元寶山電廠600 MW褐煤鍋爐燃燒器低氮改造及垂直濃淡煤粉燃燒技術(shù)研究與應用

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 引言

燃煤火電(煤電)是我國發(fā)電裝機容量的主要組成部分，占到總發(fā)電量的70%左右，煤燃燒中會產(chǎn)生大量污染物質(zhì)，如氮氧化物、硫氧化物和粉塵等。電力行業(yè)NOx排放量大于全國氮氧化物排放總量的50%以上，其主要源自于各種燃煤鍋爐?；痣姀S排放的NOx一直未進行有效地控制，且目前排放總量在隨火電機組容量的增加而增加。所以控制NOx的排放量已經(jīng)成為電力工業(yè)發(fā)展所面臨的一大課題[1-2]。

電站鍋爐煤粉燃燒生成的氮氧化物主要分為熱力氮、快速氮和燃料氮[3]，其中熱力氮來源于空氣中的氮，在一般的煤粉燃燒工況下，熱力氮和快速氮占比較少，大部分屬于燃料氮，而燃料氮來源于煤中的氮含量，因此對于煤粉燃燒，低氮燃燒主要是控制燃料氮[4-6]。電站鍋爐采用低NOx燃燒技術(shù)是一項投入少 、見效快并且適合我國國情的控制NOx排放量有效措施，它包括低NOx燃燒器技術(shù)、爐內(nèi)低過量空氣系數(shù)運行、空氣分級燃燒技術(shù)、燃料分級燃燒技術(shù)和煙氣再循環(huán)技術(shù)等[7-8]，同時要綜合考慮鍋爐運行經(jīng)濟性、安全性與NOx脫除效率的最優(yōu)結(jié)合。其中，空氣分級和燃料分級低NOx燃燒技術(shù)即是將煤粉燃燒反應過程化學當量比控制在較低水平，并盡量降低煤粉火焰溫度，可以形成較低溫度、強還原性氣氛的煤粉著火燃燒環(huán)境，有效減少煤中氮元素向NO轉(zhuǎn)化率并降低熱力型NO生成量[9]。

目前為了滿足我國大氣污染物排放嚴格的排放標準，實現(xiàn)超低排放，各種低氮燃燒技術(shù)在我國已經(jīng)廣泛采用，但其基本原理都是通過空氣分級和燃料分級的方式，實踐證明效果顯著且技術(shù)可靠[10]。

1 改造前鍋爐概況

1.1 鍋爐概況

3號機組所配鍋爐由哈爾濱鍋爐廠設計制造，為HG-2008/18.2-HM3型亞臨界壓力一次中間再熱控制循環(huán)、單爐膛、П型布置、平衡通風、固態(tài)排渣煤粉爐。爐膛截面尺寸為20.19 m(寬)×20.05 m(深)，爐膛容積25 950 m3，爐截面積熱負荷15.8 MJ/m2·h，爐容積熱負荷237.8 MJ/m3·h。上排煤粉噴口至屏底高度24.245 m。

1.2 燃燒器概況

鍋爐采用四角布置的擺動式燃燒器，采用CE傳統(tǒng)的大風箱結(jié)構(gòu)，由隔板將大風箱分隔成若干個風室，在各風室的出口處布置數(shù)量不等的燃燒器噴嘴。

1.3 燃用煤質(zhì)(見表1)

表1改造燃用煤質(zhì)

名稱及符號設計煤種校核煤種1校核煤種2工業(yè)分析收到基全水分 Mar/[%]25.2823.7020.76收到基灰分Aar/[%]26.3930.0025.60收到基揮發(fā)分Var/[%]21.1923.1523.17收到基低位發(fā)熱量Qnet,ar/kJ·kg-113 20711 80014 682哈氏可磨系數(shù) HGI57.66060元素分析收到基碳Car/[%]36.3032.6039.73收到基氫Har/[%]2.352.402.61收到基氧Oar/[%]8.519.99.28收到基氮Nar/[%]0.470.400.52收到基全硫St,ar/[%]0.71.001.5

2 垂直超濃淡風煤粉燃燒技術(shù)原理

2.1 高濃縮比濃淡風煤粉燃燒技術(shù)原理

新一代的高濃縮比濃淡風煤粉燃燒技術(shù)，是在一次風管道內(nèi)采用經(jīng)過詳細研究和優(yōu)化的百葉窗式煤粉濃縮器，使煤粉氣流在流經(jīng)百葉窗時產(chǎn)生不同程度偏轉(zhuǎn)，煤粉與氣流慣性分離，經(jīng)分流隔板后分別形成兩股濃、淡煤粉氣流，同時在背火側(cè)布置有剛性強的偏置周界風噴口。這種布置方式不僅起到了穩(wěn)燃和降低NOx生成的作用，同時還避免了形成還原性氣氛，防止水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。濃煤粉具有著火溫度低、火焰溫度高的特點，保證了煤粉火焰的良好穩(wěn)定性。

由于濃淡煤粉氣流分別在遠離煤粉燃燒化學當量比條件下燃燒，對于濃側(cè)煤粉氣流由于處于還原性氣氛下燃燒，氣流中氧含量小，煤粉揮發(fā)物中的含氮基團可將NO還原為N2，使NO產(chǎn)生量降低；對于淡側(cè)煤粉氣流，由于煤粉濃度較小，含氮基團析出量小，這樣與氧反應生成NO的量較小，綜合總體效應的結(jié)果，使?jié)獾蛛x后一次風產(chǎn)生NO排放量比普通型直流燃燒器少得多。采用垂直濃淡煤粉燃燒器后，可以有效改善著火階段煤粉氣流的供風，使煤粉在偏離化學當量比環(huán)境中著火，這樣降低了NOx生成量，可以大幅度降低NOx排放水平。

2.2 爐內(nèi)垂直空氣分級降低NOx排放

空氣分級燃燒是目前使用最為普遍的低NOx燃燒技術(shù)之一?？諝夥旨壢紵幕驹頌椋簩⑷紵璧目諝饬糠殖蓛杉壦腿霠t膛，使主燃燒區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)在0.8～0.92，燃料先在富燃料條件下燃燒，使得燃燒速度和溫度降低，延遲了燃燒過程，在還原性氣氛中大量含氮基團與NOx反應，提高了NOx向N2的轉(zhuǎn)化率，降低了NOx在這一區(qū)域的生成量。將燃燒所需其余空氣通過布置在主燃燒器上方的燃盡風噴口(OFA)送入爐膛，在供入燃盡風以后，成為富氧燃燒區(qū)。此時空氣量雖多，但因火焰溫度低，且煤中析出的大部分含氮基團在主燃區(qū)已反應完成，最終NOx生成量不大，同時空氣的供入使煤粉顆粒中剩余焦炭充分燃盡，保證煤粉的高燃燒效率，最終爐內(nèi)垂直空氣分級燃燒可使NOx生成量降低30%～40%。

空氣垂直分級燃燒和濃淡燃燒技術(shù)相結(jié)合，使主燃燒器區(qū)還原性氣氛得以強化，更有利于NO與還原性含N基團反應，提高NO還原率，可以更好的發(fā)揮濃淡燃燒技術(shù)降低NOx排放的性能；同時濃煤粉氣流使煤粉氣流著火提前，煤粉顆粒在高溫燃燒區(qū)域提留時間增加，有利于保證煤顆粒中焦炭充分燃盡；保證了在主燃燒區(qū)雖然保持了燃燒總體過量空氣系數(shù)小于1的還原性氣氛，但在易出現(xiàn)結(jié)渣和高溫腐蝕的爐膛近水冷壁區(qū)則為氧化性氣氛，提高近壁區(qū)內(nèi)灰顆粒的熔點，并有效減少近壁區(qū)煙氣中腐蝕性氣體的濃度，有利于防止爐膛結(jié)渣和水冷壁高溫腐蝕。

研究表明，煤粉著火初期的揮發(fā)分析和燃燒出過程對消減整個NOx排放量至關(guān)重要，但揮發(fā)分析出和反應時間很短，大約只占煤粉顆粒在爐內(nèi)整個停留時間的1/10，因此在著火初期減少供入的氧量形成強還原性氣氛非常重要。采用高濃縮比濃淡燃燒方式，使煤粉初期揮發(fā)分析出階段氧量大幅度減少，形成強還原性氣氛，極大促進NOx還原為N2，且濃縮率越高降低NOx排放濃度的效果越好，因此高濃縮率的煤粉著火初期濃淡分離技術(shù)是低NOx燃燒技術(shù)的關(guān)鍵。

3 元寶山#3爐改造方案及改造效果

3.1 改造目標

(1)在300～600 MW工況下，鍋爐省煤器出口(指尾部脫硝設備入口)的煙氣NOx排放濃度值(指折算到過剩空氣系數(shù)為1.4的條件下)：≤350 mg/Nm3，同時，CO≤100 ppm。鍋爐效率不低于設計值。

(2)飛灰可燃物含量不高于改造前的運行值Cfh≤1%，大渣可燃物含量不高于改造前的運行值Cdz≤1%。

(3)改造后鍋爐最低不投油穩(wěn)燃負荷不高于改造前的鍋爐設計值30%MCR。

(4)在鍋爐BMCR負荷、額定負荷、75 %負荷，鍋爐主蒸汽參數(shù)、再熱蒸汽參數(shù)在保證受熱面金屬管壁不超溫的前提下，能夠達到設計值并穩(wěn)定運行，左右兩側(cè)主再熱汽溫偏差<8℃。

(5)在鍋爐額定負荷下，各級減溫水流量在可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)：過熱減溫水≤120 t/h，再熱減溫水量基本不使用。

(6)鍋爐額定負荷時修正后排煙溫度不得高于設計值。

(7)改造后去除排煙溫度對鍋爐效率的影響，即將改造后實際排煙溫度高于設計值對鍋爐效率的影響部分去除后， 鍋爐效率BMCR工況不得低于改造前設計值91.77%、ECR工況不得低于改造前設計值91.9%。

(8)額定負荷、75%額定負荷、50%額定負荷CO均≤100 ppm。

(9)燃燒器改造后應具有良好的煤種適應性，在常規(guī)燃煤范圍內(nèi)，保證鍋爐不發(fā)生結(jié)焦和腐蝕現(xiàn)象。

3.2 改造方案

采用哈博深的“分拉垂直親和濃淡煤粉燃燒技術(shù)”對元寶山發(fā)電廠#3鍋爐進行改造，在原有燃燒系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，做如下改動：

(1)取消原有的燃盡風燃燒器，采用分級送入的高位分離燃盡風系統(tǒng)，重新布置四層燃盡風燃燒器，為了控制汽溫及其偏差，燃盡風噴口設計成垂直方向和水平方向雙向擺動；

(2)燃盡風系統(tǒng)采用獨立風箱結(jié)構(gòu)，直接由熱二次風道上取出，利舊改造原來燃盡風風道，設置主燃盡風系統(tǒng)調(diào)節(jié)擋板門，保證燃盡風配送的流量控制和輸送均等性；

(3)由于主燃燒器區(qū)噴口標高不變，噴口管屏不需要改造；

(4)一、二次風燃燒器重新設計布置，采用均等配風方式，保證還原時間和煤粉燃燼高度，確保NOx最大幅度減排；

(5)保持一、二次風原有的垂直擺動形式，使其能夠有效的調(diào)節(jié)再熱汽溫和防止鍋爐氣溫偏差過大；

(6)采用先進的垂直超濃淡風煤粉燃燒技術(shù)，并采用噴口強化燃燒措施，有效降低NOx排放，強化劣質(zhì)煤的燃燒穩(wěn)定性，保證高效燃燒，并拓寬燃料適應性，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)，確保煤粉及時著火，加強燃盡效果，燃料適應性變寬；

(8)上下兩組主燃燒器中部高溫區(qū)二次風燃燒器噴口偏置，減少高溫區(qū)結(jié)渣傾向；

(9)采用延遲混合型一、二次風以及周界風偏置的噴口設計，鈍體+穩(wěn)燃齒，確保NOx大幅度減排；

(10)采用一次風燃燒器高溫耐磨濃淡燃燒技術(shù)，保證燃燒器的超長穩(wěn)定運行周期；

(11)更換A層燃燒器為垂直濃淡煤粉燃燒器(哈博深專利技術(shù))，等離子及微油點火系統(tǒng)利舊使用。對等離子風道加熱室點火系統(tǒng)進行改造，保證低NOx排放的同時，節(jié)約大量燃油，滿足節(jié)能環(huán)保的要求。

3.3 改造效果

3.3.1 技術(shù)分析

哈博深公司對元寶山#3鍋爐進行低氮改造后，對其進行了冷、熱態(tài)調(diào)試試驗，現(xiàn)鍋爐已安全穩(wěn)定運行一年有余，NOx排放指標平均在270 mg/Nm3左右，鍋爐效率不降低，各項指標都達到了保證值，完全實現(xiàn)了預期的改造目標。

3.3.2 改造效果

總體來說，經(jīng)過低氮燃燒技術(shù)的改造，大幅度降低了NOx排放水平，在300 MW負荷下折算后省煤器出口NOx排放濃度為345.6 mg/Nm3；在450 MW負荷下，折算后省煤器出口NOx排放濃度為221.5 mg/Nm3；在600 MW負荷下，折算后省煤器出口NOx排放濃度為230 mg/Nm3。達到了預期的改造目的，取得了明顯的環(huán)境效益。同時，減少了爐外脫銷改造催化劑的投入，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益(據(jù)計算：燃煤機組鍋爐每降低NOx排放量100 mg/Nm3，可節(jié)約200～300萬元的脫硝催化劑的費用)，獲得了節(jié)能減排的綜合效果。

表2鍋爐熱效率試驗主要結(jié)果

序號項目300 MW450 MW600 MW1排煙溫度/℃117.4124.71362空預器出口O2體積百分含量/[%]8.66.65.53空預器出口CO2體積百分含量/[%]10.8312.5913.564排煙中CO體積百分含量/[%]0005干煙氣熱損失/[%]6.6125.9455.5546總干灰渣中未燃燼碳的熱損失/[%]0.2640.0820.1787入爐燃料中水分引起的熱損失/[%]0.3360.3320.3108氫燃燒生成水分引起的熱損失/[%]0.2940.3240.3459空氣中水分引起的熱損失/[%]0.0860.0910.11210生成一氧化碳造成的熱損失/[%]0.0000.0000.00011輻射和對流熱損失/[%]0.260.230.1812不可測量熱損失/[%]0.350.350.3513實測鍋爐效率(低位發(fā)熱量)/[%]91.8092.6492.9714修正后排煙溫度/℃128.2134.5141.715修正后干煙氣熱損失/[%]6.3065.6835.39316修正后入爐燃料中水分引起的熱損失/[%]0.3400.3240.39117修正后氫燃燒生成水分引起的熱損失/[%]0.2820.2690.32518修正后空氣中水分引起的熱損失/[%]0.1460.1330.12619修正后鍋爐熱效率(低位發(fā)熱量)/[%]92.0392.9293.05

表3鍋爐省煤器出口NOx、CO排放濃度主要數(shù)據(jù)及結(jié)果

序號名稱300 MW450 MW600 MW1鍋爐省煤器出口O2含量/[%]5.53.93.42鍋爐省煤器出口CO含量/ppm0003鍋爐省煤器出口NOx含量/ppm1751231324實測過量空氣系數(shù)1.351.231.195規(guī)定過量空氣系數(shù)1.41.41.46折算后NOx排放濃度/mg·Nm-3345.6221.5230

4 結(jié)論

實踐表明，垂直超濃淡風煤粉燃燒技術(shù)能夠減少著火初期供入的氧量以及強化還原性氣氛，進而最終控制NOx的生成。結(jié)合空氣分級燃燒技術(shù)，可以在保證鍋爐運行及效率不受影響的情況下大幅降低鍋爐NOx的排放。該新型燃燒器能夠在燃燒系統(tǒng)小改動量的前提下，取得良好的改造效果。預計該技術(shù)在國內(nèi)大容量機組改造及新建工程中有著非常廣闊的應用前景。