300 MW鍋爐低NOx燃燒系統(tǒng)改造效果分析

盧紅書

(華電國際萊城發(fā)電廠，山東萊蕪 271100)

300 MW鍋爐低NOx燃燒系統(tǒng)改造效果分析

盧紅書

(華電國際萊城發(fā)電廠，山東萊蕪 271100)

針對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染、鍋爐熱效率低等問題，闡述了燃煤鍋爐爐內(nèi)空間分級(jí)燃燒技術(shù)、煤粉濃淡高效分離技術(shù)改造項(xiàng)目和特點(diǎn)，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)器系統(tǒng)等系統(tǒng)進(jìn)行具體的低氮改造措施。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，排放濃度降到了280mg/m3。

節(jié)能減排;氮氧化物;空氣分級(jí);水平濃淡;改造;燃燒器

1 概況

新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223－2011)從2012年開始實(shí)施［1］，其中，從2012年1月1日開始，所有新建火電機(jī)組NOx排放濃度標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)到100mg/m3;從2014年1月1日開始，重點(diǎn)地區(qū)所有火電投運(yùn)機(jī)組NOx排放濃度標(biāo)準(zhǔn)要達(dá)到100mg/m3，而非重點(diǎn)地區(qū)2003年以前投產(chǎn)的機(jī)組達(dá)到200mg/m3。

華電國際萊城發(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，并且隨著煤炭市場的日益緊張，入爐煤質(zhì)就越來越差:煤種亂，現(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)燃及燃盡的要求，但在實(shí)際運(yùn)行和對(duì)設(shè)計(jì)的分析中發(fā)現(xiàn)有以下幾方面的問題存在:

(1)由于煤炭資源市場變化復(fù)雜，目前萊城電廠實(shí)際燃用煤種摻合貧煤、劣質(zhì)煙煤、褐煤的混合;入爐煤灰分達(dá)30%～43%;揮發(fā)分24%～26%，發(fā)熱量15～18MJ/kg。燃用煤種煤質(zhì)分析見表1。

這無疑給鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)、高效燃盡、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排放濃度很高等等各種問題變得更加嚴(yán)重。但是，不可否認(rèn)目前這種狀況可能會(huì)長期存在，這也說明了目前鍋爐煤粉燃燒器及燃燒系統(tǒng)的煤種適應(yīng)性較差。

表1 改造考核燃用煤種煤質(zhì)分析

(2)NOx排放濃度偏高。根據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果表明，在機(jī)組滿負(fù)荷工況下，萊城電廠1號(hào)爐的NOx排放濃度高達(dá)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排放濃度約550～800mg/m3(標(biāo)干態(tài)，6%O2)，NOx排放濃度很高;

(3)爐膛燃燒器附近以及水冷壁壁面有結(jié)渣及結(jié)焦出現(xiàn)。

2 燃燒系統(tǒng)問題分析

(1)原采用彎頭分離上下濃淡的 WR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)氣流的作用下更易貼壁，而導(dǎo)致結(jié)渣和高溫腐蝕的發(fā)生;

(2)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，容易造成鈍體在一年左右時(shí)間損壞;

(3)原設(shè)計(jì)通過同心反切圓燃燒CFS－II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)對(duì)于四角切圓燃燒的“鄰角點(diǎn)燃”著火原理是違背的，這不利于鍋爐的低負(fù)荷不投油穩(wěn)燃;

(4)在采用原CE擺動(dòng)燃燒器技術(shù)設(shè)計(jì)［4］中，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的生成積極不利，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，這對(duì)于防止NOx的生成不利;

(5)原設(shè)計(jì)中燃燒系統(tǒng)頂部的兩層燃盡風(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)量都比較小，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;

(6)燃燒器煤種變化適應(yīng)性能力較差。

3 燃燒系統(tǒng)改造方案

在不改變鍋爐其他設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)的前提條件［5］下(如制粉系統(tǒng)、各級(jí)受熱面大小、熱風(fēng)溫度等等)，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，我們經(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:

(1)在爐膛縱向距離最上層一次風(fēng)燃燒器中心線約7．1m位置處布置4層剛性大覆蓋的SOFA［6］分離式燃盡風(fēng)噴嘴，大空間垂直分離的SOFA燃燒裝置(噴嘴、燃盡風(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)和上部燃盡區(qū)，中間為大空間的NOx還原區(qū)(如圖1所示)。圖1中列出了爐膛水平截面燃燒組織分區(qū)、一次風(fēng)射流示意、正反雙向偏離風(fēng)射流示意、預(yù)置反切SOFA射流示意。

圖1 燃燒系統(tǒng)改造方案的爐膛縱向空間及水平截面燃燒組織示意(H2－TPR)

(2)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］，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(如圖2所示)。

圖2 對(duì)置丘體水平濃淡一次風(fēng)煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)示意(H2－TPR)

(3)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)貼壁二次風(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一定的特性區(qū)域［7］，SOFA燃燒器技術(shù)規(guī)范詳見表2。

表2 SOFA燃燒器規(guī)范

該技術(shù)特點(diǎn):在爐膛垂直方向的大空間尺度上，形成了在燃燒器區(qū)域中心為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)與燃盡區(qū)之間的大空間NOx還原區(qū)［9］，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燃盡風(fēng)，構(gòu)成了煤粉的燃盡區(qū)。

(4)在SOFA燃盡區(qū)域，采用剛性大覆蓋的SOFA射流，以強(qiáng)化未燃盡煤粉的富氧燃燒，提高煤粉燃盡率以及降低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。

(5)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［10］，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)。

(6)采用降熱風(fēng)道阻力的燃盡風(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盡風(fēng)風(fēng)道，將二次風(fēng)未進(jìn)入主燃燒器大風(fēng)箱之前直接引至燃盡風(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

根據(jù)改造后性能考核試驗(yàn)，對(duì)改造效果進(jìn)行分析，主要包括NOx生成量、鍋爐效率、蒸汽參數(shù)等。

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)格法測量NOx與CO，每15min測量一次。分別在300、225、180MW負(fù)荷下作試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同負(fù)荷下的NOx生成量

從表3可以看出，低NOx燃燒系統(tǒng)改造后，NOx的生成量明顯降低，改造比較成功。利用爐膛紅外測溫儀測量顯示爐膛火焰中心溫度約為1300℃，未改造的鍋爐同樣負(fù)荷時(shí)約為1500℃。同樣根據(jù)NOx的生成量與火焰中心溫度的正比關(guān)系也可間接判斷出火焰中心溫度降低。

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)檢測，測試結(jié)果見表4。從表4可以看出，改造后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

4．2．1 排煙熱損失q2

排煙熱損失q2是由于鍋爐排煙帶走了一部分熱量造成的熱損失，其大小與煙氣量、排煙與基準(zhǔn)溫度、煙氣中水蒸汽的顯熱有關(guān)。我廠燃煤為煙煤之間，計(jì)算q2可采用如下簡化公式:

式中:αpy為排煙處過量空氣系數(shù)，我廠鍋爐可取為1．45;tpy為排煙溫度，℃;t0為基準(zhǔn)溫度，℃;

當(dāng)排煙溫度每升高1℃時(shí)，鍋爐熱效率約下降0．05%;我廠排煙溫度下降約為6℃，對(duì)應(yīng)鍋爐效率提高了約為0．3%。

4．2．2 化學(xué)不完全燃燒熱損失q3

化學(xué)不完全燃燒熱損失q3是由于煙氣中含有可燃?xì)怏wCO造成的熱損失，主要受燃料性質(zhì)、過量空氣系數(shù)、爐內(nèi)溫度和空氣動(dòng)力狀況等影響，可采用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

式中:CO為排煙的干煙氣中一氧化碳的容積含量百分率，%。我廠鍋爐q3可估算為0．5%。

4．2．3 機(jī)械未完全燃燒熱損失q4

機(jī)械未完全燃燒熱損失q4主要是由鍋爐煙氣帶走的飛灰和爐底放出的爐渣中含有未參加燃燒的碳所造成的，取決于燃料性質(zhì)和運(yùn)行人員的操作水平，簡化計(jì)算公式為:

式中:Aar為入爐煤收到基灰分含量百分，%;Cfh為飛灰可燃物含量，%;Qnet．a(chǎn)r為入爐煤收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg。

4．3 蒸汽參數(shù)

1號(hào)爐燃燒系統(tǒng)改造后其煙溫偏差很小，一般在20℃以內(nèi)。鍋爐主汽壓、汽溫均達(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，在控制范圍以內(nèi)。

5 結(jié)語

(1)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%，鍋爐效率不低于原設(shè)計(jì)值。

(2)機(jī)組大于50%負(fù)荷工況下鍋爐的NOx排放濃度不超過300mg/m3(6%O2)，各負(fù)荷下CO排放濃度不高于100μL/L。

(3)再熱蒸汽溫度的控制仍然采用擺動(dòng)噴嘴調(diào)節(jié)，爐膛(下爐膛)出口煙溫不超過原設(shè)計(jì)值。

(4)鍋爐在任意負(fù)荷下的運(yùn)行，主汽、再熱汽溫度與原設(shè)計(jì)保持不變;減溫水量與過去運(yùn)行保持一致;各受熱面管壁溫度不超限，爐膛出口左右兩側(cè)煙溫偏差不大于20℃，過熱器和再熱器兩側(cè)出口的汽溫差小于5℃。

(5)原鍋爐燃燒控制模式、運(yùn)行規(guī)程及要求維持不變，控制系統(tǒng)不變，且燃燒系統(tǒng)可適用揮發(fā)份20%～45%的貧煤、次煙煤、煙煤，煤種適應(yīng)性大。

［1］國家環(huán)境保護(hù)局．GB13223－2011．火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012．

［2］梁立剛，孟勇，吳生來．1025t/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):63－66．

［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］胡志宏，李德功，邵紅軍，等．600MW機(jī)組鍋爐低氮燃燒改造［J］．熱力發(fā)電，2014(4):131－134．

［5］朱明，張忠孝，周托，等．1000MW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．1000MW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］劉志江．低氮燃燒器改造及其存在問題處理［J］．熱力發(fā)電，2013 (3):77－81．

［9］徐揚(yáng)，張純潔，王國清．600MW鍋爐低NOx燃燒系統(tǒng)及磨煤機(jī)旋轉(zhuǎn)分離器改造技術(shù)分析［J］．黑龍江電力，2013(5):442－445．

［10］杜利梅，閆承先，劉珊伯．600 MW四角切圓鍋爐低NOx燃燒器改造試驗(yàn)研究［J］．黑龍江電力，2012(5):330－332．

Reformation of low NOxcombustion technology for Laicheng Power Plant 300 MW units

With the rapid development of the economy，aiming the pollution problems seriously，it introduces the technical characteristics of Multi Air separation－low NOxcombustion technology，proposes transformation plan for the low NOxcombustion，by using the international most advanced and mature Multi Air separation－low NOxcombustion technology，example for burner，the pipe of primary air，the system of second air．The economy and security of the boiler are analyzed．Experiments prove NOxemission achieved the design value 280mg/m3，the thermal efficiency of the boiler increased 1%．

energy conservation and emission reduction;nitric oxide;air staged;horizontal dense－dilute;reform atioll;burner

TK224

B

1674－8069(2015)03－028－04

2014-12-26;

2015-02-13

盧紅書(1977-)，女，工程師，從事火力發(fā)電廠集控運(yùn)行管理方面工作。E－mail:Lcdc009@163．com