low NOxretrofit for certain 600 MW bituminouscoal boiler and performance analysis[J].Shaanxi Electric Power,2012013,41(2):84-87.