雙尺度低氮燃燒器在350 MW機組的應(yīng)用

王洪濤

(大唐長春第三熱電廠,長春 130103)

隨著我國燃煤機組裝機總?cè)萘康目焖僭鲩L,降低 NOx排放對大氣造成的污染已成為節(jié)能減排的重要內(nèi)容之一。大唐長春第三熱電廠2×350 MW機組鍋爐配置了選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝裝置,于 2009年 3月投產(chǎn),原設(shè)計入口煙氣 NOx質(zhì)量濃度495 mg/m3,脫硝效率50%,不能滿足國家環(huán)保部門關(guān)于2014年7月1日后脫硝效率不低于 70%,NOx排放質(zhì)量濃度低于100 mg/m3的要求[1-2]。雖然對脫硝系統(tǒng)進行提效改造后脫硝效率可達到 70%,但NOx排放質(zhì)量濃度仍不能滿足要求,因此必須對燃燒系統(tǒng)進行低氮燃燒改造。

1 設(shè)備概況

350 MW機組鍋爐采用四角布置的切向擺動式燃燒器,燃燒出口射流中心線和水冷壁中心線的夾角分別為 39°和46。在爐膛中心形成逆時針旋向的2個直徑稍有不同的假想切園。為了削弱爐膛出口煙氣的旋轉(zhuǎn)強度,減小四角燃燒引起的爐膛出口煙溫偏差,主燃燒器上方設(shè)置了深度空氣分級(SOFA)燃燒器,SOFA風室采用反切設(shè)計,使其噴嘴出口中心線與主噴嘴中心線成 12°夾角,從而形成一個反向動量矩,平衡主燃燒器的旋轉(zhuǎn)動量矩,達到減少爐膛出口煙溫偏差的目的,并選取較大的燃燼風率控制NOx的排放量。

改造前100%額定工況(T HA)下SCR入口煙氣NOx質(zhì)量濃度為 421．10 mg/m3;60%THA SCR入口煙氣 NOx質(zhì)量濃度為 636．72 mg/m3;50%THA下SCR入口煙氣NOx質(zhì)量濃度為981．33 mg/m3;燃燒器風門出現(xiàn)同層四角開度不一致偏差很大;鍋爐高負荷運行時,減溫水流量偏大,100%THA工況時過熱器2級減溫水總量為 115．7 t/h,再熱器減溫水量為 20．5 t/h。 100%T HA,一次風壓維持 10．0 kPa,4臺磨煤機一次粉管平均風速為26．23 m/s,鍋爐在最大蒸發(fā)量(BMCR)工況設(shè)計噴口一次風速為 26 m/s,折算至一次風管風速為 24．1 m/s,一次風速基本正常。

2 雙尺度低氮燃燒技術(shù)

雙尺度低氮燃燒技術(shù)以爐內(nèi)影響燃燒的爐膛空間尺度和煤粉燃燒過程尺度為重點關(guān)注對象,全面實施系統(tǒng)優(yōu)化,達到防渣、燃盡、低NOx的目的。首先將爐內(nèi)大空間整體作為對象,通過爐內(nèi)射流合理組合及噴口合理布置,爐膛內(nèi)中心區(qū)形成具有較高溫度、煤粉濃度和氧氣區(qū)域,同時爐膛近壁區(qū)形成較低的溫度、CO、顆粒濃度的區(qū)域,在空間尺度上中心區(qū)和近壁區(qū)的溫度場、速度場及顆粒濃度場特性差異化。在燃燒過程尺度上通過對一次風射流特殊組合,采用低氮燃燒器,熱煙氣回流等技術(shù)強化煤粉燃燒、燃盡及NOx火焰內(nèi)還原,并使火焰走向可控,最終形成防渣、防腐、低 NOx及高效穩(wěn)燃多種功能的一體化。雙尺度低 NOx燃燒系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 雙尺度低NOx燃燒系統(tǒng)原理示意圖

3 低氮燃燒改造方案

3．1 縱向 3區(qū)分布

NOx生成主要有燃料型、熱力型及快速型 3種,燃料型 NOx約占總 NOx的 80%～ 90%,是各種低NOx技術(shù)控制的主要對象。其次是熱力型,主要是由于爐內(nèi)局部高溫造成,也可采用適當措施加時控制,快速型 NOx生成量很少。采取有效措施控制燃料型及熱力型 NOx的生成,即可達到降低NOx的生成量。因此將現(xiàn)有燃燒器改造為從下至上依次為氧化燃燒區(qū)、還原區(qū)及燃盡區(qū)的雙尺度低氮燃燒器。具體做法是更換現(xiàn)有主燃燒器,重新對各層二次風風率進行分配。主燃燒器區(qū)域內(nèi)對一二次風噴口采取重新組合及濃淡分布措施,一次風噴口采取空間濃淡燃燒技術(shù)組合分布及縱向過量空氣系數(shù)分布控制等一系列措施降低 NOx生成量,維持高效運行。

3．2 橫向雙區(qū)分布

通過對爐內(nèi)一二次風切圓的調(diào)整,并在適當位置布置有貼壁風噴口,在爐膛截面上形成了溫度場、速度場及顆粒濃度場特性截然不同的中心區(qū)與近壁區(qū)分布,中心區(qū)具有較高的煤粉濃度、較高的溫度和相對較高的氧濃度分布,而近壁區(qū)具有較低的溫度、較低的顆粒濃度和適宜的氧濃度。貼壁風可以保證壁面有足夠的氧氣存在,防止結(jié)渣及高溫腐蝕,又不改變主射流方向,本次改造采用一次風反切小切圓,二次風正切布置。一次風反切使一次風氣流逆向沖進上游來的高溫空氣,使煤粉在此區(qū)域內(nèi)遲滯濃縮,相對缺氧的前提下提早析出揮發(fā)份著火燃燒,對穩(wěn)燃及燃盡有利。

3．3 燃盡風布置

燃盡風采用高位燃盡風布置方式,保證足夠的還原高度。燃盡風分四層布置。保證運行時至少有一層備用,保證運行時調(diào)整手段靈活,通過不同層的搭配組合,以尋求最優(yōu)燃盡風位置。燃盡風設(shè)計為噴口可以左右、垂直擺動,用以強化燃盡效果及調(diào)節(jié)爐膛出口兩側(cè)煙溫偏差。運行時通過噴口擺動以實現(xiàn)燃盡區(qū)內(nèi)合理的空氣分布,實現(xiàn)很好的燃盡效果。燃盡風噴口采用橢圓噴口出口,保證燃盡風氣流具有很好的穿透性。

3．4 區(qū)域濃淡技術(shù)

一次風分為濃淡兩股后,形成偏離燃燒,濃淡兩側(cè)生成的 NOx總量均低于常規(guī)燃燒器,是一種常見的低 NOx技術(shù)手段。一次風采用逆向射流技術(shù),一次風氣流與上游來的高溫煙氣相遇,一次風煤粉形成滯止?jié)饪s燃燒,并相對延長了一次風的火焰長度,同時有利于降低NOx生成及減少飛灰可燃物。一次風噴口均采用波形鈍體結(jié)構(gòu),強化煤粉穩(wěn)燃及著火后碳顆粒的迅速彌散。兩層一次風濃淡分離后形成濃側(cè)相對集中,形成局部濃淡燃燒。兩層一次風之間的中間二次風噴口射流與一次風射流形成適當?shù)男〗嵌绕钌淙霠t內(nèi),一次風逆切圓方向射入爐內(nèi),二次風正切射入爐內(nèi)。在一次風完成揮發(fā)份燃燒、NOx生成及還原后,與一次風氣流混合,保證煤粉火焰內(nèi)的低NOx燃燒,并強化碳粒子的燃盡。

4 改造工程實施

a．在主燃燒器區(qū)上部布置高位 SOFA燃盡風,約占總風量的 35%,燃盡風噴口可上下、左右擺動。燃盡風布置四層,運行時調(diào)整手段靈活,通過不同層的搭配組合,以尋求最優(yōu)燃盡風位置。

b．通過對爐內(nèi)一二次風切圓的調(diào)整,并在 BB、DD層布置有貼壁風噴口,在爐膛截面上形成了3場特性截然不同的中心區(qū)與近壁區(qū)分布。

c．一次風按空間濃淡組合布置。采用濃淡型燃燒器,一次風用彎頭或擋塊等方法實現(xiàn)濃淡分離。AB、CD、EF三層二次風安裝油槍。

d．主燃燒器區(qū)噴口可以上下擺動,調(diào)節(jié)再熱器汽溫 ,一、二次風上下擺動范圍-20°～ +20°。

e．增加 4層可上下、左右擺動的高位燃盡風噴口,在原主燃燒器區(qū)域上部角區(qū)水冷壁開孔,相應(yīng)水冷壁彎管重新焊接。

f．原燃燒器上部兩側(cè)墻大風箱上蓋打開,向上接燃盡風道,與原大風箱結(jié)構(gòu)相似,風箱直接焊接在水冷壁上,并保持膨脹縫特點。

g．兩側(cè)墻新布置燃盡風箱處 B、C層吹灰器各拆除 8臺 ,吹灰器孔密封;四角主燃燒器(包括一二次風組件)等更換。

5 結(jié)束語

雙尺度低氮燃燒器改造后,機組運行穩(wěn)定,NOx入口質(zhì)量濃度從500 mg/m3降至260 mg/m3、年NOx排放總量從3300 t下降至 1716 t,年排放總量下降48%。按 SCR脫硝率 70%計算,出口煙氣NOx質(zhì)量濃度降低至78 mg/m3,可以滿足國家環(huán)保部門低于100 mg/m3的要求。大幅度降低了NOx排放對環(huán)境造成的污染,提高了機組的經(jīng)濟效益,為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展打下良好基礎(chǔ),具有顯著的環(huán)境效益和社會效益。

[1]GB 13223— 2011,火電廠大氣污染物排放標準 [S]．

[2]HJ 562— 2010,火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范 [S]．