W火焰爐低氮燃燒改造可行性研究

趙建芳，朱德明，杜 振，何 勝

(1．華電滕州新源熱電有限公司，山東 滕州 277500；2.華電電力科學(xué)研究院， 浙江 杭州 310031)

0 引言

我國是煤炭資源大國，其中無煙煤儲藏量占到煤炭總儲藏量的15%左右[1-2]，而“W”型火焰鍋爐目前被認(rèn)為是燃用低揮發(fā)份無煙煤的較好選擇[3-4]。國內(nèi)的W火焰鍋爐幾乎包含了世界上全部的W火焰鍋爐爐型，其技術(shù)分別屬于美國FW、美國B&W、法國阿爾斯通STEIN和英國MBEL公司[5-7]。這些W火焰鍋爐在燃燒穩(wěn)定性、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力、帶負(fù)荷性能、運(yùn)行可靠性及可用率方面有明顯的優(yōu)勢，但也由于爐內(nèi)溫度水平普遍較高，設(shè)計(jì)空氣分級程度通常較淺，從而導(dǎo)致NOx大量生成，即其技術(shù)本身決定其NOx控制能力弱于其他鍋爐燃燒形式[1-8]。

《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)規(guī)定了W火焰鍋爐的NOx排放限值[9]。而目前W火焰爐的NOx排放濃度基本都在1000mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同)以上，有的甚至高達(dá)1800～2000mg/m3，遠(yuǎn)高于常規(guī)燃燒方式鍋爐的排放水平。如不采用低氮燃燒改造，則煙氣脫硝改造須達(dá)到較高的脫硝效率，相應(yīng)改造投資與運(yùn)行費(fèi)用也將大幅增加。因此，無論是從機(jī)組達(dá)標(biāo)排放要求還是從技術(shù)或工程實(shí)施角度、經(jīng)濟(jì)性角度考慮，對W火焰鍋爐進(jìn)行低氮燃燒改造是非常必要的。

1 設(shè)備概況

黔北電廠1、2號2×300MW機(jī)組鍋爐為北京巴威公司生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)單汽包鍋爐，采用 “W”型火焰燃燒方式，配置B&W專門用于燃用低揮發(fā)份燃料的濃縮型EI-XCL低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器，燃燒器布置在爐膛的前后拱上，并垂直于前后拱，前拱一排，后拱一排，每排各有 8 只燃燒器，共有 16 只燃燒器，其中 8 只燃燒器的二次風(fēng)順時針方向旋轉(zhuǎn)，另 8 只逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

3、4號2×300MW機(jī)組鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)單汽包鍋爐，采用 “W”型火焰燃燒方式，并配有24個雙旋風(fēng)筒分離式煤粉燃燒器，錯列布置在鍋爐下爐膛的前后墻拱上。每個燃燒器單元內(nèi)布置6個二次風(fēng)道及擋板，其中A、B、C擋板控制拱上部份的二次風(fēng)量，D、E、F擋板控制拱下部份的二次風(fēng)量。拱上部份二次風(fēng)僅占二次風(fēng)總量的30%～40%，大量的二次風(fēng)(約65%～70%)從拱下垂直墻上的風(fēng)口進(jìn)入爐膛。

2 摸底試驗(yàn)

為了獲得準(zhǔn)確的脫硝改造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對黔北電廠1～4號爐進(jìn)行了詳細(xì)的測試，在不同氧含量的條件下，測試滿負(fù)荷工況下1、2號爐和3、4號爐的煙氣參數(shù)，測試結(jié)果如表1。

表1 摸底試驗(yàn)測試結(jié)果

項(xiàng) 目1、2號爐3、4號爐123123相組負(fù)荷/MW300300300300300282爐渣可燃物含量/%7.066.996.182.062.072.67飛灰可燃物含量/%5.765.739.443.823.794.78空預(yù)器入口氧量/%4.104.213.344.234.024.29修正后排煙溫度/℃145147138134149 未燃碳熱損失/%4.364.317.242.452.463.42排煙熱損失/%5.435.464.534.704.974.63設(shè)計(jì)熱效率/% 91.56 91.68 修正后的熱效率/% 87.86～89.95 91.58～92.49NOx濃度/mg·m-3 1161～1337 1383～1638

分析可知，1、2號爐爐渣可燃物含量6.18%～7.09%，飛灰可燃物含量為5.73%～9.44%，相應(yīng)未燃碳熱損失為4.31%～7.24%，已明顯高于設(shè)計(jì)值；3、4號爐爐渣可燃物含量為2.06%～2.67%，飛灰可燃物含量為3.79%～4.78%，相應(yīng)未燃碳熱損失為2.45%～3.42%，能控制在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。而鍋爐熱效率方面，1、2號機(jī)組實(shí)際鍋爐效率低于設(shè)計(jì)值，3、4號爐實(shí)際鍋爐效率高于設(shè)計(jì)值。另外目前1、2號爐空預(yù)器入口NOx排放濃度較高時在1350mg/m3左右，3、4號爐空預(yù)器入口NOx排放濃度較高時在1650mg/m3左右，均已經(jīng)超出了同類電廠NOx排放濃度水平。

3 低氮燃燒改造思路

低氮燃燒改造應(yīng)立足鍋爐和燃燒器現(xiàn)有實(shí)際條件，在保證鍋爐效率和蒸汽參數(shù)穩(wěn)定和可調(diào)的前提下大幅降低NOx排放。黔北電廠1、2號鍋爐和3、4號鍋爐雖然出自不同鍋爐廠家，所采用的技術(shù)不盡相同，但同為W型鍋爐，其鍋爐燃燒系統(tǒng)低氮燃燒改造有共同的核心思路：即在拱下燃燒室內(nèi)組織大回流長火焰燃燒方式，并通過SOFA風(fēng)形成爐內(nèi)深度空氣分級低氮燃燒。

根據(jù)上述原則，建議方案的總體思路如下：

(1)應(yīng)用空氣分級燃燒技術(shù)，盡量降低下爐膛的過量空氣系數(shù)，使主燃區(qū)處于缺氧狀況，既可以減少主燃區(qū)燃料型NOx生成量，又可使煤粉無法完全燃燒放熱提升爐內(nèi)溫度，避免局部高溫現(xiàn)象，減少熱力型NOx的生成。

(2)增加分級風(fēng)量，并利用導(dǎo)流板將分級風(fēng)下傾合適的角度，延緩與主煤粉氣流的混合，推遲主煤粉氣流的折返點(diǎn)，充分利用冷灰斗附近爐膛空間，并可降低冷灰斗壁面的結(jié)渣可能性。

(3)在上爐膛增加單層SOFA噴口，強(qiáng)化分級燃燒，推遲大量熱空氣與主煤粉氣流的混合，使主煤粉氣流在較低溫處與大量空氣接觸，同時減少燃料型和熱力型NOx的生成。SOFA噴口采用套管式內(nèi)直外旋噴口，并且外環(huán)葉片角度可變，使旋流強(qiáng)度可調(diào)，加強(qiáng)燃盡風(fēng)與主煙氣流的混合。

4 改造方案

根據(jù)黔北電廠1、2號鍋爐和3、4號各自鍋爐燃燒系統(tǒng)的特性以及目前存在的問題，從強(qiáng)化煤粉的早期著火燃燒、提高火焰穿透深度、降低NOx排放、防止結(jié)渣和腐蝕等方面考慮，提出了低氮燃燒改造的可行性方案。

4.1 1、2號鍋爐具體改造

4.1.1 1、2號鍋爐存在的問題

W型鍋爐對煤質(zhì)的要求低，但煤粉燃盡率低、NOx排放濃度高是W型鍋爐普遍存在的缺陷。黔北電廠1、2號鍋爐由于煤質(zhì)偏離設(shè)計(jì)煤種較多，煤粉細(xì)度粗且均勻性差，且在設(shè)計(jì)時較少考慮NOx減排措施，導(dǎo)致飛灰、大渣含碳量較高，鍋爐效率偏低，煤耗偏高，NOx排放濃度相對較高。

經(jīng)過多年的磨合后，1、2號鍋爐運(yùn)行情況有了較大改善。此次摸底試驗(yàn)結(jié)果顯示，1、2號鍋爐爐渣可燃物含量為6.18%～7.09%，飛灰可燃物含量為5.73%～9.44%，均比之前有了進(jìn)步。但由于鍋爐在當(dāng)時設(shè)計(jì)時，較少考慮NOx減排措施，NOx排放濃度相對較高。

4.1.2 1、2號爐改造方案

(1)在前后墻標(biāo)高大約28400mm處設(shè)置一層SOFA噴口(如圖1)。

圖1 鍋爐改造方案

原鍋爐沒有設(shè)置SOFA風(fēng)，造成拱上二次風(fēng)風(fēng)率過大，拱下主燃區(qū)處在富氧環(huán)境下燃燒，這雖有利于煤粉的燃盡，卻大大增加了熱力型NOx和燃料型NOx的生成。為降低NOx的生成，同時又不影響鍋爐效率，改造方案設(shè)置了占總風(fēng)量15%～20%的SOFA風(fēng)。方案設(shè)計(jì)將SOFA噴口設(shè)計(jì)為內(nèi)外兩層，內(nèi)層直流，外層旋流。這種高風(fēng)速，并且內(nèi)直外旋的設(shè)計(jì)不僅提高了SOFA風(fēng)的剛度，保證了SOFA風(fēng)射入爐膛的深度，也保證了SOFA風(fēng)與爐內(nèi)煙氣混合的均勻性。

(2)優(yōu)化風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，將拱上風(fēng)、分級風(fēng)分開，新設(shè)SOFA風(fēng)風(fēng)箱。根據(jù)拱上風(fēng)和分級風(fēng)設(shè)計(jì)分配比率，在原前后墻風(fēng)箱合理位置處設(shè)置一層隔板，將拱上風(fēng)和分級風(fēng)按設(shè)計(jì)比率分配，將分級風(fēng)由分隔風(fēng)倉改為統(tǒng)倉。配合分級風(fēng)噴口下傾角度，在分級風(fēng)合理位置處設(shè)置導(dǎo)流板。合理設(shè)計(jì)SOFA風(fēng)箱，保證SOFA風(fēng)風(fēng)量及風(fēng)速，并在SOFA風(fēng)箱兩頭進(jìn)口處合適位置設(shè)置風(fēng)量測量裝置。

(3)整體更換原有燃燒器，并更換一次風(fēng)噴管耐磨鑄鋼，并在其中加裝鈍體，在出口處加穩(wěn)燃環(huán)。

(4)分級風(fēng)噴口的調(diào)整。將單只燃燒器的分級風(fēng)噴口由4個噴口改為2個噴口，增加16個電動風(fēng)門，同時將噴口位置適當(dāng)下移，并調(diào)整噴口下傾角。一方面加大主氣流的下沖深度，提高下爐膛的火焰充滿度，保證燃燒效率；另一方面，延緩一二次風(fēng)的混合，擴(kuò)大還原性氣氛區(qū)域，延長煤粉在還原氣氛區(qū)域的停留時間比例，有效控制燃料型NOx生成，同時可避免煤粉集中放熱形成局部高溫，減少熱力型NOx生成。

4.2 3、4號鍋爐具體改造

4.2.1 3、4號爐存在的問題

黔北電廠3、4號鍋爐在2010年前后對制粉系統(tǒng)進(jìn)行了改造，使煤粉細(xì)度及煤粉的均勻性得到較大改善，磨煤機(jī)出力也有一定程度的提高，但鍋爐目前運(yùn)行中仍然存在以下幾個主要問題：全部燃燒用空氣在下爐膛燃燒區(qū)域集中供給，使燃燒區(qū)域處于氧化性氣氛中；下爐膛燃燒區(qū)域內(nèi)煙氣溫度水平較高，導(dǎo)致在其他爐型中占比很少的熱力型NOx生成量顯著增加。兩側(cè)墻結(jié)焦嚴(yán)重，已導(dǎo)致四角燃燒器停運(yùn)。目前鍋爐運(yùn)行中F風(fēng)擋板開度為兩側(cè)小、中間大，其目的是增加爐膛中部的供風(fēng)量。盡管目前運(yùn)行中采取了在爐膛寬度方向上使風(fēng)門擋板處于不同開度的措施，但爐膛斷面上的氧量分布情況仍然是中間低，兩側(cè)高。由此可以說明爐膛兩側(cè)墻結(jié)焦嚴(yán)重的主要原因并不是爐膛兩側(cè)墻水冷壁附近煙氣中的氧濃度過低，而是燃燒中的高溫?zé)煔?煤粉火焰)直接沖刷兩側(cè)墻水冷壁所致；鍋爐高負(fù)荷時運(yùn)行氧量偏低，加風(fēng)會導(dǎo)致燃燒波動。

4.2.2 3、4號爐具體改造方案

鑒于黔北電廠3、4號鍋爐原燃燒器主要起到穩(wěn)燃效果，對NOx排放控制效果有限，因此建議對燃燒設(shè)備進(jìn)行整體更換改造，更換為新型低氮燃燒器。同時，在拱上垂直墻上一定高度處增設(shè)一層SOFA風(fēng)，并在目前實(shí)際運(yùn)行基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小下爐膛F風(fēng)風(fēng)量的供給，以降低鍋爐NOx排放量、提高燃燒穩(wěn)定性。

(1)SOFA風(fēng)布置。在拱上垂直墻(前后墻)上增設(shè)SOFA風(fēng)。SOFA風(fēng)噴口及風(fēng)箱的布置位置和尺寸需考慮原鍋爐結(jié)構(gòu)的限制條件，新增的SOFA風(fēng)噴口及風(fēng)箱布置在標(biāo)高為31500mm和28500mm的兩層剛性梁之間。如下圖5所示。SOFA風(fēng)噴口數(shù)量為26只，前后墻各13只。SOFA風(fēng)噴口沿爐膛寬度方向的布置位置位于相鄰的兩個煤粉燃燒器之間，在四角煤粉燃燒器外側(cè)靠近兩側(cè)墻處布置有SOFA風(fēng)噴口，用于增加兩側(cè)墻水冷壁附近煙氣中的含氧量，有利于緩解兩側(cè)墻水冷壁的結(jié)焦?fàn)顩r。前后墻各布置一只SOFA風(fēng)風(fēng)箱為，SOFA風(fēng)從下方的二次風(fēng)風(fēng)箱兩端原設(shè)計(jì)院風(fēng)道上引出，通過連接風(fēng)道引至SOFA風(fēng)風(fēng)箱。

SOFA風(fēng)噴口通過風(fēng)箱附掛在水冷壁上。SOFA風(fēng)風(fēng)箱入口處設(shè)有風(fēng)門擋板，每角的風(fēng)門擋板配1套執(zhí)行器，全爐共需新增4套風(fēng)門執(zhí)行器。連接風(fēng)道上設(shè)置風(fēng)量測量裝置，每角1套，全爐共4套，風(fēng)量測量裝置配差壓變送器，可輸出4～20mADC模擬量信號。新增的連接風(fēng)道“坐”在原設(shè)計(jì)院風(fēng)道上(局部加固)，它與SOFA風(fēng)風(fēng)箱之間設(shè)置非金屬膨脹節(jié)，以吸收熱態(tài)時的膨脹差。SOFA風(fēng)噴口的結(jié)構(gòu)如下圖3所示，它將SOFA風(fēng)分為內(nèi)外兩股，中間為直流風(fēng)，外周為旋流風(fēng)。兩股風(fēng)的風(fēng)量均可通過風(fēng)門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 SOFA風(fēng)噴口結(jié)構(gòu)

由于新增SOFA風(fēng)的布置位置受鍋爐現(xiàn)場條件的限制，因此其噴口中心線到拱上垂直墻拐點(diǎn)的距離較大，達(dá)到5260mm。為避免將來SOFA風(fēng)與上升煙氣的混合過分延遲而影響煤粉的燃盡和造成鍋爐減溫水量的大幅增加，SOFA風(fēng)噴口考慮按下傾一定角度設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)型式同時還有利于加強(qiáng)SOFA風(fēng)與上升煙氣的混合均勻性。增設(shè)SOFA風(fēng)后，該區(qū)域前后墻上原布置的吹灰器、觀察孔及測量孔等需進(jìn)行位置調(diào)整或取消。

(2)拱下F風(fēng)風(fēng)口導(dǎo)流板。原F風(fēng)風(fēng)口導(dǎo)流板可固定在目前長期運(yùn)行位置上，即60℃角度位置。在導(dǎo)流板前端搭焊梳型板，梳型板前端與水冷壁管子貼合，這樣可進(jìn)一步改善導(dǎo)流板對風(fēng)向的導(dǎo)流作用，同時原F風(fēng)導(dǎo)流板的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)予固定。

4.3 改造效果

黔北電廠1至4號鍋爐在實(shí)施低氮燃燒改造后，在燃用設(shè)計(jì)煤種時，鍋爐性能保證如下：

(1)鍋爐效率不降低，CO排放水平不高于 300μL/L，NOx排放濃度不高于850mg/m3(標(biāo)態(tài)、干基、6%O2)。在鍋爐正常運(yùn)行負(fù)荷下，鍋爐主、再熱蒸汽參數(shù)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)值并穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)在鍋爐額定負(fù)荷下，各級減溫水流量在可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)，且不超過設(shè)計(jì)值。

(3)燃燒器改造后，在燃煤煤質(zhì)變化范圍內(nèi)，能保證鍋爐長期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)屏過、高過、高再等受熱面的金屬壁溫在正常范圍內(nèi)。

(5)火焰中心適當(dāng)，不刷壁，爐膛出口左右兩側(cè)煙溫偏差在50℃之內(nèi)。

5 結(jié)語

通過對黔北電廠1至4號W火焰鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，得出NOx排放濃度偏高的主要原因，并提出1至4號機(jī)組W火焰爐低氮改造的方案，即在拱下燃燒室內(nèi)組織大回流長火焰燃燒方式，并通過SOFA風(fēng)形成爐內(nèi)深度空氣分級低氮燃燒。同時針對1、2號爐和3、4號爐各自特性提出具體的改造方案，保證在鍋爐效率不降低，CO排放水平不高于 300μL/L的條件下，1至4號W火焰鍋爐的NOx排放濃度不高于850mg/m3，從而為W火焰鍋爐低氮燃燒改造提供可行性的方案，保證W火焰鍋爐下一步煙氣脫硝改造的順利開展。

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