東方型300MW亞臨界“W”型火焰鍋爐爐內(nèi)低氮燃燒改造

李旭升　熊鍇彬　劉賢榮

摘要：為適應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)格的國(guó)家環(huán)保政策要求，東方型300MW亞臨界“W”型火焰鍋爐需要進(jìn)行改造。文章介紹了東方型300MW亞臨界“W”型火焰鍋爐采用爐內(nèi)低氮燃燒方式改造的技術(shù)特點(diǎn)及改造后的運(yùn)行效果，為今后同類(lèi)型的鍋爐低氮及煤種適應(yīng)性改造提供了參考。

關(guān)鍵詞：“W”型火焰鍋爐；低氮燃燒技術(shù)；尾部煙氣脫硝裝置；發(fā)電機(jī)組；環(huán)保要求 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TK221 文章編號(hào)：1009-2374（2015）31-0091-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.046

1 改造背景

我國(guó)優(yōu)質(zhì)燃煤儲(chǔ)量有限，但無(wú)煙煤卻有著廣泛分布，燃用無(wú)煙煤的發(fā)電機(jī)組普遍采用的“W”型火焰鍋爐在燃燒穩(wěn)定性、運(yùn)行可靠性及可用率方面均有一定優(yōu)勢(shì)，但其氮氧化物（NOx）排放量普遍偏高，均在1000mg/Nm3（換算至O2=6%，以下均是）以上，有的甚至高達(dá)1800～2000mg/Nm3，難以滿足我國(guó)新的排放標(biāo)準(zhǔn)。目前我國(guó)已經(jīng)投運(yùn)和在建的“W”型火焰鍋爐有90臺(tái)以上，其中300MW等級(jí)的49臺(tái)，幾乎包含了世界上所有技術(shù)流派的“W”型火焰鍋爐爐型，且大部分未采用低氮燃燒技術(shù)，可預(yù)見(jiàn)為了適應(yīng)環(huán)保要求進(jìn)行改造是有廣闊市場(chǎng)的。為適應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)厲的國(guó)家環(huán)保政策要求，需采用鍋爐爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)+尾部煙氣脫硝裝置（SCR）的綜合技術(shù)方案，而SCR的初投資與運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用昂貴，若在進(jìn)入SCR前大幅降低煙氣中的NOx濃度，將會(huì)大大降低SCR的初投資和運(yùn)行成本，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，因此低氮燃燒技術(shù)成為電廠的首選方案。目前國(guó)內(nèi)采用“W”型火焰鍋爐的電廠均希望通過(guò)對(duì)原燃燒系統(tǒng)的改造使SCR前的NOx濃度控制在800mg/Nm3以下。由于“W”型火焰鍋爐低氮燃燒改造幾乎沒(méi)有先例，多是針對(duì)防結(jié)焦、降低排煙溫度、提高鍋爐效率等的局部改造，NOx排放高的問(wèn)題沒(méi)有得到根本解決，各電廠仍處于觀望階段。

2 機(jī)組簡(jiǎn)介

山西某電廠一期工程兩臺(tái)機(jī)組配套鍋爐為東方型（引進(jìn)吸收美國(guó)FW公司技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)）300MW亞臨界“W”火焰鍋爐，自20世紀(jì)90年代中后期投運(yùn)以來(lái)，由于實(shí)際燃用煤質(zhì)與原設(shè)計(jì)煤存在較大偏差以及當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)“W”火焰鍋爐投運(yùn)業(yè)績(jī)少、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限等原因，造成鍋爐投產(chǎn)后存在燃燒效率低、NOx排放量大、過(guò)熱器減溫水流量大、排煙溫度偏高、低過(guò)超溫等問(wèn)題，雖經(jīng)過(guò)各方面多次調(diào)整，一直未得到明顯改善。

鑒于以上因素，電廠委托東方鍋爐利用現(xiàn)有技術(shù)針對(duì)目前實(shí)際燃用煤種對(duì)#1鍋爐設(shè)備進(jìn)行改造，提供改造方案設(shè)計(jì)和完成主要設(shè)備供貨，擬通過(guò)改造達(dá)到節(jié)能減排、降低發(fā)電成本、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。

東方型亞臨界“W”火焰燃燒鍋爐主要技術(shù)特點(diǎn)為雙旋風(fēng)濃淡分離式燃燒器和雙進(jìn)雙出鋼球滾筒磨煤機(jī)的配合，燃燒器結(jié)構(gòu)及配風(fēng)示意圖如圖1所示：

3 爐內(nèi)低氮改造技術(shù)介紹

改造方案以電廠#1鍋爐原爐膛以及燃燒系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將爐膛前后墻拱上錯(cuò)列布置的24只雙旋風(fēng)筒煤粉分離式燃燒器改造為24只帶有乏氣分離裝置的直流式帶中心風(fēng)新型煤粉燃燒器，主煤粉噴嘴位于前后墻拱上，乏氣噴嘴則從拱上改為引至拱下前后墻中部。拱上原A、B、C二次風(fēng)合并為拱上二次風(fēng)并與主煤粉噴嘴錯(cuò)列布置，拱下原D、E二次風(fēng)取消，保留F二次風(fēng)（減小風(fēng)口面積和風(fēng)率）作為拱下二次風(fēng)。在上爐膛下部增設(shè)燃盡風(fēng)噴口（由旋流風(fēng)和直流風(fēng)組成，可分別調(diào)節(jié)），以降低NOx排放，具體如下：

3.1 一次風(fēng)改造

基于著火穩(wěn)燃。通過(guò)煤粉濃淡分離使一次風(fēng)率降低，提高煤粉濃度，減少其著火熱，提高無(wú)煙煤著火和穩(wěn)燃能力；使?jié)饪s后的煤粉氣流直接面對(duì)高溫火焰以利于吸收熱量；選取合適的一次風(fēng)速，在保證合適的煤粉著火位置的同時(shí)延長(zhǎng)一次風(fēng)下沖行程，增加煤粉氣流的加熱時(shí)間。

3.2 二次風(fēng)改造

基于形成合適、穩(wěn)定的下?tīng)t膛空氣動(dòng)力場(chǎng)。拱上二次風(fēng)與一次風(fēng)分離布置；取消垂直墻D、E二次風(fēng)風(fēng)口，僅利用原F二次風(fēng)擋板風(fēng)道繼續(xù)采用“風(fēng)墻”結(jié)構(gòu)。一方面通過(guò)分級(jí)送入二次風(fēng)而避免一、二次風(fēng)過(guò)早混合，抑制燃燒初期NOx的生成；另一方面增加火焰行程，利于煤粉的燃盡，同時(shí)緩解爐膛結(jié)焦問(wèn)題。

3.3 乏氣風(fēng)改造

一次風(fēng)分離出的淡煤粉氣流作為乏氣布置于原D、E二次風(fēng)口位置，向下傾斜進(jìn)入爐膛以減少其對(duì)拱上主氣流的影響，燃燒器分離出來(lái)的乏氣風(fēng)中含有少量細(xì)煤粉和大量空氣，在燃燒后期引入有利于煤粉燃盡和降低NOx生成量。

3.4 燃燼風(fēng)改造

在上爐膛下部布置燃燼風(fēng)風(fēng)口，將燃燒區(qū)域劃分為燃燒器區(qū)域和燃燼風(fēng)區(qū)域兩部分，通過(guò)調(diào)節(jié)兩級(jí)分級(jí)燃燒系統(tǒng)不同的風(fēng)量配比獲得更低的NOx排放水平。改造前、后爐膛燃燒設(shè)備布置比較示意圖如圖2所示：

4 改造前后鍋爐運(yùn)行情況

4.1 改造前

由電廠邀請(qǐng)第三方（具備資質(zhì)的專(zhuān)業(yè)測(cè)試單位）依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程對(duì)#1鍋爐進(jìn)行了改造前摸底測(cè)試，結(jié)果如下：

4.1.1 入爐煤低位熱值在21500～22040kJ/kg范圍，修正后的鍋爐熱效率分別為89.02%（240MW）、89.67%（270MW）、89.30%（290MW），均低于90%。

4.1.2 機(jī)組負(fù)荷240～290MW范圍內(nèi)，省煤器出口NOx排放濃度在950～1300mg/Nm3，平均在1200mg/Nm3以上。

4.1.3 環(huán)境溫度較高時(shí)（30℃～36℃），鍋爐排煙溫度較高，機(jī)組負(fù)荷240MW和270MW下對(duì)應(yīng)的空氣預(yù)熱器出口排煙溫度分別為145℃和150℃；環(huán)境溫度較低時(shí)（10℃），290MW負(fù)荷下空氣預(yù)熱器出口排煙溫度為140℃。換算至設(shè)計(jì)保證條件下，機(jī)組負(fù)荷在240～290MW范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的空預(yù)器出口排煙溫度為131℃～141℃。

4.1.4 鍋爐運(yùn)行氧量控制在4.0%（240MW）、2.80%（270MW）、2.9%（290MW）的最佳值時(shí)，飛灰含碳量均在10%左右。endprint

4.1.5 測(cè)試期間各工況下的過(guò)熱器減溫水流量均在100t/h以上，最高達(dá)到130t/h。

4.2 改造后

#1鍋爐改造大修工作于2013年3月完成，第三方依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行了系統(tǒng)的冷、熱態(tài)調(diào)整試驗(yàn)（包括制粉系統(tǒng)優(yōu)化試驗(yàn)），隨后進(jìn)行了鍋爐性能測(cè)試。由于5月初機(jī)組臨時(shí)檢修，5月中下旬又進(jìn)行了168小時(shí)試運(yùn)行，加上電網(wǎng)調(diào)度的因素，性能測(cè)試分為兩個(gè)階段：2013年4月下旬為第一階段；6月上旬為第二階段。測(cè)試期間各工況及不同負(fù)荷下，鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，主要運(yùn)行參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。以下是兩個(gè)階段的綜合測(cè)試結(jié)果：

4.2.1 入爐煤低位熱值在20073～25091kJ/kg范圍，機(jī)組負(fù)荷240～330MW范圍內(nèi)，空預(yù)器出口排煙溫度在124℃～140℃（換算至設(shè)計(jì)保證條件下），飛灰含碳量在6.5%～10%，鍋爐熱效率均在90%以上，最高達(dá)到91%。

4.2.2 機(jī)組負(fù)荷260MW及以下時(shí)，省煤器出口NOx排放濃度可輕松控制在800mg/Nm3以下，此時(shí)CO排放濃度小于150ppm，燃燒經(jīng)濟(jì)性好；機(jī)組負(fù)荷260～330MW范圍內(nèi)，省煤器出口NOx排放濃度為760～990mg/Nm3，CO排放濃度較高，為130～400ppm，若要將NOx排放濃度控制在800mg/Nm3以下，須犧牲一定燃燒經(jīng)濟(jì)性。

4.2.3 機(jī)組負(fù)荷210～330MW范圍內(nèi)，過(guò)熱器減溫水流量為60～93t/h。

4.2.4 鍋爐最大出力可達(dá)到1025t/h（設(shè)計(jì)值），對(duì)應(yīng)機(jī)組負(fù)荷330MW。

4.2.5 鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷對(duì)應(yīng)機(jī)組負(fù)荷為180MW，蒸汽參數(shù)正常。

4.2.6 機(jī)組負(fù)荷180～330MW范圍內(nèi)，過(guò)熱蒸汽溫度可達(dá)到額定值540℃±5℃。

4.2.7 測(cè)試期間各負(fù)荷下鍋爐低過(guò)、平過(guò)、高過(guò)、高再等受熱面金屬壁溫正常。

5 運(yùn)行效果及結(jié)論

性能測(cè)試結(jié)果表明，燃用改造要求的設(shè)計(jì)和校核煤種時(shí)，在機(jī)組240MW及以上負(fù)荷時(shí)，鍋爐熱效率達(dá)到90%以上，較改造前高，同時(shí)省煤器出口NOx排放濃度比改造前降低300～500mg/Nm3，空預(yù)器出口排煙溫度較改造前有所下降；若適當(dāng)犧牲燃燒經(jīng)濟(jì)性，省煤器出口NOx排放濃度均可控制在800mg/Nm3以下；機(jī)組負(fù)荷180～330MW范圍內(nèi)，鍋爐蒸汽參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值；過(guò)熱器減溫水流量為60～90t/h，優(yōu)于改造前水平。

改造后第一階段測(cè)試效果好于第二階段，這是由于鍋爐實(shí)際入爐煤質(zhì)產(chǎn)生大幅波動(dòng)（尤其是第二階段測(cè)試期間的入爐煤種多次偏離改造設(shè)計(jì)范圍），且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行后，爐膛結(jié)焦加劇導(dǎo)致?tīng)t膛溫度升高和受熱面換熱效果變差、燃燒經(jīng)濟(jì)性和NOx排放濃度兼顧性因此變差所致。

機(jī)組須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后方可真實(shí)、客觀地反映改造效果，性能測(cè)試分為跨度近兩個(gè)月的兩個(gè)階段，是可以反映客觀事實(shí)的。綜合兩個(gè)階段的測(cè)試結(jié)果分析，#1鍋爐本次低氮燃燒改造后運(yùn)行效果得到明顯改善，在燃燒經(jīng)濟(jì)性略有提高的前提下，氮氧化物排放濃度得到大幅下降，排煙溫度有所下降，過(guò)熱器減溫水流量也明顯下降，鍋爐運(yùn)行安全、穩(wěn)定，蒸汽等主要參數(shù)正常且達(dá)到設(shè)計(jì)要求，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。針對(duì)改造后運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題還需優(yōu)化和完善設(shè)計(jì)方案，使技術(shù)改造水平進(jìn)一步提高和成熟，增強(qiáng)鍋爐在煤種適應(yīng)性上的能力，為后續(xù)改造工程打下良好基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：李旭升（1982-），男，四川自貢人，東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司工程師，研究方向：電站鍋爐性能及試驗(yàn)研究、調(diào)試。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）endprint