420t/h鍋爐低氮燃燒改造與運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整

周楊軍

（中國(guó)華電集團(tuán)公司浙江分公司，杭州 310015）

頻發(fā)的霧霾天氣將大氣污染防治演變?yōu)槿裨掝}，減少污染物排放、改善空氣質(zhì)量已成為各級(jí)政府和民眾關(guān)切的重要議題。隨著GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的頒布實(shí)施，對(duì)現(xiàn)有鍋爐進(jìn)行脫硝改造成為各燃煤火力發(fā)電廠的首要任務(wù)。而爐內(nèi)低氮燃燒改造與尾部煙道脫硝改造相比，具有應(yīng)用廣泛、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效等優(yōu)點(diǎn)，脫硝效率高達(dá)60%以上，因此爐內(nèi)低氮燃燒改造技術(shù)是燃煤發(fā)電廠氮氧化物控制的首選技術(shù)。

1 改造前鍋爐概況和煤種特性

某發(fā)電廠5號(hào)鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的SG-420/13.7-M417A型超高壓、單汽包、自然循環(huán)、中間儲(chǔ)倉(cāng)、熱風(fēng)送粉、固態(tài)排渣、一次中間再熱煤粉爐，額定蒸發(fā)量為420t/h，于1996年投運(yùn)。煤粉燃燒器為四角布置切向燃燒、噴嘴固定式的直流燃燒器，假想切圓的直徑為Φ200 mm和Φ400 mm，中/下層二次風(fēng)切圓正偏轉(zhuǎn)17°。每角燃燒器自上而下排列為二次風(fēng)口、三次風(fēng)口、二次風(fēng)口、一次風(fēng)口、二次風(fēng)口、一次風(fēng)口、一次風(fēng)口、二次風(fēng)口，共布置有8層噴口。爐膛尺寸為9600 mm×8840 mm。制粉系統(tǒng)配用2臺(tái)型號(hào)為DTM320/580的鋼球磨煤機(jī)。燃用煤種主要為準(zhǔn)混2號(hào)和5號(hào)（煤種特性見(jiàn)表1），由燃料特性可知該煤種易著火、易燃盡，結(jié)渣偏輕，含硫量稍高，易導(dǎo)致水冷壁結(jié)渣和高溫腐蝕。

表1 燃料特性

2 低氮燃燒改造思路

針對(duì)該鍋爐特點(diǎn)和煤種特性，采用多空氣分級(jí)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有燃燒器進(jìn)行整體綜合改造。鑒于三次風(fēng)對(duì)鍋爐燃燒及NOX控制影響較大，同時(shí)SOFA（分離燃盡風(fēng)）的設(shè)置將影響原二次風(fēng)配比。為減少三次風(fēng)對(duì)鍋爐燃燒及NOX控制影響，本次改造對(duì)三次風(fēng)進(jìn)行濃淡相分離，濃相降低高度進(jìn)入主燃燒區(qū)，既有利于煤粉燃盡和鍋爐效率的提高，也可以減少原主燃燒區(qū)域二次風(fēng)量配比，缺點(diǎn)在于不利于穩(wěn)燃；淡相則提升高度作為燃盡風(fēng)布置在SOFA風(fēng)下部，其約10%的富余風(fēng)量作為SOFA風(fēng)送入，優(yōu)化了爐內(nèi)分級(jí)配風(fēng)的調(diào)節(jié)手段。

即在主燃燒區(qū)送入全部一次風(fēng)粉、三次風(fēng)濃相及部分二次風(fēng)，在爐膛上方送入三次風(fēng)淡相及SOFA風(fēng)，實(shí)現(xiàn)爐膛垂直方向的空氣分級(jí)燃燒；一次風(fēng)采用水平濃淡分離，加上部分二次風(fēng)與一次風(fēng)氣流偏置形成貼壁風(fēng)，在爐膛水平方向也形成空氣分級(jí)燃燒，兩個(gè)方向的空氣分級(jí)燃燒將使主燃燒區(qū)中心形成有較高煤粉濃度、較高溫度、合適氧濃度、較高燃燒強(qiáng)度的富燃料燃燒區(qū)，有效控制燃料型和熱力型NOX生成；爐膛近壁形成較低溫度、較高氧濃度、較低CO濃度的富空氣區(qū)，防止水冷壁結(jié)焦和高溫腐蝕；另一方面缺氧燃燒的還原性氣氛還能促使主燃區(qū)生成的揮發(fā)氮物質(zhì)還原為N2。在燃盡區(qū)送入三次風(fēng)淡相和SOFA風(fēng)，形成富氧燃燒區(qū)，使未燃盡成分充分燃燒。

3 低氮燃燒改造方案

3.1 增加SOFA風(fēng)系統(tǒng)

在主燃燒器上方增加2層SOFA燃燒器，風(fēng)量為總風(fēng)量的20%；增加1層三次風(fēng)淡相，風(fēng)量為總風(fēng)量的10%，如圖1所示。由鍋爐兩側(cè)風(fēng)道引熱風(fēng)到四角SOFA燃燒器，沿爐膛高度方向形成四級(jí)送風(fēng)，分級(jí)燃燒，以減少NOX的生成。SOFA燃燒器噴口可以垂直方向自動(dòng)擺動(dòng)±20°，水平方向手動(dòng)擺動(dòng)±15°，這種設(shè)計(jì)即可調(diào)節(jié)NOX的排放濃度，也可調(diào)節(jié)爐膛出口煙溫，控制爐膛出口側(cè)煙溫偏差，還可起到按需配風(fēng)，實(shí)現(xiàn)最佳燃燒的目的。每個(gè)噴口均有調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)擋板，可根據(jù)運(yùn)行要求自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量。

3.2 一次風(fēng)系統(tǒng)改造

圖1 燃燒器布置

主燃燒器下一次風(fēng)仍采用微油點(diǎn)火方式，中一次風(fēng)布置升高150 mm，上一次風(fēng)標(biāo)高不變。采用百葉窗濃淡燃燒技術(shù)改造相應(yīng)的煤粉管道及噴口，將煤粉分成了濃淡兩股煤粉氣流，無(wú)論是濃側(cè)還是淡側(cè)都形成了偏離化學(xué)當(dāng)量燃燒，即在爐膛水平方向形成燃料和風(fēng)量的分級(jí)燃燒，從而減少NOX的生成，防止水冷壁結(jié)渣和高溫腐蝕。

3.3 二次風(fēng)系統(tǒng)改造

主燃燒器下二次風(fēng)因增設(shè)了SOFA風(fēng)，二次風(fēng)噴口的風(fēng)量均進(jìn)行了調(diào)整，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)并更換主燃燒器的二次風(fēng)噴口。中二次風(fēng)及上二次風(fēng)噴口增設(shè)貼壁二次風(fēng)，在爐膛高溫燃燒區(qū)域水冷壁附近形成富空氣區(qū)，防止水冷壁結(jié)渣和高溫腐蝕，而且也在爐膛水平方向形成分級(jí)送風(fēng)，一定程度上可減少NOX的生成。考慮燃用煤種易著火，在下、中兩層一次風(fēng)之間設(shè)計(jì)一層小二次風(fēng)噴口，作為中周界風(fēng)，分隔中、下一次風(fēng)的集中布置，防止鍋爐結(jié)焦。

3.4 三次風(fēng)系統(tǒng)改造

三次風(fēng)進(jìn)入爐膛前進(jìn)行濃淡分離，濃相降低高度，布置在上一次風(fēng)與上二次風(fēng)之間，有利于燃盡和混合；淡相作為SOFA風(fēng)的一部分，緊鄰下SOFA風(fēng)布置，形成SOFA風(fēng)“2+1”配置，同時(shí)濃、稀相三次風(fēng)噴口均向下傾斜10°，以降低三次風(fēng)運(yùn)行對(duì)氮氧化物的影響。燃燒器改造前后BMCR（鍋爐最大出力工況）設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 燃燒器改造前后BMCR設(shè)計(jì)參數(shù)

4 改造效果

4.1 改造前鍋爐運(yùn)行狀態(tài)

在現(xiàn)行煤種條件下，煙氣NOX排放濃度約650～690 mg/m3（6%O2，換算至標(biāo)況下），不同負(fù)荷下主、再蒸汽溫度基本控制在540℃，過(guò)熱器減溫水量5～20t/h，再熱器減溫水量0～5t/h。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，磨煤機(jī)的投運(yùn)方式對(duì)NOX排放濃度的影響較大，NOX排放量大小由于投運(yùn)方式的不同依次為：無(wú)磨＞單磨＞雙磨。該鍋爐設(shè)計(jì)效率90.18%，鍋爐全年平均效率91.8%。

4.2 改造后性能試驗(yàn)

鍋爐系統(tǒng)改造后，經(jīng)過(guò)燃燒系統(tǒng)調(diào)試，鍋爐原有特點(diǎn)及燃煤適應(yīng)性保持不變，鍋爐出力及主要運(yùn)行參數(shù)基本達(dá)到設(shè)計(jì)保證值，爐膛未發(fā)生嚴(yán)重結(jié)焦及高溫腐蝕，受熱面金屬管壁未發(fā)生超溫、爆管等現(xiàn)象，鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷不低于50%BMCR負(fù)荷。表3為性能考核試驗(yàn)部分參數(shù)測(cè)試結(jié)果。

表3 性能考核試驗(yàn)部分參數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表3可知，鍋爐效率比改造前全年平均效率有所降低，過(guò)熱器、再熱器減溫水量在130 MW工況下比改造前有明顯增加，主要原因?yàn)榈偷脑旌蠡鹧嬷行纳弦?，水冷壁存在一定的結(jié)焦現(xiàn)象，使得爐膛出口煙溫上升，造成過(guò)熱汽溫、再熱汽溫上升，鍋爐排煙溫度升高6℃左右，排煙熱損失有所增加。

4.3 三次風(fēng)機(jī)淡相投停影響

機(jī)組125 MW負(fù)荷時(shí)，全關(guān)四角三次風(fēng)淡相，NOX（標(biāo)況）由 300 mg/m3升高至 400 mg/m3，前屏后煙溫降低20℃左右，由此說(shuō)明三次風(fēng)淡相確實(shí)起到了SOFA風(fēng)的輔助作用。三次風(fēng)淡相的投運(yùn)還相應(yīng)抬高了火焰中心，在一定程度上使該區(qū)域CO濃度略有升高（＜400 mg/L），但因其帶粉量有限，對(duì)煙道尾部飛灰可燃物含量及CO濃度等影響并不明顯。

5 運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整措施

5.1 四角配風(fēng)均衡

運(yùn)行中為保證四角配風(fēng)均衡以及分級(jí)配風(fēng)的實(shí)現(xiàn)，必須重視各風(fēng)門(mén)開(kāi)度與實(shí)際位置的一致性，定期對(duì)風(fēng)門(mén)擋板位置進(jìn)行整定校準(zhǔn)，并參考空氣動(dòng)力場(chǎng)冷態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮風(fēng)箱管道阻力等影響，合理確定四角各風(fēng)門(mén)實(shí)際開(kāi)度，防止配風(fēng)不均導(dǎo)致火焰中心偏移。

5.2 SOFA風(fēng)調(diào)節(jié)

考慮制粉系統(tǒng)三次風(fēng)淡相的配風(fēng)作用，SOFA風(fēng)原則上先投上層，開(kāi)度60%以上，以保證SOFA風(fēng)的剛性。2套制粉系統(tǒng)都停用時(shí)，將上層SOFA風(fēng)開(kāi)大到100%。下層SOFA風(fēng)在高負(fù)荷時(shí)投用，并參與一次風(fēng)壓、煙溫偏差的調(diào)整。SOFA風(fēng)噴口可上下（±20°）、 左右（±15°）擺動(dòng)，調(diào)整再熱汽溫與煙溫偏差。

5.3 一次風(fēng)調(diào)節(jié)

運(yùn)行中一次風(fēng)壓由改造前的2.8～3.0 kPa降至2.55 kPa以下，通過(guò)降低一次風(fēng)速，控制一次風(fēng)量，提高主燃區(qū)的煤粉濃度水平，保證主燃燒區(qū)的缺氧燃燒，也有利于后繼二次風(fēng)與SOFA風(fēng)的配風(fēng)調(diào)節(jié)，強(qiáng)化分級(jí)配風(fēng)、分級(jí)燃燒效果。

5.4 二次風(fēng)調(diào)節(jié)

四角二次風(fēng)門(mén)采用固定配風(fēng)模式，適當(dāng)開(kāi)大1號(hào)或4號(hào)角可調(diào)平兩側(cè)氧量。主燃燒器配風(fēng)采用錯(cuò)位配風(fēng)模式，下二次風(fēng)開(kāi)度最大，主要為了托住火焰和煤粉，防止冷灰斗結(jié)焦和大渣含碳量過(guò)大；中二次風(fēng)一般開(kāi)度較小，燃燒初始階段在一次風(fēng)集中的主燃區(qū)可推遲煤粉和空氣的混合時(shí)間；上二次風(fēng)開(kāi)度較大，可加強(qiáng)燃燒中期煤粉和空氣的混合，及時(shí)補(bǔ)入燃燒所需部分空氣；中周界風(fēng)可以起到防止結(jié)焦和調(diào)整火焰中心的作用。

5.5 氧量控制

運(yùn)行中必須結(jié)合負(fù)荷與煤種情況，嚴(yán)格控制爐膛出口氧量，并定期校對(duì)氧量計(jì)，確保氧量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。一般在SOFA風(fēng)開(kāi)度不變的情況下，爐膛出口氧量越低，鍋爐NOX排放值越低，但需要綜合平衡對(duì)飛灰含碳量、汽溫等指標(biāo)的影響。

5.6 給粉機(jī)投停

各給粉機(jī)盡量保持高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以保證主燃燒區(qū)維持較高的煤粉濃度水平（空氣燃料比），停給粉機(jī)時(shí)宜采用對(duì)角停運(yùn)方式，并及時(shí)關(guān)閉對(duì)應(yīng)的一次風(fēng)門(mén)，以減少爐內(nèi)火焰中心偏轉(zhuǎn)并控制主燃燒區(qū)風(fēng)量。

5.7 制粉系統(tǒng)運(yùn)行

因改造后火焰中心整體上移，為強(qiáng)化燃盡需適當(dāng)提高煤粉細(xì)度，建議R90提高到15%～18%左右。同時(shí)為平衡制粉出力，應(yīng)適當(dāng)提高磨煤機(jī)的鋼球加載量，制粉系統(tǒng)運(yùn)行原則上冷風(fēng)門(mén)全關(guān)，依靠熱風(fēng)門(mén)和再循環(huán)門(mén)控制磨煤機(jī)出口溫度，提高鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

5.8 減少爐膛、制粉系統(tǒng)漏風(fēng)

及時(shí)關(guān)閉爐膛各看火孔、人孔門(mén)及冷風(fēng)門(mén)等，對(duì)漏風(fēng)點(diǎn)進(jìn)行堵漏，減少雜散進(jìn)風(fēng)對(duì)鍋爐燃燒的影響。

根據(jù)改造后低氮運(yùn)行調(diào)試情況，不同負(fù)荷下推薦的一次風(fēng)壓、氧量、風(fēng)門(mén)等參數(shù)詳見(jiàn)表4。

6 結(jié)語(yǔ)

420t/h鍋爐因爐膛空間相對(duì)較小，實(shí)施低氮燃燒技術(shù)改造難度相對(duì)較大。采用多空氣分級(jí)技術(shù)方案進(jìn)行改造后，NOX及CO排放濃度、飛灰含碳量、鍋爐效率等指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其中NOX排放濃度（換算至標(biāo)況）從650～690 mg/m3降到了300 mg/m3以下，達(dá)到了國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組的先進(jìn)水平，年減排氮氧化物900t左右。

表4 不同負(fù)荷下的一次風(fēng)壓、氧量、風(fēng)門(mén)等參數(shù)

由于鍋爐燃燒是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，NOX的生成與燃燒調(diào)整密切相關(guān)，因此鍋爐運(yùn)行中的優(yōu)化調(diào)整非常重要，目前這方面的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)仍在不斷摸索和積累之中。改造后鍋爐排煙溫度略有提高，鑒于目前夏季鍋爐排煙溫度高達(dá)160℃，建議在后期的改造中增加低溫省煤器，以進(jìn)一步提高鍋爐效率。

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