宣化熱電#1、#2機(jī)組低氮燃燒器改造

張立權(quán),李　潔,王勝軍（河北建投宣化熱電有限責(zé)任公司,河北　宣化　075100）

宣化熱電#1、#2機(jī)組低氮燃燒器改造

張立權(quán),李潔,王勝軍
（河北建投宣化熱電有限責(zé)任公司,河北宣化075100）

河北省環(huán)保廳根據(jù)申奧工作需要下發(fā)了新的環(huán)保要求，張家口地區(qū)燃煤電廠煙氣氮氧化物自2015年11月1日必須達(dá)到50mg/m3以下的排放要求。河北建投宣化熱電有限責(zé)任公司2×300MW機(jī)組改造前NOx排放量控制在100mg/m3以下，不能滿足50mg/m3以下的新排放標(biāo)準(zhǔn)，需對燃燒系統(tǒng)進(jìn)行低氮燃燒改造，實(shí)現(xiàn)更加深度的分級燃燒，達(dá)到降低NOx排放值的目的。

環(huán)保指標(biāo)；NOx排放；50mg/Nm3，燃燒系統(tǒng)改造

1　項(xiàng)目簡介

河北建投宣化熱電有限責(zé)任公司2×300MW機(jī)組是北京巴布科克?威爾科克斯有限公司提供的亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的∏型汽包爐。鍋爐原脫硝入口設(shè)計(jì)NOx在450mg/m3，脫硝出口90mg/Nm3，效率為80%，經(jīng)過脫硝后機(jī)組氮氧化物排放穩(wěn)定在70～80mg/m3。由于環(huán)保要求提高，現(xiàn)需要將脫硝出口排放降低到50mg/Nm3，原有脫硝系統(tǒng)已不能滿足要求，必須對原鍋爐系統(tǒng)低氮燃燒改造。

2　NOx排放值高的原因分析

2.1NOx的生成機(jī)理

NOx有三種生成機(jī)理：第一種為熱力型，系由空氣中的氮與氧在較高溫度下反應(yīng)生成，該反應(yīng)一般在1500℃以上進(jìn)行，其生成量與溫度、在高溫區(qū)停留時(shí)間以及氧的分壓有關(guān)；第二種為燃料型，為煤中的有機(jī)氮氧化生成，其生成量與溫度關(guān)系不大，生成溫度低于熱力型，但與氧濃度關(guān)系較密切，煤粉與空氣的混合過程也對其有顯著影響；第三種為瞬發(fā)型（或稱快速型），系由燃料中烴基化合物在欠氧火焰中與氣體中氧反應(yīng)生成氰化物，其中一部分轉(zhuǎn)化為NO，其轉(zhuǎn)化率與化學(xué)當(dāng)量及溫度有關(guān)。煤粉燃燒所生成的NOx中，燃料型NOx比例較大，約為60%～80%以上，熱力型約占總量的20%，而瞬發(fā)型反應(yīng)生成的NOx只占很小比例。

2.2影響NOx產(chǎn)物生成的主要因素

從NOx的形成機(jī)理可以看出，煤粉在燃燒過程中產(chǎn)生的NOx主要是燃料型NOx，其次是熱力型NOx，瞬發(fā)型（或稱快速型）NOx所占比例較小不超過5%，在設(shè)計(jì)中一般不予考慮。因此影響NOx產(chǎn)物生成的主要因素是：燃燒區(qū)域溫度、提供的氧量大小、反應(yīng)時(shí)間及燃料中的氮含量。任一因素的增長將直接導(dǎo)致氮氧化物生成的增加。

根據(jù)以上原理分析可知，分級燃燒是降低NOx的關(guān)鍵。越深度的分級燃燒對降低NOx越有利，富燃料狀態(tài)持續(xù)時(shí)間越長，NOx排放越低。如果希望將#1、#2機(jī)組NOx排放值降低到250mg/Nm3以下，需要將更多的風(fēng)作為燃盡風(fēng)從燃燒器區(qū)上方分級送入爐膛，并將原燃盡風(fēng)系統(tǒng)上移，增加煤粉欠氧燃燒的時(shí)間。然而，欠氧燃燒勢必對燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響，燃燒器區(qū)風(fēng)量越少，煤粉燃燒越困難，火焰越不穩(wěn)定。直接帶來的負(fù)面影響是飛灰、爐渣含碳量增高，導(dǎo)致鍋爐經(jīng)濟(jì)性變差；另外大量的風(fēng)從燃燒器區(qū)上方送入，煤粉在此高度燃燒更加劇烈，爐膛內(nèi)火焰中心將有上移的趨勢，會造成屏底及尾部受熱面結(jié)焦加重、減溫水量增加、金屬壁溫超溫等現(xiàn)象。因此，在降低NOx排放的同時(shí)，如何維持鍋爐經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)行安全性的原有水平就成為了低氮燃燒改造技術(shù)是否成熟、改造結(jié)果是否成功的關(guān)鍵。

3　低氮燃燒系統(tǒng)改造方案

3.1對原OFA系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化

鍋爐原燃燒系統(tǒng)設(shè)有OFA系統(tǒng)，位于最上層燃燒器上方4500mm位置，前后墻各5只OFA噴口；主燃燒器區(qū)化學(xué)當(dāng)量約為0.9左右。根據(jù)燃燒煙煤的其他鍋爐OFA系統(tǒng)可知，本工程主燃燒器區(qū)化學(xué)當(dāng)量取值過于保守，OFA噴口高度不夠，空氣分級程度低，不利于減少NOx的生成。根據(jù)此情況，本次改造將主燃燒器區(qū)化學(xué)當(dāng)量定位0.8～0.85左右，并將OFA噴口標(biāo)高上移1500mm，由5只改為6只，前后墻共12只OFA噴口。

3.2更換原燃燒器

鍋爐原設(shè)計(jì)采用DRB-XCL燃燒器，由于燃燒效率及空氣利用率的影響，很難使主燃燒器區(qū)的化學(xué)當(dāng)量控制的更低。根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算，AireJet型超低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器結(jié)合DRB-4Z燃燒器再配合使用OFA噴口對降低NOx和防止結(jié)焦效果最好，故本次改造對原有除前后墻最下層以外的12只燃燒器進(jìn)行更換，采用美國B&W公司研制的AireJet型超低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器替代原有燃燒器；對前后墻最下層的8只燃燒器進(jìn)行更換，采用美國B&W公司研制的DRB-4Z燃燒器代替原有燃燒器。為了使鍋爐斷面熱負(fù)荷更加均勻、留出煤粉后期燃盡時(shí)間，需將后墻最上層燃燒器移至后墻中層。

AireJet燃燒器仍舊采用B&W公司傳統(tǒng)的雙調(diào)風(fēng)的宏觀結(jié)構(gòu)，但與以往各型燃燒器燃燒器不同的是在一次風(fēng)筒內(nèi)增設(shè)了中心風(fēng)筒（見圖1），這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于與以往不同的低氮燃燒理念而成的?？偟膩碚f，中心風(fēng)的引入，使煤粉氣流處于中心風(fēng)與內(nèi)二次風(fēng)之間的圓環(huán)中，煤粉氣流受到熱二次風(fēng)的加熱，由于加熱面積大大增加，有利于煤粉中的揮發(fā)分更快、更多的析出，有利于煤粉快速地著火；燃燒迅速而劇烈能快速消耗氧，不但使煤粉的燃盡時(shí)間相對延長，有利于降低飛灰含碳量；煤粉被內(nèi)、外兩股強(qiáng)烈的二次風(fēng)氣流包裹住，很難從中逃脫出來，也避免了煤粉刷墻的問題。因此，AireJet燃燒器不但具有超低NOx排放能力，而且具有著火迅速、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力強(qiáng)、燃燒效率高、抗結(jié)焦性能好和煤種適應(yīng)性強(qiáng)等方面的特點(diǎn)。

由于前墻最下層燃燒器采用等離子點(diǎn)火，后墻最下層也需要增加等離子點(diǎn)火系統(tǒng)，。而Airejet燃燒器存在中心風(fēng)，無法安裝等離子點(diǎn)火設(shè)備。故本次改造將前后墻最下層燃燒器更換為DRB-4Z燃燒器。

DRB-4Z燃燒器的特點(diǎn)：DRB-4Z燃燒器共分為四個(gè)區(qū)域（見圖2）：第一個(gè)區(qū)域?yàn)橐淮物L(fēng)和煤粉混合物的流通區(qū)域，第二個(gè)區(qū)域?yàn)榄h(huán)繞在一次風(fēng)外圍的過渡區(qū)，第三和第四區(qū)域分別為內(nèi)、外二次風(fēng)。燃料的初始燃燒階段發(fā)生在燃料相對富集的燃燒器噴嘴附近，處于過渡區(qū)域的空氣作為燃料富集區(qū)和內(nèi)二次風(fēng)之間的緩沖區(qū)。由于過渡區(qū)為直流，因而過渡區(qū)的二次風(fēng)氣流可推遲外圍旋轉(zhuǎn)氣流過早與一次風(fēng)中的煤粉接觸，并向核心部分卷吸高溫?zé)煔?。在這個(gè)過程中，由于缺氧，析出的揮發(fā)份氧化后會產(chǎn)生還原性物質(zhì)，抑制了NOx的生成量。隨著燃燒過程的推進(jìn)，內(nèi)外二次風(fēng)按一定的比例通過調(diào)風(fēng)器進(jìn)入燃燒器，由于內(nèi)外二次風(fēng)是旋流的，具有一定的旋流強(qiáng)度，通過卷吸高溫?zé)煔?，提供煤粉著火和穩(wěn)燃需要的熱量，并及時(shí)補(bǔ)充煤粉燃燒需要的氧量，有利于煤粉的燃盡，同時(shí)在此過程中，前期還原性物質(zhì)的存在，能將燃燒形成的NOx還原成氮?dú)猓∟2），進(jìn)一步降低NOx的生成量。

3.3其他附屬設(shè)備的改造

由于需要將更多的風(fēng)從燃燒器上方送入爐膛，新設(shè)計(jì)的燃燒器喉口尺寸將會變小，因此原水冷壁開孔也將同時(shí)更換；OFA噴口的上移，也需將原OFA水冷壁開孔進(jìn)行更換。水冷壁開孔采用膜片形式安裝，最大限度地減小現(xiàn)場安裝工作量。

由上述分析可知，在降低主燃燒器區(qū)化學(xué)當(dāng)量的情況下，由于新燃燒器在分級燃燒方面的先進(jìn)性，結(jié)合OFA噴口的上移，省煤器出口NOx排放比改造前能夠降低30%以上。并且由于新燃燒器在著火穩(wěn)燃上的先進(jìn)性，低氮改造后并不會對原鍋爐效率和運(yùn)行安全性產(chǎn)生影響。故改造后能將鍋爐NOx排放值控制在250mg/Nm3以下，并且鍋爐效率、飛灰含碳量及爐渣含碳量能夠保持在改造前的水平。

4　低氮燃燒系統(tǒng)改造經(jīng)濟(jì)性分析

為降低電廠的NOx排放，大體有兩種相對經(jīng)濟(jì)的方案可供選擇：

（1）對鍋爐燃燒器進(jìn)行改造。

（2）脫硝加裝一層催化劑。

對于運(yùn)行成本，催化劑的更換是關(guān)鍵問題,3+0層催化劑（即直接添加一層）的壽命管理分析如下：在初裝3層運(yùn)行3年后、催化劑活性達(dá)不到90%情況下，采用催化劑更換的手段，取出劣化程度最高的舊催化劑，替代以新催化劑；此時(shí)的舊催化劑活性仍比較高，仍有80～90%的活性，一方面對舊催化劑是種很高的浪費(fèi)，另一方面添加的新催化劑對整體活性增加有限，催化劑在運(yùn)行很短的時(shí)間（大概一年）后，催化劑又需要更換；催化劑的平均更換周期也是1年、催化劑的使用率偏低、催化劑運(yùn)行成本很高。以10年計(jì)，需更換8層催化劑。以3萬/m3計(jì)（同上），8層催化劑按每層130m3計(jì)，價(jià)值3120萬元，平均每年312萬元。

對于氨耗量，方案一的一臺鍋爐氨耗量為112kg/h，方案二的氨耗量為178kg/h，以每年6500小時(shí)運(yùn)行，液氨3000元/噸計(jì)，10年間，方案一氨耗量成本2184萬，方案二氨耗量成本3471萬。運(yùn)行成本（以10年跨度折算到每年）對比如下：1）方案一氨耗量218.4萬元；方案二催化劑更換費(fèi)用312萬元、氨耗費(fèi)用347.1萬元，合計(jì)659.1萬元。綜上，以10年計(jì)，方案一低氮燃燒器改造的總投資為2880+2184=5065萬元；方案二脫硝改造總投資為1510+6591=8101萬元，總投資方案一比方案二節(jié)約3036萬元。

5　結(jié)論

低氮燃燒技術(shù)是根據(jù)氮氧化物的生成機(jī)理，主要通過采用空氣分級燃燒、燃料分級燃燒和低氮燃燒器等方法降低煤粉燃燒過程中氮氧化物的生成量的技術(shù)。這類技術(shù)具有相對簡單，投資、運(yùn)行費(fèi)用較低等特點(diǎn)，是經(jīng)濟(jì)、有效的技術(shù)措施，對部分煤種如果優(yōu)化設(shè)計(jì)或改造效果良好，則無需對原脫硝系統(tǒng)進(jìn)行增容改造。河北建投宣化熱電有限責(zé)任公司2×300MW機(jī)組目前運(yùn)行狀況良好，本次低氮改造本著盡量減少原系統(tǒng)變化的原則，對OFA系統(tǒng)，燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了升級優(yōu)化，能夠降低脫硝系統(tǒng)入口30%NOx排放量，并且不會對鍋爐經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行安全性進(jìn)行影響。如果改造后能夠達(dá)到改造目標(biāo)，將會大幅度降低污染排放量以及電廠運(yùn)行成本。

張立權(quán)，從事生產(chǎn)管理工作，工程師。