220t/h燃煤鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)改造試驗(yàn)研究

李佳良,　王東明

(本鋼板材發(fā)電廠(chǎng) 遼寧本溪, 117021)

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220t/h燃煤鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)改造試驗(yàn)研究

李佳良,王東明

(本鋼板材發(fā)電廠(chǎng) 遼寧本溪, 117021)

摘要本鋼板材股份有限公司本鋼發(fā)電廠(chǎng)220t/h燃煤鍋爐燃燒器改造前NOx排放濃度約800～900mg/m3，采用哈爾濱博深科技發(fā)展有限公司的“分拉垂直親和濃淡煤粉燃燒技術(shù)”對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了低氮改造。試驗(yàn)結(jié)果表明： 低氮燃燒器改造后，鍋爐在安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，NOx排放濃度可控制在450mg/m3以下，與改造前相比，NOx排放濃度平均降幅約50%，鍋爐效率不降低，低氮改造效果比較明顯。

關(guān)鍵詞低氮燃燒器; NOx排放濃度; 鍋爐效率

我國(guó)發(fā)電方式主要為采用化石燃料燃燒的火力發(fā)電，而火力發(fā)電廠(chǎng)三大主機(jī)設(shè)備之一——電站鍋爐，其發(fā)展伴隨著我國(guó)火電行業(yè)發(fā)展。

隨著中國(guó)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要方向向環(huán)保節(jié)能方向轉(zhuǎn)變?；痣娦袠I(yè)積極推進(jìn)“上大壓小”的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，大批低能效、重污染、小規(guī)模的火力發(fā)電機(jī)組被關(guān)閉，在一定程度上加快了我國(guó)火力發(fā)電設(shè)備的革新[1-3]。

近年來(lái)，作為與國(guó)民生活質(zhì)量息息相關(guān)的恒久產(chǎn)業(yè)——電站鍋爐產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)又好又快的發(fā)展前提下，工業(yè)鍋爐制造業(yè)取得了深層次的發(fā)展擴(kuò)大，日益規(guī)范的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提升了的技術(shù)水平，增加的工業(yè)鍋爐品種，顯著擴(kuò)大的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

1公司鍋爐概況

1.1鍋爐介紹

本鋼板材股份有限公司發(fā)電廠(chǎng)的220t鍋爐是武鍋WGZ220/100-13型四角切圓煤粉鍋爐，該爐為高溫高壓、自然循環(huán)、單汽包、單爐膛煤粉鍋爐，屋內(nèi)布置、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)，鍋爐爐室本體為全懸吊結(jié)構(gòu)。

爐膛截面為7.6m×7.6mm的正方形，煤粉燃燒器布置在爐膛的正四角上，爐膛四周密布φ60mm×5的鰭片管，切圓φ608mm。

鍋爐采用大切角正方形爐膛，有利于爐內(nèi)空氣動(dòng)力廠(chǎng)改善燃燒，防止結(jié)焦，由于切角，角部水冷壁受熱工況得到改善，這樣對(duì)于鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)水循環(huán)更為安全可靠。

1.2鍋爐主要參數(shù)

鍋爐主要參數(shù)： 過(guò)熱蒸汽額定蒸發(fā)量為220t/h；過(guò)熱蒸汽出口額定壓力為9.8MPa；過(guò)熱蒸汽出口額定溫度為540℃；給水溫度為215℃；空氣預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)溫度為30℃；鍋爐計(jì)算效率為91.17%。

1.3燃用煤質(zhì)

燃用煤質(zhì)的分析情況如表1所示。

2改造要求

(1) 低氮燃燒器改造后，在70%～100%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(Boiler Maximum Continuous Rating, BMCR)工況時(shí)，NOx排放折算濃度不大于450mg/m3(6%氧量)。

(2) 改造后的鍋爐效率不低于改造前實(shí)際效率值，同時(shí)空預(yù)器出口飛灰含碳量不超過(guò)4%，CO排放濃度低于100μL/L。

(3) 鍋爐出力情況和各參數(shù)在改造后保持不變。

(4) 鍋爐進(jìn)行改造后，要滿(mǎn)足安全、經(jīng)濟(jì)和可操作的運(yùn)行要求，同時(shí)擴(kuò)大對(duì)燃煤種類(lèi)的適應(yīng)性，預(yù)防結(jié)焦與高溫?zé)煔飧g。

表1　燃用煤質(zhì)分析Tab.1　Analysis of coal quality

(5) 要求被改造鍋爐的控制模式改造前后保持不變。

3鍋爐低氮改造原理分析

煙氣中的NOx主要在鍋爐爐內(nèi)產(chǎn)生，此類(lèi)NOx通常有兩種類(lèi)型，即熱力型和燃料型NOx[4]。大量研究表明，這兩種類(lèi)型產(chǎn)生NOx的因素主要包括：

(1) 熱力型NOx。NO生成量與高溫停留時(shí)間和氧濃度直接相關(guān)，溫度高于1500℃時(shí)，NO生成量會(huì)迅速增長(zhǎng)，一般呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而另一方面煤粉在高溫下停留時(shí)間越長(zhǎng)，燃盡風(fēng)越充足，NO的產(chǎn)生量就越多。

(2) 燃料型NOx。鍋爐燃料中的含氮量越高，過(guò)量空氣越多，生成的NOx就越多，轉(zhuǎn)化率也相對(duì)越高?？梢?jiàn)，要降低電廠(chǎng)煙氣中的NOx濃度，一方面要求低氧、低溫，煤粉在高溫階段停留時(shí)間盡可能的短，可以降低熱力型NOx的生成；另一方要求鍋爐條件低氧(尤其是揮發(fā)份的析出和燃燒階段)，以降低燃料型NOx生成。同時(shí)鍋爐運(yùn)行也要保證煤粉燃燒的穩(wěn)定性及飛灰灰渣的低含碳量，這就需要燃燒時(shí)要有足夠高的溫度、含氧量和煤粉濃度等條件，然而爐內(nèi)溫度越低或越分布合理，越有利于降低結(jié)焦及高溫腐蝕的發(fā)生概率[5-6]。

降低NOx排放與穩(wěn)定燃燒、降低飛灰含碳量、降低結(jié)焦和高溫腐蝕概率的措施在一定程度產(chǎn)生了矛盾，因此，在實(shí)際低氮排放改進(jìn)過(guò)程中，要綜合考慮各個(gè)方面的因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技術(shù)操作。

新一代的高濃縮比濃淡風(fēng)煤粉燃燒技術(shù)，采用的百葉窗式煤粉濃縮器是在一次風(fēng)管道內(nèi)經(jīng)過(guò)詳細(xì)研究和優(yōu)化后的產(chǎn)物，百葉窗式煤粉濃縮器使流經(jīng)百葉窗的煤粉氣流發(fā)生角度不同的偏轉(zhuǎn)，在慣性作用下發(fā)生煤粉、氣流相互分離，在分流隔板的作用下形成兩股濃、淡煤粉氣流[7-8]。

濃側(cè)煤粉氣流因氣流中氧含量小，燃燒過(guò)程中將NO還原為N2，進(jìn)而降低了氮氧化物的產(chǎn)生量；而淡側(cè)煤粉氣流，低煤粉含量和含氮量小決定了生成氮氧化物的量也比較少。因此，總體產(chǎn)生的氮氧化物氣體總量減少，高濃縮比濃淡風(fēng)煤粉燃燒技術(shù)條件下一次風(fēng)產(chǎn)生NO量比普通直流燃燒器要少的多[9]。

垂直濃淡煤粉燃燒技術(shù)，采用垂直濃淡煤粉燃燒器，可有效改善著火階段煤粉氣流的供風(fēng)，使煤粉在偏離化學(xué)當(dāng)量比環(huán)境中著火，降低了NOx生成量與排放濃度。

空氣分級(jí)燃燒技術(shù)為目前普遍使用的低NOx燃燒技術(shù)之一，該技術(shù)的主要原理為將空氣分成兩級(jí)送入爐膛，一級(jí)空氣進(jìn)入主燃燒區(qū)，同時(shí)控制主燃燒區(qū)內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)在0.8～1.0范圍內(nèi)，先進(jìn)行富燃料燃燒，降低燃燒速度和溫度，延遲燃燒過(guò)程，提高NOx向N2的轉(zhuǎn)化率，降低了主燃燒區(qū)的NOx生成量[10-11]。其余空氣通過(guò)燃盡風(fēng)噴口(OFA)送入爐膛，由于此處進(jìn)空氣量少，且燃燒火焰溫度低，大部分含氮基團(tuán)因在主燃區(qū)已反應(yīng)完成，故在次區(qū)燃燒產(chǎn)生的NOx量很少；由于燃盡風(fēng)的通入，使得煤粉顆粒中剩余的焦炭可以充分燃盡，進(jìn)而保證了煤粉的高燃燒效率。

將空氣垂直分級(jí)燃燒和濃淡燃燒技術(shù)相結(jié)合，既強(qiáng)化了主燃燒器區(qū)的還原性氣氛，又有利于提高NO還原率，可以更好地降低NOx排放量；同時(shí)將煤粉氣流著火提前，煤粉顆粒在高溫燃燒區(qū)域停留時(shí)間適當(dāng)增加，有利于充分燃盡煤顆粒中的焦炭[12-13]。這兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，雖然在主燃燒區(qū)保持了燃燒總體過(guò)量空氣系數(shù)小于1的還原性氣氛，但在近壁區(qū)為氧化性氣氛，提高了近壁區(qū)內(nèi)灰顆粒的熔點(diǎn)，有效減少了近壁區(qū)煙氣中的腐蝕性氣體濃度，有利于防止?fàn)t膛結(jié)渣和水冷壁高溫腐蝕。

4低氮改造方案設(shè)計(jì)

本鋼發(fā)電廠(chǎng)220t/h燃煤鍋爐在2014年進(jìn)行了低氮燃燒改造，采用哈爾濱博深科技發(fā)展有限公司自主研發(fā)的“分拉垂直親和濃淡煤粉燃燒”立體分級(jí)低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行改造，在降低NOx的同時(shí)，燃燒穩(wěn)定性好、避免了爐內(nèi)結(jié)渣和高溫腐蝕，并具有寬廣煤質(zhì)適應(yīng)性[14-15]。低氮燃燒技術(shù)改造具體方案如下：

(1) 采用分級(jí)送入的高位分離燃盡風(fēng)系統(tǒng)，燃盡風(fēng)噴口能夠垂直和水平方向雙向擺動(dòng)，有效控制汽溫及其偏差。

(2) 燃盡風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用直接由熱二次風(fēng)道上取出，保證燃盡風(fēng)配送的流量控制和輸送均等性。

(3) 主燃燒器區(qū)噴口管屏不變。

(4) 一、二、三次風(fēng)燃燒器重新設(shè)計(jì)布置，改造為垂直濃淡煤粉燃燒器，二次風(fēng)燃燒器采用均等配風(fēng)方式，保證還原時(shí)間和煤粉燃燼高度，確保NOx最大幅度減排。

(5) 保持一、二次風(fēng)原有的固定形式。

(6) 采用先進(jìn)的垂直超濃淡風(fēng)煤粉燃燒技術(shù)和噴口強(qiáng)化燃燒措施，可有效降低NOx排放，強(qiáng)化劣質(zhì)煤的燃燒穩(wěn)定性，保證高效燃燒，拓寬燃料適應(yīng)性，防止結(jié)渣和高溫腐蝕。

(7) 高濃縮比、低阻力新一代煤粉濃縮技術(shù)，確保煤粉及時(shí)著火，加強(qiáng)燃盡效果，燃料適應(yīng)性變寬。

(8) 采用延遲混合型一、二次風(fēng)噴口設(shè)計(jì)，鈍體+穩(wěn)燃齒，確保NOx大幅度減排。

(9) 采用一次風(fēng)燃燒器高溫耐磨濃淡燃燒技術(shù)，保證燃燒器的超長(zhǎng)穩(wěn)定運(yùn)行周期。

(10) 二次風(fēng)控制策略，等安裝完成過(guò)后，進(jìn)行各種工況的風(fēng)門(mén)調(diào)整試驗(yàn)，最后輸入。

(11) 原二次風(fēng)門(mén)均為手動(dòng)調(diào)節(jié)，本次改造全部改為電動(dòng)調(diào)節(jié)。

5低氮改造后冷、熱態(tài)運(yùn)行調(diào)整試驗(yàn)

5.1冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

(1) 二次風(fēng)風(fēng)門(mén)擋板特性試驗(yàn)和主燃盡風(fēng)風(fēng)門(mén)擋板特性試驗(yàn)結(jié)果表明： 各二次風(fēng)擋板和主燃盡風(fēng)風(fēng)門(mén)擋板特性良好，基本呈線(xiàn)性分布，在相同二次風(fēng)總風(fēng)壓下，小風(fēng)門(mén)開(kāi)度逐漸增大，噴口風(fēng)速呈線(xiàn)性逐漸提高。

(2) 由于二次風(fēng)和主燃盡風(fēng)小擋板執(zhí)行器長(zhǎng)期處于高溫、高粉塵的惡劣環(huán)境條件下運(yùn)行，執(zhí)行器與擋板故障率較高，為防止由于個(gè)別執(zhí)行器或擋板故障引起的同層二次風(fēng)速偏差問(wèn)題，需要定期對(duì)二次風(fēng)和主燃盡風(fēng)小風(fēng)門(mén)執(zhí)行器與擋板進(jìn)行檢查，以保證二次風(fēng)和主燃盡風(fēng)小風(fēng)門(mén)開(kāi)度表盤(pán)值與就地實(shí)際開(kāi)度一致。

(3) 動(dòng)力場(chǎng)切圓直徑沿爐膛深度方向?yàn)?.8m左右，沿爐膛寬度方向?yàn)?.6m左右,切圓基本位于爐膛截面中心，爐膛內(nèi)切圓大小適中，氣流充滿(mǎn)度相對(duì)較好。

(4) 試驗(yàn)期間對(duì)水冷壁壁面的貼壁風(fēng)進(jìn)行了測(cè)量，貼壁風(fēng)風(fēng)速較低，第2層一次風(fēng)噴口高度層貼壁風(fēng)速在0.8～4.1m/s之間，由此可見(jiàn)貼壁風(fēng)刷墻幾率較低。

(5) 三次風(fēng)門(mén)開(kāi)度在30%～40%時(shí)，在爐內(nèi)實(shí)際測(cè)量的三次風(fēng)速為50～55m/s。

5.2熱態(tài)運(yùn)行調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

此次熱態(tài)調(diào)試的試驗(yàn)負(fù)荷為75%和100%的額定負(fù)荷。調(diào)整的主要內(nèi)容包括氮氧化物、主汽溫度及爐內(nèi)結(jié)焦情況。

經(jīng)過(guò)此次調(diào)整試驗(yàn)，75%額定負(fù)荷工況可將鍋爐出口NOx降低至360mg/m3左右，可將CO控制在100mg/m3以下。100%額定負(fù)荷工況可將鍋爐出口NOx降低至410mg/m3左右，可將CO控制在100mg/m3以下。各主要參數(shù)在正常值范圍內(nèi)。

6結(jié)論

改造后氮氧化物排放濃度顯著降低，降幅在50%以上，平均達(dá)到了450mg/Nm3以下，改造后鍋爐效率基本維持不變，日常運(yùn)行中，汽溫、減溫水量、飛灰、大渣等也達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)沒(méi)有結(jié)焦現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)低氮燃燒技術(shù)的改造，大幅度降低了NOx排放水平，達(dá)到了預(yù)期的目的，取得了明顯的環(huán)境效益。同時(shí)，改造后機(jī)組運(yùn)行的整體經(jīng)濟(jì)性略有提高，獲得了節(jié)能減排的綜合效果。因此技術(shù)方案改造簡(jiǎn)單易行，改造工作量小，易于實(shí)施，值得同類(lèi)型鍋爐改造借鑒。

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收稿日期：2016-06-01

作者簡(jiǎn)介：李佳良(1980-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)闊崮芘c動(dòng)力工程，E-mail： 14385309@qq.com

文章編號(hào)2095-0020(2016)03-0182-05

中圖分類(lèi)號(hào)TK 229.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

Experimental Study on Reconstruction of 220t/h Coal-Burning Boiler with a Low NOx-Burner

LIJialiang,WANGDongming

(Bengang Steel Plates Co., Ltd., Bengang Power Plant, Benxi 117021 Liaoning, China)

AbstractIn Bengang Power Plant of Bengang Steel Plates Co., Ltd., intensity of NOx emission from the burner of a 220t/h coal-burning boiler was between 800 to 900mg/m3 before retrofit. The overfire air vertical affinebias coal combustion technology, a patented technology of Harbin Boshen Technology Development Co., Ltd., was used in the for low NOx retrofit of the burner. Experiments show that, after retrofit, the burner’s NOx emission intensity is below 450mg/m3 during safe and stable operations, reducing by about 50% on average without affecting the boiler’s efficiency.

Keywordslow nitrogen burner; low nitrogen concentration; boiler efficiency