白山熱電公司#1爐低氮燃燒器改造及調(diào)試研究

劉曉志 卞榮輝 劉曉鑫 張鵬

（白山熱電公司，吉林白山 134302）

白山熱電公司#1爐低氮燃燒器改造及調(diào)試研究

劉曉志 卞榮輝 劉曉鑫 張鵬

（白山熱電公司，吉林白山 134302）

目前，全世界日益重視對環(huán)境的保護，我國也不例外，因此，對氮氧化物NOx排放量的要求也越來越嚴格。在這樣的背景下，我國的火力發(fā)電廠迫切需要采用新技術(shù)來降低氮氧化物的排放。為了響應(yīng)我國所提倡的“綠色環(huán)?！?、“節(jié)能減排”，并最終達到并實現(xiàn)減少我國電廠NOx排放量的目的，本文首先對國內(nèi)外低氮燃燒技術(shù)進行總結(jié)和分析，并在此基礎(chǔ)上，通過對白山熱電公司的現(xiàn)狀分析和鍋爐改造的必要性分析，并根據(jù)白山熱電公司的實際情況，確定在白山熱電公司鍋爐改造的方案，其中包括鍋爐煙氣脫硝改造、燃燒器改造以及調(diào)試。

鍋爐改造 氮氧化物排放 煙氣脫硝 低氮燃燒器

【Abstract】With the increasing worldwide demand for improvement of environment， China's NOx emission standards are also stringent increasingly.In response to the national call of "green" and "energy saving"， and to reduce NOx emissions from power plants， this paper first summarized and analyzed the low NOx combustion technology， and on this basis， through the analysis of the current situation and the necessary of Baishan power plant of boiler， and on the actual situation of Baishan power plant， the reform programs for Baishan power plant boiler had determined， including the transformation of the boiler flue gas denitrification and burner modifications.

【Key words】NOx emission， transformation of boiler， gas denitrification

氮氧化物NOx是大氣污染的主要污染物之一，對人體的健康具有重大威脅，因此，世界各國對NOx的排放均有嚴格的限制［1］。燃料一般都含有氮元素，在其的燃燒過程中，所產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）主要由NO、NO2和N2O等氣體混合而組成，且NO是其中的主要組成氣體，在通常燃燒的情況下，所得到的NOx中NO的含量將高達90%～95%甚至更多。電站鍋爐是成為主要的大氣污染固定排放源之一，據(jù)統(tǒng)計，我國火電廠氮氧化物的排放量約占全國氮氧化物排放總量的35～40%［2］。雖然在新時期下，我國的各大火電廠均采取了一系列措施來控制并減少氮氧化物的排放量，但到目前為止，降低我國電廠的氮氧化物排放量的任務(wù)仍然任重而道遠。

在世界越發(fā)提倡“環(huán)?！边@一理念的大背景下，燃煤在發(fā)電過程中會排放大量的氮氧化物越發(fā)顯得不合時宜。

白山熱電公司2×300MW鍋爐在正常運行過程中，NOx排放濃度為600mg/Nm3（標態(tài)，干基，6%氧量），已不能達到國家頒布《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）提出的100 mg/Nm3（標態(tài)，干基，過?？諝庀禂?shù)1.4）的氮氧化物排放限值。因此有必要對白山熱電公司的2×300MW機組開展脫硝改造，以降低氮氧化物的排放，基于此目的，本文對白山熱電公司2×300MW鍋爐進行改造。

1 電廠概況

白山熱電公司2×300MW機組鍋爐系上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的單爐膛平衡通風(fēng)、中間一次再熱、亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)汽包鍋爐。鍋爐設(shè)計為通化地區(qū)劣質(zhì)煙煤，鍋爐燃燒制粉系統(tǒng)采用鋼球磨中間儲倉式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)，四角切圓燃燒方式。鍋爐采用露天布置，固態(tài)連續(xù)排渣。

2 白山熱電公司低氮燃燒器改造的必要性

隨著出臺《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）規(guī)定：火力發(fā)電鍋爐NOx最高允許排放濃度值需達到100mg/Nm3以下。為了達到環(huán)保部門規(guī)定排放要求，需要增加一套脫硝裝置，從未脫除的NOx污染物；且整個項目脫除效率至少不低于85%，才能滿足達標排放的要求。因此，對白山熱電公司2×300MW機組工程鍋爐機組進行加裝脫硝裝置和對相應(yīng)設(shè)施進行改造是十分迫切和必要的。

對白山熱電公司2×300MW機組工程鍋爐進行煙氣脫硝裝置工程的改造，對企業(yè)來說，對白山熱電公司工程（2×300MW）進行煙氣脫硝裝置工程的改造，使其脫硝裝置能夠滿足燃煤煙氣NOx的排放量達到最新環(huán)保要求標準，脫硝裝置總體脫硝率不低于85%，利用率不低于98%，從而保證白山熱電公司的可持續(xù)發(fā)展，以達到改善生產(chǎn)、生活環(huán)境、保護自然生態(tài)的目的，落實國家環(huán)保部門NOx排放控制要求具有重要的實際意義，實施技改工程是必要的。

3 白山熱電公司工程鍋爐低氮燃燒器改造方案

我國燃煤鍋爐主要采用低氮燃燒的技術(shù)控制NOx的排放量，是國家環(huán)境保護部相關(guān)政策，推薦低氮燃燒技術(shù)作為鍋爐控制氮氧化物首選技術(shù)，在NOx排放濃度還不達標或不滿足總量要求時，再因地制宜、因煤制宜、因爐制宜地選擇技術(shù)成熟、經(jīng)濟合理及便于實施的脫硝技術(shù)，這也為脫硝改造提供了指導(dǎo)性意見。

現(xiàn)代低氮燃燒將制粉系統(tǒng)、煤質(zhì)、燃燒器、二次風(fēng)等參數(shù)綜合比較，以低氮燃燒器和空氣分級燃燒為重點，在爐膛內(nèi)部改變?nèi)紵?、溫度和滯留時間，使煤粉能夠迅速低氧燃燒，利用燃燒過程生成的氨基中間產(chǎn)物來控制或還原已經(jīng)生成的氮氧化物，以降低氮氧化物的含量。

目前，國內(nèi)三大鍋爐廠都擁有了低NOx燃燒技術(shù)，除此之外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國電科環(huán)、西安熱工研究院等公司也研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低NOx燃燒技術(shù)。這些技術(shù)具有一定的共性：

（1）低NOx直流燃燒器。燃燒器首先是燃燒，濃淡偏差穩(wěn)燃措施也有助于控制NOx。在煤粉噴嘴前，通過偏流裝置（彎頭、百葉窗、擋塊）使煤粉濃縮分離成濃淡兩股。噴嘴設(shè)擾流鈍體，一方面可卷吸高溫?zé)煔饣亓?，另一方面使?jié)庀嗝悍墼跀_流時偏離空氣，射入高溫回流煙氣區(qū)域。這樣，在燃燒器鈍體下游，可形成高濃度煤粉在高溫?zé)煔庵械臐獾钋费跞紵瑥亩行Э刂迫紵跗诘腘Ox生成量。

（2）爐內(nèi)徑向空氣分級。一次風(fēng)粉射流切圓相對較小或者將水平濃淡燃燒器的濃相煤粉小角度反切，二次風(fēng)射流角度偏離一次風(fēng)或者設(shè)置貼壁風(fēng)。一、二次風(fēng)的這種射流方式，可使煤粉集中到爐膛中央，絕大部分的煤粉在爐膛中央欠氧燃燒，極少量的煤粉在大切圓附件燃燒，水冷壁表面附件為氧化氣氛，形成爐內(nèi)徑向空氣分級濃淡偏差燃燒。即在控制NOx的同時，有效防止水冷壁結(jié)渣或高溫?zé)煔飧g。

（3）爐內(nèi)軸向空氣分級。為增加濃相煤粉欠氧氣氛區(qū)域的停留時間，提高燃燒過程中的NOx自還原能力，部分二次風(fēng)通過頂層燃燒器上部的一層或多層高位燃盡風(fēng)噴口送入爐膛，在爐膛軸向形成大范圍的空氣分級燃燒。即，燃燒器區(qū)域過?？諝庀禂?shù)小于0.8～0.9，并通過燃盡風(fēng)完成焦炭、CO及其它中間產(chǎn)物的燃盡。

對于煙煤等低揮發(fā)份煤產(chǎn)生的NOx采用燃燒修正技術(shù)所能控制的程度是有限的。白山熱電公司1、2號鍋爐將旋風(fēng)分離式燃燒器和直流縫隙式燃燒器兩者結(jié)合起來，一次風(fēng)和煤粉的旋風(fēng)分離確保在還原區(qū)域煤粉開始析出揮發(fā)分（并釋出燃料中的氮），在引入一次風(fēng)和二次風(fēng)時無旋流，延遲了混合時間，使缺氧的時間延長，此外在灰斗結(jié)合處引入10%（0～20%）的三次風(fēng)，形成適當?shù)姆旨壢紵?，從而將NOx控制在所要求的燃燒效率相一致的水平上。1、2號鍋爐在最早的設(shè)計上，其NOx排放濃度為600mg/Nm3（標態(tài)，干基，6%氧含量）。

白山熱電公司已經(jīng)更換低氮燃燒器，鍋爐設(shè)計NOx排放濃度為400 mg/Nm3（標態(tài)，干基，6%氧含量），經(jīng)現(xiàn)場摸底試驗，鍋爐實際NOx排放濃度為550mg/Nm3（標態(tài)，干基，6%氧含量），有時NOx排放濃度650mg/Nm3以上，平均值NOx排放濃度為600mg/Nm3，嚴重偏離了原低氮燃燒器的設(shè)計值，效果不明顯。

通常對于揮發(fā)分含量較低的貧煤切圓燃燒鍋爐，常采用上下分組布置燃燒器和集中送風(fēng)的方式來強化煤粉的著火與穩(wěn)燃。但這種高溫富氧燃燒方式在解決煤粉燃盡的同時，附帶生成了大量NOx污染物，2005年沒有設(shè)置燃盡風(fēng)的切圓燃燒鍋爐的NOx排放濃度基本在800～1400mg/Nm3，如表3-5所示。以淮陰二期和辛店三期鍋爐為例，兩者均于2007年投運，采用高位燃盡風(fēng)SOFA實施爐內(nèi)空氣分級低氮燃燒后，鍋爐NOx排放濃度可控制在600～700mg/Nm3。而河南禹州電廠2×660 MW機組經(jīng)上海鍋爐廠和哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合進行低氮燃燒改造后，NOx排放濃度約400 mg/Nm3。河南安陽電廠2×350 MW貧煤機組在實施燃燒改造解決煤粉燃盡時，在沒有分級燃盡風(fēng)的情況下，控制鍋爐NOx排放濃度低于600mg/Nm3。

3.1 低氮燃燒器改造的整體設(shè)計

根據(jù)實際情況，對白山熱電公司工程鍋爐低氮燃燒器進行改造，主要針對NOx的生成途徑進行控制。選取的燃燒方式是空氣分級燃燒方式。

其中，燃燒角保持不變，燃燒器二次風(fēng)箱保持不變，一次風(fēng)輸送煤粉管路設(shè)備不變。燃燒器及二次風(fēng)風(fēng)口整體更換，在最上端增加一套SOFA高位燃盡風(fēng)，SOFA高位燃盡風(fēng)有3層噴口，原OFA風(fēng)噴口做為低位混合SOFA風(fēng)低位SOFA2層噴口。其中A、B、C、D為一次風(fēng)噴口，B為微油燃燒器，E、F為三次風(fēng)噴口。一次風(fēng)采用水平濃淡技術(shù)，主燃燒區(qū)各噴口風(fēng)量根據(jù)新的風(fēng)量配比原則進行分配，所有一次風(fēng)采用新型強化燃燒噴口。按照分級燃燒理論，A、B、C三層一次風(fēng)形成下部燃燒區(qū)，D層一次風(fēng)形成上部燃燒區(qū)。AB層、BC層及CD層二次風(fēng)為分量偏置二次風(fēng)。SOFA風(fēng)采用上下左右擺動噴口結(jié)構(gòu)。原燃燒器AB、BC層點火油槍系統(tǒng)、微油系統(tǒng)、火檢、執(zhí)行器回用。CD層油槍及油火檢拆除。

3.2 具體改造措施

（1）一次風(fēng)管的改造。煤粉燃燒器采取整體更換的辦法，包括噴燃器噴嘴、煤粉濃縮器、煤粉彎頭。煤粉燃燒器采用水平濃淡式煤粉燃燒技術(shù)，以提高鍋爐低負荷運行的能力，水平濃淡煤粉燃燒器是利用煤粉進入燃燒器一次風(fēng)噴嘴體后，經(jīng)百葉窗的分離作用，將一次風(fēng)氣流分離成濃淡兩部分；兩部分之間用垂直隔板分開，燃燒器出口處設(shè)有帶波紋形的穩(wěn)燃鈍體。濃相氣流的煤粉濃度高著火特性好，即使在低負荷情況下，濃相氣流的風(fēng)煤比仍可保持在較合適的范圍內(nèi)，使著火特性不會明顯惡化［3］。鈍體形成的高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)又充分為煤粉著火提供了熱源，這兩者的結(jié)合為低負荷穩(wěn)燃提供了保證。

百葉窗和彎頭部分采用粘貼耐磨陶瓷進行防磨。一次風(fēng)耐熱噴口采用擺動式新型強化燃燒噴口（偏置周界風(fēng)）。B層微油點火層不變。

（2）二次風(fēng)噴口的改造。為了避免采用分級燃燒后主燃燒區(qū)風(fēng)量減少帶來的動力場變化，所有的二次風(fēng)噴口依據(jù)新的配風(fēng)要求進行更換。由于主燃燒區(qū)處于還原氣氛，為了防止發(fā)生水冷壁結(jié)焦、高溫腐蝕事故，AB層、BC層、CD層噴口改為偏置二次風(fēng)噴口；為了控制水冷壁周圍富氧區(qū)域的NOx以及由于混合不均勻殘留在主燃燒區(qū)的NOx進入燃盡區(qū)，頂部兩層二次風(fēng)反切作為低位SOFA風(fēng)，改善主燃燒區(qū)的混合狀況［4］。二次風(fēng)噴口采用耐高溫材質(zhì)制造，材質(zhì)為稀土合金ZG40Cr24Ni9Si2NRe，滿足鍋爐運行的需要，噴口的使用溫度大于1200℃。

（3）高位燃盡SOFA的改造。高位燃盡風(fēng)噴口與燃燒器的距離決定了煙氣在還原區(qū)域內(nèi)的停留時間。還原氣氛程度越深，停留時間越長，越有利于控制NOx的生成和煤粉的充分燃燒。本次改造中在最上層一次風(fēng)噴口往上9m左右增加一組高位SOFA，一組三層噴口，噴口可以實現(xiàn)上下20度，左右10度的擺動。上下擺動采用自動控制，水平擺動采用手動。風(fēng)量大約占總風(fēng)量的20%。具體標高位置在34100mm處。布置原則以盡量避開水冷壁剛性梁，減少平臺改動、方便維護人員操作為原則，水冷壁進行相應(yīng)的開孔［5］。高位SOFA燃燒器采用法蘭連接形式直接固定在水冷壁上。增加流量測量裝置，信號進入DCS。

（4）水冷壁的改造。主燃燒區(qū)域水冷壁不改變，高位燃盡風(fēng)附近水冷壁根據(jù)燃盡風(fēng)位置情況布置開口，水冷壁在廠內(nèi)彎制，整體出廠。水冷壁采用與原有設(shè)備相同材質(zhì)和規(guī)格的產(chǎn)品。在出廠前進行100%渦流探傷，所有對接焊縫進行100%射線探傷，水壓試驗之前進行通球試驗。

（5）燃盡風(fēng)風(fēng)道的改造。從鍋爐二次風(fēng)風(fēng)箱入口的主風(fēng)道上引出風(fēng)道，再分給各SOFA噴口，管路上增加膨脹節(jié)并設(shè)置差壓測量裝置。

（6）控制系統(tǒng)的改造。燃燒器改造所引起新增加的儀表與控制系統(tǒng)均納入機組DCS系統(tǒng)控制，DCS控制板件及其附件型號、執(zhí)行器、電纜等與現(xiàn)有設(shè)備一致；壓力/差壓變送器采用進口羅斯蒙特3051系列智能型變送器。噴口擺動氣動執(zhí)行器可實現(xiàn)層控和獨立控制，所有控制電纜直接接DCS。

4 改造結(jié)果分析

（1）NOx排放濃度基本達到改造預(yù)期目標。當電負荷為300 MW時，在完全燃燒印尼煤時，NOx的排放濃度為189mg/m3，小于保證值200mg/m3；在電負荷為225MW時，完全燃燒印尼煤時，NOx的排放濃度為229mg/m3，小于保證值240mg/m3。

（2）基本解決了爐膛之前一直存在的結(jié)焦問題。當負荷為額定負荷的75%～100%時，過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度均能達到標準要求，即可以達到其額定值540.0±5℃，且過熱器和再熱減溫器水均可以滿足蒸汽溫度調(diào)節(jié)需要。

（3）在燃燒相同煤質(zhì)時，與改造前相比，鍋爐效率得到了保持。在燃燒適燒煤種時，鍋爐效率達到目標值91.85%以上。

（4）在電負荷為300MW時，空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率基本達到預(yù)期改

············造要求，其中，漏風(fēng)率A側(cè)為5.19%，B側(cè)為5.99%。

值得注意的是，只有在燃燒適燒煤種時，鍋爐的效率才能達到目標值，如當當鍋爐電負荷為300 MW時，完全燃燒印尼煤，實測鍋爐效率為92.68%，高于保證值92.00%，未燃碳熱損失為0.39%，低于改造的保證值1.70%。但是，同樣情況下，即鍋爐的電負荷為300 MW，燃燒不同燃煤時，鍋爐效率和未燃碳熱損失并不相同。

經(jīng)改造后，白山熱電公司鍋爐改造工程大幅降低了氮氧化物的排放濃度，并解決了爐膛的結(jié)焦問題，鍋爐效率并未降低，空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率也基本達到預(yù)期改造要求，說明整個鍋爐改造工程是成功的。

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