600MW機(jī)組鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造與性能分析

朱建兵

摘 要：傳統(tǒng)6000MW大型機(jī)組鍋爐在整體運(yùn)行過程中污染物排放量較大，且在發(fā)電設(shè)備體系中所占比重較大，特別是其鍋爐NOx排放指標(biāo)往往無法達(dá)到新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，必須予以改造。本文就結(jié)合內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司的600MW機(jī)組鍋爐展開分析，探究它在利用低氮燃燒技術(shù)改造前后的性能變化影響，并提出具體的機(jī)組鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造方案。

關(guān)鍵詞：600MW大型機(jī)組鍋爐 低氮燃燒技術(shù) 改造 性能影響分析

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）12-0-02

目前我國(guó)對(duì)于發(fā)電企業(yè)的NOx排放要求有所提高，而發(fā)電企業(yè)方面則傾向于針對(duì)NOx的“先減后脫”排放控制對(duì)策。內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司的600MW機(jī)組鍋爐改造就運(yùn)用到了該技術(shù)方案，通過更換低氮燃燒器、增設(shè)OFA風(fēng)噴口實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)鍋爐機(jī)組系統(tǒng)的技術(shù)改造優(yōu)化，然后對(duì)改造后的鍋爐性能作出最終評(píng)估。

一、大唐國(guó)際托克托600MW機(jī)組鍋爐的基本概況

1.基本概況

內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司擁有600MW亞臨界直接空冷燃煤機(jī)設(shè)備，它屬于亞臨界、一次中間再熱和控制循環(huán)汽包爐類型，其中擁有單爐膛，可實(shí)現(xiàn)固態(tài)排查、平衡通風(fēng)等等功能。整個(gè)鍋爐采用全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，鍋爐中擁有正壓直吹式制粉系統(tǒng)。另外燃燒系統(tǒng)采用一次風(fēng)對(duì)沖和二次風(fēng)同心正反切方式設(shè)計(jì)，且一、二次風(fēng)呈現(xiàn)間隔排列狀態(tài)。

2.改造前的600MW機(jī)組鍋爐基本運(yùn)行狀況

由于采用了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以該600MW機(jī)組鍋爐的基本運(yùn)行狀況、煤質(zhì)參數(shù)、鍋爐熱效率以及煙氣生成物等等基本性能表現(xiàn)不佳。特別是機(jī)組鍋爐的A、B機(jī)組磨煤機(jī)出口存在一次風(fēng)速偏高且風(fēng)速不均衡的現(xiàn)實(shí)問題，在排煙溫度、燃煤飛灰可燃物質(zhì)量方面也表現(xiàn)出較大均值（最高可達(dá)到648.29mg/m?），排放值較高。由于該廠鍋爐長(zhǎng)期維持習(xí)慣性運(yùn)行方式，鍋爐燃燒器區(qū)域的高溫受熱面已經(jīng)存在不同程度的結(jié)焦現(xiàn)象，整體來講難以控制鍋爐氣溫，一次風(fēng)速偏大導(dǎo)致鍋爐在煤灰細(xì)度篩選方面難以做到均勻，鍋爐燃燒也會(huì)產(chǎn)生大量濃度較高的NOx。所以基于上述要點(diǎn)一定要嘗試針對(duì)該600MW鍋爐機(jī)組進(jìn)行低氮燃燒技術(shù)改造[1]。

二、大唐國(guó)際托克托600MW機(jī)組鍋爐的低氮燃燒技術(shù)改造方案提出

1.改造思路

首先要分析600MW機(jī)組鍋爐的低氮燃燒技術(shù)改造原理，由于煤炭在燃燒過程中會(huì)參與到包括快速型、熱力型和燃料型在內(nèi)的3種生產(chǎn)機(jī)理當(dāng)中，所以它所燃燒的熱力型NOx與燃燒溫度、空氣中的O2體積分?jǐn)?shù)應(yīng)該存在直接關(guān)系。如果采用快速性NOx則其燃燒與煤中的N質(zhì)量分?jǐn)?shù)包括煤的物化具有直接關(guān)系，特別是二者在燃燒過程中關(guān)系緊密，此時(shí)NOx總量會(huì)達(dá)到最高水平（最高80%）。因此針對(duì)機(jī)組鍋爐的改造還要結(jié)合多個(gè)方面著手思考解決問題。

2.局部改造方案

在改造方案中主要針對(duì)大唐國(guó)際托克托600MW機(jī)組鍋爐的3個(gè)方面進(jìn)行改造。

2.1對(duì)燃燒器的改造

首先要改造燃燒器，保證改造后的燃燒器擁有更快的揮發(fā)速度與更大的析出量，保證煤灰快速著火，達(dá)到一種迅速但穩(wěn)燃的效果，全面提高其燃燒效率，優(yōu)化配風(fēng)，提高煤炭利用率，真正實(shí)現(xiàn)低氧燃燒。

其次，考慮到機(jī)組鍋爐燃燒初期耗氧迅速且煤粉在缺氧環(huán)境中燃盡時(shí)間會(huì)被延長(zhǎng)，導(dǎo)致飛灰含碳量降低，所以改造燃燒器以便于降低燃料型NOx的額外損耗。

總體來講，就是改造燃燒器相對(duì)孱弱的NOx排放能力，全面提高它的著火速度與高燃燒效率，并做到燃燒器在低負(fù)荷穩(wěn)燃能力方面的有效加強(qiáng)。

涉及到最終的燃燒器改造方案，這里采用了國(guó)外進(jìn)口的超低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器取代原有的30只傳統(tǒng)DRB-4Z燃燒器。再者，為了有效降低燃燒器的節(jié)約啟動(dòng)過程與低負(fù)荷穩(wěn)燃燃油量，避免燃燒器中心筒與等離子燃燒器的位置沖突問題，專門在機(jī)組前墻位置保留了最下層的6只等離子點(diǎn)火燃燒器。

2.2對(duì)OFA噴口的改造

更換燃燒器之后，也要相應(yīng)更換OFA噴口。該廠600MW機(jī)組鍋爐原來所采用的是OFA雙風(fēng)區(qū)噴口設(shè)計(jì)，現(xiàn)在取消原有標(biāo)高位置的OFA噴口，重新設(shè)計(jì)標(biāo)高更高的OFA噴口（39800mm位置，相比原有OFA噴口提高3000mm）位置，合理利用OFA噴口利用空氣分級(jí)燃燒的基本原理，在主燃燒區(qū)形成專門的貧氧還原區(qū)域，有效減少鍋爐機(jī)組運(yùn)行中所產(chǎn)生的大量NOx，提高新OFA噴口的分級(jí)送風(fēng)程度，確保煤粉被完全分級(jí)燃燒，最大限度降低NOx的排放量。

2.3對(duì)風(fēng)箱、風(fēng)道的改造

新改造的OFA及燃燒器風(fēng)箱風(fēng)道不變，但考慮到OFA噴口標(biāo)高已經(jīng)被抬高，所以需要有效擴(kuò)展原OFA風(fēng)箱位置，為OFA噴口提供充足風(fēng)量。在OFA風(fēng)量變大以后，還要對(duì)OFA風(fēng)箱、風(fēng)道的延程阻力進(jìn)行有效增大，保證二次風(fēng)能夠從OFA風(fēng)道中全部進(jìn)入到新改造后的OFA新風(fēng)口中。為此在改造中還要繼續(xù)加大OFA風(fēng)道截面，為原有舊風(fēng)道新增旁路風(fēng)道，并在旁路風(fēng)道位置設(shè)置手動(dòng)擋板結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)OFA風(fēng)道風(fēng)量的有效調(diào)節(jié)。

除上述3點(diǎn)外，該600MW機(jī)組鍋爐還對(duì)壁溫?zé)犭娕?、部分水冷壁、鋼架平臺(tái)、電氣控制部分及某些油槍、OFA分風(fēng)道調(diào)節(jié)擋板以及風(fēng)量測(cè)試裝置進(jìn)行了局部改造[2]。

整體改造方案如下：

最后結(jié)合該電廠的空氣分級(jí)燃燒與過量空氣燃燒技術(shù)內(nèi)容，對(duì)600MW機(jī)組鍋爐進(jìn)行燃燒分級(jí)與空氣分級(jí)技術(shù)優(yōu)化，分別對(duì)其垂直空間的分區(qū)分段進(jìn)行不同區(qū)域改造，爭(zhēng)取做到改造后設(shè)備生產(chǎn)的降氮目標(biāo)。

根據(jù)電廠600MW機(jī)組鍋爐的實(shí)際情況，首先發(fā)揮新改造燃燒器的作用，將它與直流煤粉燃燒器相互組合，形成組合型垂直濃N低NOx直流煤粉燃燒設(shè)置，滿足“淡淡——濃濃——淡淡”的相對(duì)布置優(yōu)化，做到兩層相鄰主燃燒器的濃相與濃相相對(duì)、淡相與淡相相對(duì)，如圖1。

圖1 600MW機(jī)組鍋爐燃燒系統(tǒng)改造后的布置示意圖

如圖1，相鄰兩層的燃燒系統(tǒng)結(jié)語一次風(fēng)與二次風(fēng)之間，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)處理，保證燃燒系統(tǒng)在水平方向能夠達(dá)成分級(jí)配風(fēng)目標(biāo)效果。同時(shí)在距離最上層的燃燒器位置設(shè)置高度在9.200m左右的OFA風(fēng)噴口，保證風(fēng)噴口每組4層，形成大范圍的OFA風(fēng)切圓，同時(shí)預(yù)置水平偏角設(shè)計(jì)，以滿足對(duì)原有二次風(fēng)噴口的有效替換。

三、大唐國(guó)際托克托600MW機(jī)組鍋爐的低氮燃燒技術(shù)改造后評(píng)價(jià)

在實(shí)現(xiàn)低氮燃燒技術(shù)改造后，大唐國(guó)際托克托原有600MW機(jī)組鍋爐的燃燒器、OFA風(fēng)噴口以及風(fēng)箱風(fēng)道等等都已被更換，從整體來看實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐整體結(jié)構(gòu)的改變，對(duì)二次風(fēng)道的改造幅度也非常之大?？陀^講這些改造對(duì)鍋爐爐內(nèi)的空氣動(dòng)力廠以及燃燒狀態(tài)都產(chǎn)生了極大影響，特別是對(duì)機(jī)組鍋爐的整體生產(chǎn)效率影響最大，因此需要對(duì)低氮燃燒技術(shù)改造后的鍋爐性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，如表1。

在經(jīng)過低氮燃燒技術(shù)改造后，大唐國(guó)際托克托的600MW機(jī)組鍋爐在基本性能上有所提升，對(duì)該鍋爐進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行狀況檢查，發(fā)現(xiàn)首先鍋爐在滿負(fù)荷狀態(tài)下所排放出的NOx質(zhì)量濃度始終保持在280mg/m?以下，其中CO體積分?jǐn)?shù)則在100x10-6以內(nèi)，鍋爐整體運(yùn)行效率在93.0%以上。機(jī)組鍋爐的最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷也可達(dá)到46%ECR以上。

再一點(diǎn)，改造后的機(jī)組鍋爐可完全適應(yīng)全負(fù)荷變工況運(yùn)行，且可保證鍋爐處理不會(huì)被降低。在過熱蒸汽設(shè)計(jì)溫度方面相比于改造前的機(jī)組鍋爐變化幅度在±5℃以內(nèi)。通過該改造方案，機(jī)組鍋爐燃料中的的N元素也被有效燃燒揮發(fā)，這得益于新的低氮燃燒器技術(shù)與OFA風(fēng)噴口，它們能夠共同維持在一定化學(xué)燃燒系數(shù)背景下NOx燃燒生產(chǎn)量的本質(zhì)性降低，對(duì)鍋爐的結(jié)焦與超溫問題也有所改善[3]。

整體來講，整個(gè)改造方案要采用同相相鄰布置的濃淡分離低氮燃燒器，保證600MW機(jī)組鍋爐始終具有良好的著火穩(wěn)燃性能，同時(shí)滿足分級(jí)燃燒條件，可間接減少NOx的生產(chǎn)量，對(duì)維持燃燒區(qū)域內(nèi)的熱負(fù)荷均勻狀態(tài)也很有幫助。

再看燃燒區(qū)，由于改造配置了周界風(fēng)水冷壁，其壁側(cè)的一次性風(fēng)氣流煤粉質(zhì)量濃度會(huì)有所降低，此時(shí)O2的體積分?jǐn)?shù)會(huì)相應(yīng)增大，這就可有效弱化機(jī)組鍋爐的結(jié)焦問題發(fā)生傾向，對(duì)防止鍋爐內(nèi)部結(jié)焦有一定好處。

最后看OFA噴口標(biāo)高的重新改造設(shè)計(jì)，它選取了風(fēng)率在20%～25%的OFA風(fēng)噴口，將風(fēng)從噴口直接送入爐膛，可滿足分級(jí)燃燒條件，對(duì)主燃燒區(qū)維持較低的過?？諝庀禂?shù)，形成理想的弱還原性氣氛有輔助作用。而在降低了燃燒型NOx生產(chǎn)量的同時(shí)，OFA風(fēng)噴口也會(huì)在機(jī)組鍋爐燃燒區(qū)上部四周周圍水冷壁上形成富空氣區(qū)域，避免爐內(nèi)出現(xiàn)結(jié)渣問題且出現(xiàn)高溫腐蝕狀況[4]。

綜上所述，通過對(duì)大唐國(guó)際托克托公司的600MW機(jī)組鍋爐進(jìn)行低氮燃燒技術(shù)改造后發(fā)現(xiàn)它的基本性能評(píng)價(jià)結(jié)果有所優(yōu)化，改造后的鍋爐結(jié)焦超溫問題都被有效遏制，同時(shí)改造后的各項(xiàng)鍋爐指標(biāo)均表現(xiàn)優(yōu)秀。

參考文獻(xiàn)

[1]于英利，劉永江，高正平， 等.600MW機(jī)組鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造與性能評(píng)價(jià)[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2013（5）：11-15.

[2]高鵬，高明，張建文， 等.600 MW機(jī)組鍋爐低氮燃燒器改造試驗(yàn)研究[J].熱力發(fā)電，2013（4）：43-46，69.

[3]李超.600MW機(jī)組鍋爐低氮燃燒改造[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2016（9）：2530-2530.

[4]劉義，孫皓，張廣才.600 MW機(jī)組鍋爐低氮燃燒器運(yùn)行特性分析[J].廣西電力，2016（1）：42-45.