200MW機(jī)組中儲式制粉系統(tǒng)鍋爐低氮燃燒器節(jié)能改造的探索與實踐

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（1中國華電集團(tuán)發(fā)電運營有限公司北京1000312天津軍糧城發(fā)電有限公司天津300300 3國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院天津300374）

200MW機(jī)組中儲式制粉系統(tǒng)鍋爐低氮燃燒器節(jié)能改造的探索與實踐

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（1中國華電集團(tuán)發(fā)電運營有限公司北京1000312天津軍糧城發(fā)電有限公司天津300300 3國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院天津300374）

本文介紹了配合200MW機(jī)組脫硝改造進(jìn)行的鍋爐低氮燃燒器改造背景、改造思路、改造方案的確定，闡述了低氮燃燒器改造概況，以及改造后的試驗結(jié)論與改造效果。通改造后,在保證設(shè)計燃燒效率的情況下,爐膛出口NOX濃度穩(wěn)定在350 mg/Nm3(干態(tài),6%氧量)以下,達(dá)到了很好的環(huán)保效益。

低氮燃燒器；空氣分級燃燒；中儲式溫風(fēng)送粉制粉系統(tǒng)；節(jié)能減排

1　設(shè)備簡況

天津軍糧城發(fā)電有限公司200MW燃煤發(fā)電機(jī)組，配套鍋爐為武漢鍋爐廠生產(chǎn)的WGZ670／13.72-I型超高壓、一次中間再熱、自然循環(huán)、固態(tài)排渣、單爐膛，平衡通風(fēng)、中儲式制粉系統(tǒng)、負(fù)壓燃燒、露天呈Π型布置，全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)的煤粉鍋爐如圖1。鍋爐燃燒方式采用四角切圓，并配有兩臺鋼球磨，中間倉儲式溫風(fēng)送粉的系統(tǒng)。

該機(jī)組鍋爐目前在用的燃燒器是按山西混煤設(shè)計，燃燒室四角布置了四組直流式煤粉燃燒器，為四角雙切園式燃燒，其切園直徑分別為Φ792和Φ542，逆時方向針旋轉(zhuǎn)。

燃燒器中心標(biāo)高為18140mm，每組燃燒器分別裝置了一、二、三次風(fēng)噴口，三次風(fēng)噴口布置于上組燃燒器上部。每個燃燒器沿高度可分為上、下兩組，每組各有兩層一次風(fēng)噴口，一、二次風(fēng)相間布置，上組燃燒器上方布置有兩層三次風(fēng)噴口，三次風(fēng)口的傾角可在冷態(tài)時做適當(dāng)調(diào)整，可作整定汽溫的輔助手段。

圖1　鍋爐總圖

表1　鍋爐主要原始設(shè)計參數(shù)

煤質(zhì)特性：燃用山西混煤（煙煤）煤質(zhì)分析報告。設(shè)計煤種特性如表2。

表2　設(shè)計煤種特性

表3　近三年爐前混煤報告數(shù)據(jù)范圍

表4　鍋爐結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2　燃燒器布置圖

表5　燃燒器噴口設(shè)計數(shù)據(jù)表

2　改造背景

隨著國家環(huán)保部門對電力污染治理要求的不斷提高，到2014年必須完成所屬機(jī)組200MW以上現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組煙氣脫硝項目，并確保綜合脫硝率達(dá)到70%以上。另外新的國家標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》即將發(fā)布：自2014年7月1日起，重點一類地區(qū)的火力發(fā)電鍋爐氮氧化物（NOx）排放為100 mg/Nm3（干態(tài),6%氧量）。

根據(jù)2013年1月對該機(jī)組鍋爐性能試驗結(jié)果，在210MW、190MW、170MW、150MW、130MW負(fù)荷下，修正到過量空氣系數(shù)為1.4時，NOx的質(zhì)量排放濃度為603mg/Nm3、729mg/Nm3、841mg/Nm3、937mg/Nm3、1026mg/Nm3，嚴(yán)重高于國家新標(biāo)準(zhǔn)。

天津軍糧城發(fā)電有限公司地處京津唐重點一類區(qū)域，必須進(jìn)行脫硝改造，為配合脫硝改造有效降低脫硝裝置建設(shè)造價，同時降低脫硝裝置入口氮氧化合物濃度進(jìn)而降低脫硝裝置運行成本，進(jìn)行低氮燃燒器改造已成為當(dāng)務(wù)之急。

3　改造思路與方案

3.1改造思路

在確保鍋爐安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運行及原設(shè)備盡可能利老舊設(shè)備的前提下，將現(xiàn)有燃燒系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化改造，現(xiàn)有燃燒器層的層高及布置重新調(diào)整，同時對三次風(fēng)的布置及進(jìn)入爐膛的方式和等離子燃燒器布置的優(yōu)化。綜合利用分級燃燒、濃淡燃燒等低NOx燃燒技術(shù)實現(xiàn)機(jī)組NOx排放量的大幅降低，同時不會造成鍋爐效率的降低。

根據(jù)該機(jī)組近三年常用煤質(zhì)特性，設(shè)計匹配的分級送風(fēng)的配風(fēng)方式，實現(xiàn)燃料的分級燃燒，并能夠組織合理、穩(wěn)定的燃燒流場，降低爐內(nèi)溫度水平，減少NOx排放量。

將現(xiàn)有燃燒器換成低氮燃燒器，實現(xiàn)濃淡燃燒，進(jìn)一步減少NOx生成量，同時增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性，同時對鍋爐各個受熱面?zhèn)鳠徇M(jìn)行校核計算，確保能降低再熱減溫水量，不降低鍋爐熱效率。

燃燒器器整體改造之后，額定負(fù)荷下NOx排放量應(yīng)降到350mg/Nm3(標(biāo)態(tài)、O2=6%)以下，以降低后期脫硝系統(tǒng)改造的投資及日常運行成本。改造后燃燒系統(tǒng)要有較寬泛的煤種適應(yīng)性，機(jī)組在額定負(fù)荷下運行時再熱減溫水量必須控制在5t/h以內(nèi)，保證機(jī)組運行經(jīng)濟(jì)性，改造不能降低機(jī)組熱效率。

同時依據(jù)表2、3給出了設(shè)計煤種與常用煤種的煤質(zhì)分析可知：易著火、易燃盡，結(jié)渣偏輕，但含硫量偏高。在一般情況下，鍋爐燃用高硫煤本身就容易出現(xiàn)爐膛高溫腐蝕和結(jié)渣，如果進(jìn)行低NOx改造，因燃燒器區(qū)域氧量的減少，則更容易出現(xiàn)爐膛高溫腐蝕和結(jié)渣。因此除考慮降低NOx排放外，要特別采取措施防止?fàn)t膛水冷壁的高溫腐蝕和結(jié)渣，同時兼顧考慮鍋爐的穩(wěn)燃及燃燼。

3.2改造方案

采用的多空氣分級低NOx燃燒技術(shù)，主要方式為：在主燃燒區(qū)送入全部一次風(fēng)和三次風(fēng)和部分煤粉完全燃燒所需要的二次風(fēng)，在二次風(fēng)上方一定的距離送入剩余的分離頂部燃盡風(fēng)（LSOFA+HSOFA），在爐膛垂直方向?qū)崿F(xiàn)空氣分級燃燒；同時一次風(fēng)采用水平濃淡技術(shù)，以及部分二次風(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燃燒。這樣就在揮發(fā)氮物質(zhì)形成的非常關(guān)鍵的早期燃燒階段將主燃燒器區(qū)域的過量空氣系數(shù)降低，在整個爐膛內(nèi)實現(xiàn)空氣分級燃燒和局部區(qū)域空氣分級燃燒，在初始的富燃料欠氧條件下促使揮發(fā)氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化成N2，從而達(dá)到總的NOx生成量的減少。低氮燃燒技術(shù)的關(guān)鍵主要在如下三點：主燃燒器區(qū)域的過量空氣系數(shù)的選擇、SOFA離主燃燒器區(qū)域的距離和各二次風(fēng)噴嘴的風(fēng)量配比。

針對該機(jī)組的特點和實際燃用煤種的特性，采用先進(jìn)和成熟的多空氣分級低NOx燃燒技術(shù)，對現(xiàn)有燃燒器進(jìn)行整體綜合改造，具體改造方案如下。

3.2.1在主燃燒器上方增加兩組SOFA燃燒器，具體如表6。

表6　改造后增加兩組SOFA燃燒器情況

主燃燒器上部三次風(fēng)多余風(fēng)量約為13%總風(fēng)量，主燃燒器上方標(biāo)高24.69m處布置LSOFA（13%總風(fēng)量），標(biāo)高27.69 m處布置HSOFA（13%總風(fēng)量），沿爐膛高度方向形成四級分級送風(fēng)，分級燃燒，可大大減少NOx的生成，如圖3。

SOFA燃燒器噴嘴可以垂直方向上下手動擺動±30°，同時可以水平方向手動擺動±15°；每個噴嘴均有調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板對噴嘴的風(fēng)量根據(jù)運行要求通過電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。SOFA噴嘴通過擺動機(jī)構(gòu)控制，可實現(xiàn)上下擺動，也可手動左右擺動見圖4，既可起到在一定程度上調(diào)節(jié)NOx的排放量的作用，也可調(diào)節(jié)爐膛出口煙溫水平，控制爐膛出口側(cè)偏差煙溫，還可起到精確配風(fēng)，按需配風(fēng)，實現(xiàn)最佳燃燒的目的。

圖3　改造后SOFA燃燒器布置圖

圖4SOFA燃燒器結(jié)構(gòu)圖

3.2.2由鍋爐兩側(cè)大風(fēng)道引熱風(fēng)到四角SOFA燃燒器，四角SOFA風(fēng)道均布置流量測量裝置，保證四角風(fēng)量均勻，同時精確控制四角SOFA燃燒器總風(fēng)量。

3.2.3主燃燒器各層一次風(fēng)、三次風(fēng)、二次風(fēng)標(biāo)高及數(shù)量均相應(yīng)調(diào)整。一次風(fēng)噴嘴、風(fēng)管需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，燃燒器依舊采用四角布置切向燃燒、噴嘴固定式直流濃淡燃燒器，假想切圓的直徑為Φ542mm和Φ792mm不變，逆時針旋轉(zhuǎn)。主燃燒器下兩層一次風(fēng)標(biāo)高不變,上兩層一次風(fēng)標(biāo)高降低500mm，下三層二次風(fēng)標(biāo)高不變，上三層二次風(fēng)標(biāo)高下降500mm(取消中間的二次風(fēng)，改為三次風(fēng)，標(biāo)高同時下降300mm)，原布置的下層三次風(fēng)標(biāo)高下降500mm（同時下傾10°），原布置的上層三次風(fēng)改至中間二次風(fēng)處。一次風(fēng)噴嘴、風(fēng)管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；因增設(shè)了SOFA風(fēng)，每個二次風(fēng)噴嘴的風(fēng)量均進(jìn)行了調(diào)整，二次風(fēng)噴嘴也進(jìn)行了重新設(shè)計，其中第5、6層二次風(fēng)設(shè)計為水平偏置貼壁風(fēng)口，其他層為普通噴口；重新設(shè)計一次風(fēng)粉管，采用百葉窗濃淡技術(shù)，改造相應(yīng)的煤粉管道。增加了最上排一次風(fēng)到屏底的距離，在一定程度上可彌補(bǔ)低氮燃燒對飛灰的不利影響；同時在高負(fù)荷運行時，更好的控制過熱及再熱汽溫，減少噴水量。因增設(shè)了SOFA風(fēng)，每個二次風(fēng)噴嘴的風(fēng)量均進(jìn)行了調(diào)整，二次風(fēng)噴嘴需進(jìn)行重新設(shè)計；重新設(shè)計一次風(fēng)粉管，采用水平濃淡技術(shù)，改造相應(yīng)的煤粉管道。

采用水平濃淡燃燒技術(shù)將煤粉分成了濃淡兩股煤粉氣流，優(yōu)化一次風(fēng)燃燒器，調(diào)整導(dǎo)流葉片角度，加大葉片與鈍體間距，平衡濃淡燃燒器風(fēng)速如圖5。濃煤粉位于向火側(cè)，淡煤粉位于背火側(cè)，一次風(fēng)噴嘴四周還布置有周界風(fēng)，可形成“風(fēng)包粉”，既可防止煤粉氣流刷墻或貼壁，也提高水冷壁區(qū)域的氧化性氣氛，均有利于防止高溫腐蝕和結(jié)渣。濃、淡煤粉間設(shè)有垂直鈍體，使?jié)獾淮物L(fēng)之間5°的夾角，既可起到卷吸高溫?zé)煔獾淖饔茫部赏七t濃淡一次風(fēng)的混合。既有利于著火穩(wěn)燃，又可確保水平濃淡燃燒，減少NOx的生成。濃煤粉中布置水平穩(wěn)燃齒，增強(qiáng)噴嘴附近高溫?zé)煔饩砦芰Γㄌ岣邷囟龋┖兔悍蹥饬髟趪娮旄浇鼣_動（增加停留時間），利于煤粉的著火與穩(wěn)燃如圖6。無論是濃側(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)量的分級燃燒，也可在一定程度上減少NOx的生成。

圖5　百葉窗水平濃淡燃燒器示意圖

圖6　水平濃淡燃燒氣流分布示意圖

圖7　貼壁二次風(fēng)效果示意圖

3.2.4重新優(yōu)化設(shè)計并更換所有主燃燒器的二次風(fēng)噴口，因增設(shè)SOFA二次風(fēng)，主燃燒器的每個二次風(fēng)噴嘴的風(fēng)量均需進(jìn)行調(diào)整。

3.2.5主燃燒器一次風(fēng)上下布置水平偏置貼壁二次風(fēng)，在主燃燒器一次風(fēng)上下布置了貼壁二次風(fēng)，如圖3，不僅可提高爐膛高溫燃燒區(qū)域水冷壁附近的氧量，有利于防止?fàn)t膛的結(jié)焦和高溫腐蝕，而且也在爐膛水平方向形成分級送風(fēng)，也一定程度上可減少NOx的生成。

3.2.6最上層三次風(fēng)移到主燃燒器中部，增加周界風(fēng)和風(fēng)門，噴口采用一次風(fēng)噴口形式加裝周界風(fēng)，具有垂直鈍體和穩(wěn)燃齒，風(fēng)速降低至40m/s，改造相應(yīng)管道。由于三次風(fēng)帶粉量達(dá)到10%～15%，將其下移至主燃燒區(qū)域中部偏下200mm，有利于三次風(fēng)燃燼，可有效降低鍋爐出口飛灰含碳量。原下層三次風(fēng)布置下移500mm，噴口固定向下傾斜10°，將燃燒火焰中心壓低，頂部三次風(fēng)采用50m/s的設(shè)計風(fēng)速，為延長煤粉氣流的停留時間（提高燃盡率），增加燃料氮的還原時間（降低氮氧化物的生成）均有利。

圖8　改造前和改造后主燃燒器布置比較

3.2.7燃燒器改造設(shè)計參數(shù)見表7。

表7　燃燒器改造設(shè)計參數(shù)對比

3.2.8燃燒器改造后沿爐膛高度過量空氣系數(shù)分布圖，如圖9。

圖9　燃燒器改造后沿爐膛高度過量空氣系數(shù)分布

4　改造工程規(guī)模

4.1拆除原燃燒器及安裝燃盡風(fēng)噴嘴處和引出風(fēng)管處風(fēng)箱的保溫。

4.2定位割管、安裝SOFA燃燒區(qū)水冷壁讓管，并進(jìn)行100%探傷。

4.3安裝主燃燒器及SOFA燃燒器，靜態(tài)下燃燒器組安裝角度測試定位安裝，剛性梁支吊裝置固定回裝，主燃燒器與水冷壁鰭片焊接并與主梁完成安裝恒力吊架，一次風(fēng)管到完成連接安裝。

4.4新的SOFA風(fēng)道、二次風(fēng)道、周界風(fēng)道安裝含支吊架、風(fēng)門、膨脹節(jié)等。

4.5安裝風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，連接動力及控制電纜。各部二次風(fēng)門、周界風(fēng)門、SOFA風(fēng)門、SOFA擺角執(zhí)行機(jī)構(gòu)校對。

4.6爐內(nèi)噴嘴處打耐火混凝土，燃燒器、風(fēng)道及煤粉管道做保溫。

4.7冷態(tài)調(diào)試鍋爐冷態(tài)通風(fēng)及空氣動力場試驗等。

5　改造效果

根據(jù)改造后現(xiàn)場實際運行情況，完成了低氮燃燒器改造后的熱態(tài)驗證，試驗結(jié)果表明，經(jīng)過一系列的優(yōu)化設(shè)計與改造，鍋爐運行安全性得到了較大提高，煙氣NOx排放量有較大幅度下降，過熱、再熱器溫度調(diào)節(jié)手段得到了較好改善。

5.1210MW工況下二次風(fēng)門及SOFA風(fēng)門不同配風(fēng)方式的優(yōu)化調(diào)整試驗，測試結(jié)果表明，隨著兩層SOFA風(fēng)門的逐漸開大，主燃燒區(qū)域內(nèi)二次風(fēng)關(guān)小，實測空預(yù)器出口煙氣中NOx濃度有較大降幅度下降。

5.2甲、乙兩套制粉系統(tǒng)煤粉細(xì)度的優(yōu)化調(diào)整試驗，通過對粗粉分離器軸向擋板角度的調(diào)整，煤粉細(xì)度R90值由原來的28%～30%降至20%～24%，但煤粉均勻性指數(shù)變化不大，鍋爐飛灰可燃物含量降低了0.3%～0.4%左右。

5.3210MW額定負(fù)荷下制粉系統(tǒng)不同投運方式的優(yōu)化調(diào)整試驗；測試結(jié)果表明，雙制粉運行工況采用低氮配風(fēng)方式，NOx排放濃度比原始運行工況降低了40.98%；飛灰可燃物含量相比原始運行方式高1.0%左右；而在甲制粉系統(tǒng)和乙單制粉系統(tǒng)單獨運行時，實測的NOx排放濃度均能夠達(dá)到保證值，飛灰可燃物含量相對有一定幅度的改善。

5.4完成了170MW負(fù)荷下不同制粉系統(tǒng)投運方式的優(yōu)化調(diào)整試驗；測試結(jié)果表明，鍋爐雙制粉系統(tǒng)運行，燃燒器采用上三層（B/C/D）和下三層（A/B/C）兩種投運方式下，NOx排放濃度比原始運行工況分別降低了37.4%和31.3%；甲制粉系統(tǒng)單獨運行時，改變?nèi)紵魃鲜鰞煞N組合的運行方式，實測空預(yù)器出口NOx排放濃度比原始運行工況分別降低了23.8%和28.3%；乙制粉系統(tǒng)單獨運行工況下，燃燒器采用兩種不同的組合運行方式，實測空預(yù)器出口NOx排放濃度比原始運行工況分別降低了47.4%和49.7%。

5.5210MW負(fù)荷下鍋爐接近最優(yōu)燃燒狀況的鍋爐效率測試；測試結(jié)果表明，鍋爐采用分級燃燒方式后，主燃燒區(qū)域由于缺氧燃燒使得煤粉燃盡程度變?nèi)酰w灰可燃物含量較改造前有所提升，運行經(jīng)濟(jì)性相比改造前有所降低。

5.6鍋爐50%負(fù)荷低負(fù)荷（105MW）下的穩(wěn)燃試驗和制粉系統(tǒng)不同投運方式的優(yōu)化調(diào)整試驗；結(jié)合現(xiàn)場運行實際情況，該負(fù)荷下基本不采用雙套制粉系統(tǒng)運行，而且投運上兩層（C/D）燃燒器；采用單套（甲、乙）制粉投運方式下，鍋爐能夠安全穩(wěn)定運行，負(fù)壓波動較小，就地觀測火焰明亮；甲、乙制粉系統(tǒng)分別單獨運行，調(diào)整為分級送風(fēng)方式下實測空預(yù)器出口NOx排放濃度比原始運行工況分別降低了26.6%和31.5%。

5.7NOx測試結(jié)果

圖10　改造前、后不同負(fù)荷下氮氧化物排放量對比

圖10為改造前、后氮氧化物排放量測試對比圖。由圖可見，改造后氮氧化物排放量較改造前有明顯下降。

改造后污染物排放測試結(jié)果見表8。

表8　　NOx排放測試結(jié)果

從表8可以看出，在130MW、150MW、170MW、190MW1、190MW2、210MW六個負(fù)荷下排放量低于350mg/m3。本次低氮燃燒器改造起到了降低氮氧化物排放的效果。低氮燃燒改造后，為了達(dá)到較低的氮氧化物排放，采用分級配風(fēng)燃燒方式，造成主燃區(qū)缺氧燃燒，一方面爐內(nèi)溫度水平降低影響煤粉燃盡率；另一方面主燃區(qū)為還原氣氛，反應(yīng)物濃度降低其煤粉顆粒燃盡率必然降低。另外，采取的配風(fēng)方式造成主燃區(qū)缺氧環(huán)境，易導(dǎo)致煤粉顆粒燃盡率下降，進(jìn)而飛灰含碳量有所上升。在常規(guī)運行階段，可以通過燃燒優(yōu)化調(diào)整確定最合理配風(fēng)，找到飛灰可燃物含量與氮氧化物排放兩個指標(biāo)的平衡點，達(dá)到最優(yōu)、最經(jīng)濟(jì)運行工況。

6　結(jié)語

改造后氮氧化物排放濃度顯著降低，降幅在40%以上，平均達(dá)到350 mg/m3以下，改造后鍋爐效率基本維持不變?？傮w來說，該機(jī)組配套鍋爐經(jīng)過低氮燃燒技術(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)保減排效益。同時，也證實了低氮燃燒器加空氣分級燃燒技術(shù)在燃煤電廠里運用能取得了良好成效。

[1]張強(qiáng).燃煤電站SCR煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用.化學(xué)工業(yè)出版社,2007,7.

[2]岑可法,姚強(qiáng),駱仲泱,高翔.燃燒理論與污染控制.機(jī)械工業(yè)出版社,2004,1.