超高壓鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)改造和性能考核試驗簡析

董建（山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南250013）

超高壓鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)改造和性能考核試驗簡析

董建
（山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南250013）

介紹了某電廠采用復合空氣分級燃燒技術對超高壓鍋爐進行低氮燃燒系統(tǒng)改造的案例。經(jīng)性能考核試驗證實，改造后降低污染物NOx排放超過50%，保持鍋爐效率基本不變，為同類鍋爐的改造提供了可借鑒的經(jīng)驗。

超高壓鍋爐；低氮燃燒系統(tǒng)；復合空氣分級燃燒技術

目前，大氣環(huán)境污染的形勢越來越嚴峻，國家環(huán)保部于2011年發(fā)布了《火電廠大氣污染物排放標準》[1]，該標準規(guī)定燃煤鍋爐排放的煙塵、二氧化硫、氮氧化物（NOx）將逐步在重點地區(qū)執(zhí)行20mg/m3、50 mg/m3和100mg/m3的標準。環(huán)保標準的提高，對于現(xiàn)役機組必須進行技術改造。

本文重點關注NOx減排的問題，目前電站鍋爐主要的NOx減排技術包括：低氮燃燒技術、選擇性催化還原技術（SCR）和非選擇性催化還原技術(SNCR)。其中低氮燃燒技術是通過對燃燒過程中的燃料和空氣進行優(yōu)化配置達到從源頭減少NOx產(chǎn)生的目的；而后兩種是采用氨水或者尿素作為還原劑，在合適的溫度窗口將煙氣中的NOx還原成N2，這兩種技術由于消耗還原劑，尤其是SCR技術要采用昂貴的催化劑，運行成本比較高。因此為了降低運行成本，一般電廠首先都要進行低氮燃燒改造，然后再配置SCR或SNCR技術，以達到最佳的經(jīng)濟、環(huán)保指標。在低氮燃燒改造過程中經(jīng)常遇到的技術難題是不能兼顧鍋爐效率，有的鍋爐改造后達到了降低NOx排放的目的，但同時也降低了鍋爐效率。本文介紹一個兼顧降低NOx排放又不影響鍋爐效率的改造案例。

1　鍋爐基礎情況

某電廠#4號機組鍋爐系上海鍋爐廠有限公司制造的超高壓中間再熱自然循環(huán)鍋爐，型號為SG-420/13.7-M753，平衡通風，π型爐膛布置，四角切圓燃燒，固態(tài)排渣方式。爐膛寬9600mm，深9323mm。該鍋爐自投運以來，省煤器出口NOx排放濃度一直維持在700mg/Nm3(O2=6%)左右，無法滿足最新的環(huán)保排放標準。為降低NOx排放，計劃加裝SCR脫硝設備配合進行低氮燃燒器改造，本文重點介紹該鍋爐低氮燃燒器改造的情況。

鍋爐燃燒系統(tǒng)基本情況：制粉系統(tǒng)采用中間儲倉、乏氣送粉式制粉系統(tǒng)。燃燒器采用正四角布置，切向燃燒。一次風噴嘴分四層布置。一、二次風噴嘴均由耐熱耐磨鑄鋼及不銹鋼板制成，除最上的噴嘴用手輪擺動，下二次風及下一次風的噴嘴不擺動外，其余噴嘴有電動執(zhí)行器驅(qū)動可作整組擺動。四個角上同一層噴嘴的擺動角度一致，保證爐內(nèi)有穩(wěn)定的空氣動力工況。

2　低氮燃燒器改造

2.1改造目標

本次改造后保證在燃用目前運行煤種條件下，經(jīng)過改造后，可達到以下性能指標。

（1）在50%～100%ECR工況下，NOx排放濃度在省煤器出口小于350mg/Nm3（以NO2計，折算O2=6%），鍋爐效率不小于91.8%。

（2）鍋爐改造后，通過適當?shù)娜紵{(diào)整，可使CO排放濃度不大于100μL/L，飛灰可燃物不高于2%，爐渣含碳量不大于5%。

（3）燃燒器改造后主蒸汽、再熱蒸汽溫度保持設計值，減溫水不超過設計值，應具有良好的煤種適應性，在常規(guī)燃煤范圍內(nèi)，保證鍋爐不發(fā)生結(jié)焦和腐蝕現(xiàn)象。

2.2改造方案

改造采用復合空氣分級低NOx燃燒技術，可充分降低鍋爐的NOx排放且兼顧鍋爐效率，具體改造方案制定如下。

（1）將主燃燒器的一、二次風噴嘴進行更換，更換一次風噴嘴周界風、二次風噴嘴的通流面積，保持一定的二次風風速，爐內(nèi)合理的空氣動力場。外部接口與原主燃燒器的外部接口相同，原有主燃燒器箱殼及水冷套、大風箱、剛性梁、火檢裝置、油系統(tǒng)基本不變。需增加以下設備：在每個角4只一次風/煤粉噴嘴、5只二次風噴嘴上裝設9只熱電偶固定裝置。

（2）在主燃燒器上部區(qū)域增加一段分離燃盡風（AGP），布置三層噴嘴，燃盡風量占總風量的30%。這樣使得主燃燒器區(qū)域形成了還原性氣氛，抑制氮氧化物的生成。三層AGP噴嘴可通過一個調(diào)節(jié)機構(gòu)作水平方向±15°的調(diào)節(jié)（左右擺動），這種左右擺動調(diào)節(jié)是手動的機械調(diào)節(jié)，可以在燃燒器組件外部進行而無需停機或停燃燒器層，用于消除爐內(nèi)煙氣的殘余旋轉(zhuǎn)，降低爐膛兩側(cè)的煙溫偏差。

（3）更換全部二次風門擋板：采用上鍋新型二次風門擋板，實現(xiàn)各段風量的精確控制。

改造方案的示意圖如圖1所示；改造后的B-MCR工況下的過量空氣系數(shù)的分布如圖2所示。

圖1　改造后燃燒器布置示意圖

圖2　改造后B-MCR工況下的過量空氣系數(shù)的分布

2.3改造原理分析

煤粉燃燒過程中，氮氧化物生成途徑主要有以下3種：（1）空氣中的氮氣被高溫氧化而生成的熱力型NOx；（2）燃料中的含氮化合物在燃燒過程中進行熱分解繼而進一步被氧化而成的燃料型NOx；（3）空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團等反應生成的快速型NOx。本文案例中的鍋爐燃燒溫度低于1500℃，產(chǎn)生的主要是燃料型NOx?？刂迫剂闲蚇Ox的主要原則為：降低過量空氣系數(shù)和氧氣濃度，使煤粉在缺氧條件下燃燒。燃料型NOx的形成主要集中于燃料的著火階段，這時煤粉熱解產(chǎn)生大量的揮發(fā)成分，如果氧氣充足，它們將迅速生成NOx；如果氧氣不足，則氮氣的形成得到強化，NOx的形成受到抑制。而這一原則與煤粉爐降低飛灰含炭量，提高燃盡率的原則相矛盾，所以在對鍋爐進行改造時，應綜合全面考慮[2]。

爐內(nèi)空氣分級燃燒就是根據(jù)這一原理，通過改變送風方式，控制爐內(nèi)空氣的分布，使煤在著火階段缺氧，即在燃燒器出口和燃燒中心區(qū)域造成還原性氣氛，從而降低NOx的生成量，未燃盡的炭粒將在爐膛上部的燃盡區(qū)與燃盡風混合并完全燃燒，其中燃盡風由主燃空氣分流而來，并通過爐膛上部燃盡風噴口噴入燃盡區(qū)。如圖2所示，本改造方案在主燃區(qū)的過量空氣系數(shù)為0.815，營造了缺氧的還原性氣氛，可有效降低燃料型NOx的生成；在主燃區(qū)上部設置的燃盡區(qū)補入缺少的空氣，使整體的過量空氣系數(shù)達到1.25，確保燃料的燃盡，避免降低鍋爐效率。

3　改造后的性能測試結(jié)果

為了驗證改造的效果，該電廠委托具備資質(zhì)的機構(gòu)在2014年7月對該鍋爐進行了低氮燃燒器改造后的性能考核試驗。試驗期間的煤質(zhì)與設計煤種相差不大，如表1所示，改造后經(jīng)過調(diào)試確定的風門開度如表2所示，主要試驗結(jié)果如表3所示。

表1　試驗期間的煤質(zhì)情況

表2　試驗期間風門開度

表3　主要試驗結(jié)果

從表3所示的考核試驗結(jié)果來看，鍋爐的NOx排放濃度達到了低于350mg/Nm3的改造目標，實現(xiàn)了高于50%的脫硝效率，達到了此次改造的主要目標。機組發(fā)電負荷和鍋爐主蒸汽流量可達到設計出力；在確保主蒸汽溫度保持設計值的情況下，減溫水未超量，再熱蒸汽溫度也達到了改造目標；代表化學未完全燃燒損失的CO濃度和代表機械未完全燃燒損失的飛灰可燃物和爐渣可燃物含量都達到了預期的目標，說明主燃燒風和燃盡風的配置合理，燃料完全燃燒；鍋爐效率高于預期目標，說明此次改造在確保降低NOx排放的同時，鍋爐燃燒、爐內(nèi)換熱等保持正常狀態(tài)，達到了預期目標。

［1］GB13223-2011.火電廠大氣污染物排放標準［S］.

［2］董利，李瑞揚.爐內(nèi)空氣分級低NOx燃燒技術［J］.電站系統(tǒng)工程，2003，19（6）：47-49.

(編輯：王智圣)

Low NOxCombustion Transformation of an Ultra High Pressure Boiler and the Performance Appraisal Test

DONG Jian
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan250013，China）

A case of low NOxcombustion system transformation on an ultrahigh pressure boiler using the classified combustion technology is introduced in this paper.The performance testconfirmed that the reduction ofNOxemissions reached more than 50%after transformation，and the boilerefficiency maintained the same.This case can provide the experience for the improvement of the same typeboiler.

ultrahigh pressure boier；low NOxcombustion system；classified combustion technology

TK22

A

1009－9492(2015)06－0154－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.045

2015－01－07

董建，男，1978年生，山東肥城人，大學本科，工程師。研究領域：電站鍋爐性能試驗與調(diào)試。已發(fā)表論文2篇。