600 MW四角切圓鍋爐深度分級配風低NOx燃燒系統(tǒng)的改造分析

袁宏偉， 余岳溪, 李方勇

(1. 廣東紅海灣發(fā)電有限公司， 廣東汕尾 516600; 2. 廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院， 廣州 510080)

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600 MW四角切圓鍋爐深度分級配風低NOx燃燒系統(tǒng)的改造分析

袁宏偉1， 余岳溪2, 李方勇2

(1. 廣東紅海灣發(fā)電有限公司， 廣東汕尾 516600; 2. 廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院， 廣州 510080)

為研究深度分級配風低氮燃燒技術對鍋爐環(huán)保性、經(jīng)濟性及安全性的影響，結合一臺600 MW四角切圓鍋爐改造實例，分析了對鍋爐NOx減排、鍋爐熱效率、汽溫及金屬壁溫的影響。結果表明：改造后NOx減排效果明顯，鍋爐熱效率提高；但鍋爐汽溫上升，減溫水投用增大，以及熱負荷上移引起的受熱面金屬壁溫上升，在300～600 MW負荷段容易導致過熱器和再熱器部分管壁超溫。

鍋爐； 燃燒器； 深度分級配風； 效率； 超溫

深度分級配風及低氮燃燒技術，因其可以在現(xiàn)有燃燒器上進行改造，且改造成本低，因此是目前應用最廣泛的低氮燃燒改造技術。通過將燃燒所需的空氣分級送入爐內，降低鍋爐主燃燒區(qū)的氧氣濃度，使其過量空氣系數(shù)小于1，使該區(qū)域的燃燒速度和溫度水平相應降低，從而降低主燃燒區(qū)NOx的生成量；而完全燃燒所需的其余空氣，則由主燃區(qū)的其他部位引入，與主燃燒區(qū)生成的煙氣混合實現(xiàn)完全燃燒。這樣，燃料的燃燒過程在爐內分級分階段地來進行，從而控制燃燒過程中NOx的生成反應，降低鍋爐NOx的排放濃度。這種深度分級配風的方法可將氮氧化物排放質量分數(shù)降低45%～60%[1-4]。張春華等[5]對300 MW切圓鍋爐的低氮燃燒器改造進行了分析，通過改造，不僅NOx質量分數(shù)降低了30%，鍋爐經(jīng)濟性也有所提高。高鵬等[6]對國華臺山電廠600 MW機組鍋爐的低氮燃燒器改造和中試試驗研究表明，采用兩段SOFA進行深度分級配風可降低NOx排放質量分數(shù)60%左右。另外，雙尺度低氮燃燒技術在錦州熱電廠的改造應用使得鍋爐NOx排放質量濃度從700 mg/m3降低到了200 mg/m3[7]。

基于深度分級配風低氮燃燒系統(tǒng)的NOx減排原理，采用深度分級配風低氮燃燒系統(tǒng)改造之后，爐膛煙氣側的溫度場分布將會發(fā)生較大變化，主要表現(xiàn)為主燃區(qū)溫度降低，火焰中心上移[8-9]。而如果未對鍋爐受熱面進行改造，則鍋爐工質側的水動力學特性并未發(fā)生太大變化，因此，煙氣側溫度場及流場的變化是否會與工質的水動力學特性相匹配，是值得關注的問題。如果兩者不匹配，則會對鍋爐的安全運行帶來危害，比如受熱面超溫、鍋爐結焦等。筆者以一臺600 MW亞臨界四角切圓鍋爐的深度分級配風低氮燃燒系統(tǒng)改造為例，分析深度分級配風低氮燃燒系統(tǒng)對鍋爐安全性的影響。

1 鍋爐改造

1.1 設備概況

某廠1號鍋爐為中間再熱、強制循環(huán)、單爐膛、懸吊式燃煤鍋爐。該鍋爐設計煤種為神華煤，燃燒器四角布置，制粉系統(tǒng)配6臺直吹式中速磨煤機。機組于2000年正式投入商業(yè)運行，其主要設計參數(shù)見表1，設計煤種煤質數(shù)據(jù)見表2。

表1 鍋爐主要設計參數(shù)

表2 鍋爐設計適用煤種參數(shù)

1.2 改造方案

為適應國家對NOx排放質量濃度限值的要求，該廠對鍋爐進行了燃燒器改造，盡量降低鍋爐出口的NOx排放濃度，以減輕SCR脫硝系統(tǒng)的NOx減排壓力和降低成本，以實現(xiàn)NOx排放質量濃度滿足標準規(guī)定的目標。該鍋爐低氮燃燒器改造主要包含兩個方面，分別為燃燒器改造和空氣分級系統(tǒng)改造，與已有的中速直吹式制粉系統(tǒng)組成低氮燃燒器+空氣深度分級燃燒系統(tǒng)的NOx減排系統(tǒng)。

燃燒器本體改造是將傳統(tǒng)燃燒器改成PM低氮燃燒器(最底層燃燒器除外)，改造后的A-PM燃燒器具有較低NOx排放特性及良好的著火特性；配風系統(tǒng)的改造是將之前的配風系統(tǒng)進行深度分級。在原有燃燒器的燃盡風上部，每個角各增加了兩層AA風門，即Lower AA與Upper AA，從而將助燃空氣進行深度分級后送入爐膛，爐膛被分成的三個區(qū)域分別為：主燃區(qū)、NOx減排區(qū)及燃盡區(qū)，使燃料的燃燒過程沿爐膛軸向分級分階段進行。改造后的性能指標見表3。

表3 深度分級配風低氮燃燒系統(tǒng)改造的性能保證值

2 改造分析

2.1 改造效果分析

低氮燃燒器及配風系統(tǒng)改造后，進行了鍋爐NOx排放質量濃度及鍋爐熱效率的測試，試驗結果見圖1、圖2。

圖1 改造前后鍋爐NOx排放質量濃度對比

圖2 改造前后鍋爐熱效率對比

可以發(fā)現(xiàn)，燃燒器改造后，通過合適的燃燒器的擺角及配風設置，可以將NOx的排放質量濃度降低到性能保證值以下，尤其是在100%ECR時，鍋爐NOx排放質量濃度僅為113 mg/m3，遠遠低于性能保證值(180 mg/m3)，與低氮燃燒器改造前的346 mg/m3相比，降低了67%。由此可見，該深度分級配風低氮燃燒系統(tǒng)的改造對鍋爐的NOx減排效果相當明顯。另外，改造后鍋爐熱效率較改造前相比有所提高，均能達到性能保證值。

2.2 改造帶來的問題分析

2.2.1 對鍋爐汽溫的影響

鍋爐的過、再熱汽溫是機組運行的重要參數(shù)，對機組的安全、經(jīng)濟運行至關重要。根據(jù)深度分級配風低NOx燃燒技術對NOx的減排原理，改造后將爐膛劃分為主燃區(qū)、NOx減排區(qū)及燃盡區(qū)，主燃區(qū)溫度降低及火焰中心上移將影響爐膛出口煙溫及各受熱面熱負荷，進而改變鍋爐的過、再熱汽溫特性。有學者研究了空氣分級低NOx燃燒技術中SOFA風門開關對爐膛煙溫的影響，結果表明：SOFA風門開工況相對于SOFA風門關工況，屏底煙溫溫升大于80 K，過熱器減溫水增加80 t/h左右[10]。

低氮燃燒器及配風系統(tǒng)引起的爐內溫度場變化對爐膛出口煙溫及汽溫特性的影響可能會帶來兩方面的結果[10]：(1)分級配風改造后，煤粉燃燒推遲，爐膛火焰中心上移，引起爐膛出口煙溫上升，導致過、再熱汽溫上升；(2)分級配風改造造成主燃區(qū)缺氧，對應區(qū)域溫度有所下降，水冷壁的結渣情況得到改善，吸熱增強，引起爐膛出口煙溫下降，鍋爐的過熱汽溫、再熱汽溫下降。

哪個因素的影響占主導地位取決于鍋爐的設計情況。而根據(jù)該鍋爐實際運行情況觀察，鍋爐進行低氮燃燒器及配風改造前后水冷壁的結焦情況良好，因此，影響鍋爐汽溫的因素主要是第一方面。改造前后鍋爐主汽溫、再熱汽溫的變化見圖3、圖4。

圖3 改造前后鍋爐主汽溫的變化

圖4 改造前后鍋爐再熱汽溫的變化

可以發(fā)現(xiàn)，進行深度分級配風低NOx燃燒系統(tǒng)改造后，在達到NOx的減排效果的情況下，鍋爐主、再熱汽溫都比改造前有所提高。另外，在300～600 MW負荷段，在保證設計的主汽溫、再熱汽溫時，改造后2號鍋爐的主蒸汽、再熱蒸汽的減溫水投用量明顯增多，如在負荷350 MW(50%ECR)和負荷525 MW(75%ECR)時，其中350 MW時過熱器減溫水投用量最高達94.5 t/h(一級減)和134.8 t/h(二級減)，而525 MW時過熱器減溫水投用量最高達87.8 t/h(一級減)和114.6 t/h(二級減)，可見減溫水投用量相對較大。由此可見，低氮燃燒系統(tǒng)的改造，可能會引起鍋爐汽溫增加，減溫水投用量加大。

2.2.2 對受熱面金屬壁溫的影響

進行深度分級配風低氮燃燒器改造后，在300～600 MW負荷段，鍋爐過熱器及再熱器金屬壁溫較改造之前同負荷段偏高，且部分金屬壁溫出現(xiàn)超溫報警的情況，且在改造后機組運行一段時間后曾出現(xiàn)三次過熱器爆管事故。

對于鍋爐受熱面的不同金屬材料，如常見的T23、T22、T91及T92等，都有隨著管內不同的工質壓力對應的金屬壁溫報警值。正常情況下，當鍋爐受熱面的輻射或對流熱負荷能通過金屬管壁被管內工質吸收帶走，金屬管壁就會處于正常的運行狀態(tài)，其壁溫在正常范圍內。當受熱面熱負荷過高，或工質不足以吸收、帶走受熱面輻射或對流熱量時，就會出現(xiàn)金屬管壁超溫的情況。受熱面金屬管壁超溫輕則影響機組的壽命，重則導致管壁爆裂，造成更嚴重的經(jīng)濟損失。

引起金屬管壁超溫的原因主要有：(1)煙氣側受熱面熱負荷過高；(2)管內工質流量不足；(3)金屬管壁結焦。深度分級配風低氮燃燒器改造后，燃燒區(qū)域的變化導致了爐膛火焰中心的上移，爐膛出口及以后煙氣側熱負荷有所提高。而鍋爐受熱面并未進行改造，在鍋爐負荷一定的情況下，各受熱面管內工質的水動力情況基本不變。而改造前后鍋爐的爐膛結焦情況良好，因鍋爐的結焦特性引起爐膛吸熱量變化，導致爐膛出口煙溫變化的影響因素較小。因此，鍋爐爐膛出口及以后煙氣側增加的熱負荷必然會導致汽溫的上升，金屬管壁溫度也會隨之上升。金屬管壁溫度變化是有一定限度的，如果受熱面煙氣側熱負荷過高，其熱量不足以被管內工質吸收帶走時，就可能會引起金屬管壁的超溫，更嚴重的則會導致受熱面爆管。

由此可見，盡管燃燒器深度分級配風改造可以有效地降低NOx的排放濃度，提高鍋爐熱效率；但是由于分級配風改造改變了鍋爐爐內煙氣側熱負荷的分配情況，如果鍋爐受熱面不進行相應改造，可能會引起部分管屏超溫，給機組運行帶來安全隱患。

3 結語

結合某電廠600 MW亞臨界鍋爐的深度分級配風低氮燃燒系統(tǒng)改造實例，分析了深度分級配風低氮燃燒系統(tǒng)改造對鍋爐NOx減排、鍋爐熱效率、汽溫及金屬壁溫的影響，得出：

(1) 改造后鍋爐NOx減排率達到67%，且鍋爐熱效率均有所提高，達到性能保證值。

(2) 改造也會引起鍋爐汽溫上升，減溫水投用增大。

(3) 改造引起熱負荷上移會帶來受熱面金屬壁溫上升，在300～600 MW負荷段，容易引起過熱器、再熱器部分管壁超溫。

[1] 楊華. 大型電站鍋爐氮氧化物排放控制措施的技術經(jīng)濟比較[D]. 杭州: 浙江大學, 2007.

[2] 張曉輝, 孫銳, 孫紹增, 等. 燃盡風與水平濃淡燃燒聯(lián)用對NOx生成的影響[J]. 中國電機工程學報, 2007, 27(29): 56-61.

[3] 呂太, 閆晨帥, 劉維岐. 300 MW煤粉鍋爐燃燒器優(yōu)化改造數(shù)值模擬分析[J]. 熱力發(fā)電, 2014, 43(7): 56-60, 65.

[4] 張曉輝, 孫銳, 孫紹增, 等. 200 MW鍋爐空氣分級低NOx燃燒改造實驗研究[J]. 熱能動力工程, 2008, 23(6): 676-681.

[5] 張春華, 王士嬌, 劉峰. 300 MW機組切圓燃燒鍋爐低氮燃燒改造[J]. 熱力發(fā)電, 2015, 44(3): 124-128.

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[7] 趙曉軍, 張寶紅, 易智勇, 等. 雙尺度低氮燃燒技術在錦州熱電廠的應用[J]. 熱力發(fā)電, 2013, 42(6): 69-71, 100.

[8] 張惠娟, 宋洪鵬, 惠世恩. 四角切圓空氣分級燃燒技術及應用[J]. 熱能動力工程, 2003, 18(3): 224-228.

[9] 肖琨, 高明, 烏曉江, 等. 空氣分級低氮燃燒改造技術對鍋爐汽溫特性影響研究[J]. 鍋爐技術, 2012, 43(5): 62-65.

Retrofit and Analysis on Deep Air Staging Low NOxCombustion System of a 600 MW Tangentially-fired Boiler

Yuan Hongwei1, Yu Yuexi2, Li Fangyong2

(1. Guangdong Red Bay Generation Co., Ltd., Shanwei 516600, Guangdong Province, China; 2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, China)

To study the effect of deep air staging low NOxcombustion technology on the pollutant emission, economy and safety of a power plant boiler, based on the deep air staging low NOxcombustion retrofit practice for a 600 MW tangentially-fired boiler, the influence of the retrofit on the NOxemission, boiler efficiency, steam temperature and metallic wall temperature was analyzed. Results show that after retrofit, the NOxemission is greatly reduced and the boiler thermal efficiency is increased; however, the boiler steam temperature is increased simultaneously, which leads to the rise of desuperheating water consumption, and to the rise of metallic wall temperature caused by the moving up of heat load, where the tubes of superheater and reheater are easy to be overheated, especially in the load range of 300～600 MW.

boiler; burner; deep air staging; efficiency; overheating

2016-06-08；

2016-07-17

袁宏偉(1981—)，男，工程師，從事火力發(fā)電廠運行技術管理工作。E-mail: ffyy_1314forever@163.com

TK223.2

A

1671-086X(2017)03-0196-04