600MW機組鍋爐低NOx工業試驗研究

王鵬

【摘 要】為解決某電廠4號鍋爐氮氧化物排放過高，采用哈爾濱工業大學低氮燃燒技術進行了改造，鍋爐改造后采用中心給粉旋流燃燒器，并在爐膛上部布置兩級燃盡風裝置。改造后，在機組鍋爐500M W負荷下進行了燃燒調整試驗，得出了500M W負荷下最佳運行方式。試驗表明，隨著燃盡風風門擋板開度的減小和燃燒器二次風門擋板開度的增加，主燃區爐膛煙氣溫度升高，飛灰可燃物含量稍微減少，減溫水量減少，但是空預器出口氮氧化物排放量增加。

【關鍵詞】低N Ox燃燒技術改造；中心給粉旋流燃燒器；燃燒調整試驗；燃盡風；低N Ox排放

Abstract：In order to solve the high N Ox em issions of N o. 4 boiler in a pow er plant， the low N Ox com bustion technology of Harbin Institute of Technology w as adopted to retrofit the boiler. After retrofitted， the boiler w as retrofitted w ith centrally fuel rich sw irl coal com bustion burners and tw o levels of O FA technology. After retrofitted， com bustion m odify experim ents w ere perform ed at a load of 500M W and an optim um operation condition w as got. The results show that， as the over fire air dam per opening decreasing and the secondary air dam per opening of the burners increasing， the flue gas tem perature in the prim ary com bustion zone increases， and the unburned carbon content in the fly ash and attem peration w ater decrease， but the N Ox em issions increases.

Key w ords：Boiler retrofitting； Centrally fuel rich sw irl burner； Com bustion m odify experim ents； over fire air； Low N Ox em ission

0 前言

內蒙古某電廠#4爐為北京巴威公司設計生產制造的B&WB—2028/17.5- M型煤粉鍋爐。為了滿足國家越來越高的環保要求[1]，解決該鍋爐NOx排放過高的問題，在對我國先進的低NOx燃燒技術考察調研后，選擇了哈爾濱工業大學中心給粉旋流低NOx燃燒技術進行改造[2- 4]。

在實際鍋爐運行中，針對機組鍋爐負荷較長時間在500MW負荷段運行，迫切需要獲得一種兼顧經濟與環保的運行方式。本文針對這一實際問題，在改造后，在機組鍋爐500MW負荷條件下進行了燃燒調整試驗。

1 鍋爐設備概況、存在問題及改造方案

1.1 鍋爐改造前概況

內蒙某發電廠二期（2×600MW）工程鍋爐為北京B&W公司按美國B&W的RBC系列鍋爐技術標準，結合本工程燃用的煤質特性和自然條件，進行性能結構優化設計的亞臨界參數RBC鍋爐。鍋爐為一次再熱，單爐膛平衡通風，自然循環，單鍋筒鍋爐。尾部設置分煙道，采用煙氣分流擋板調節再熱器出口汽溫。鍋爐本體采用緊身封閉布置，固態連續排渣。在尾部豎井下設置兩臺三分倉容克式空氣預熱器。

鍋爐采用墻式對沖燃燒方式，采用36只EI- XCL低NOx雙調風旋流燃燒器[5，6]，燃燒器示意圖見圖1。燃燒器呈前后墻布置、對沖燃燒。其中，前墻最下層6只燃燒器已安裝等離子體點火裝置。

鍋爐采用中速磨正壓直吹式制粉系統，每臺爐配6臺MPSZGM123G型磨煤機（正常運行投運5臺磨煤機，一臺備用。設計煤種為為準格爾煙煤，煤粉細度R90=22%。

1.2 鍋爐運行中存在的問題

鍋爐自投運以來，鍋爐效率達到保證值，取得了很好的經濟性，但是爐膛出口處NOx排放量高達600mg/m3左右，遠高于國家環保要求。必須進行低氮氧化物技術改造。

1.3鍋爐燃燒系統改造方案

根據機組鍋爐燃燒系統的結構、布置特點，以及降低示范工程項目技術風險的要求，本次低NOx燃燒器技術改造的內容分為兩個主要部分：首先，在前、后墻上增設燃盡風噴口，并為其配備風箱、風道、風量調節裝置等；其次，將除前墻下層等離子體點火燃燒器外的30只EI- XCL型煤粉燃燒器整體更換為中心給粉旋流燃燒器，中心給粉旋流燃燒器結構示意圖如圖2所示。

中心給粉旋流低NOx燃燒器的改造方案為：將除去前墻6只（此六只為改為等離子體旋流煤粉燃燒器）外，其它5臺磨對應的30只EI- XCL型燃燒器整體更換為中心給粉旋流燃燒器。其主要接口設計與原EI- XCL燃燒器保持一致，燃燒器數量、布置位置及旋轉方向均保持不變，燃燒器噴口與水冷壁開孔的密封方式不變，不改動現有水冷壁。

在爐膛上部前、后墻一定標高處開設旋流燃盡風（OFA）噴口，用來進一步降低排煙中NOx的含量。在原主燃燒器上方增加對應旋流燃盡風（OFA）風箱，并增加相應的分風道，燃盡風道上加裝膨脹節，并均設有恒力彈簧吊掛。同時在前、后墻風道設有風道擋板及其執行機構，由電動執行器遠程操控，并在前、后墻風道布置風量測量裝置，通過在線檢測操控風道流量。由于對旋流燃盡風（OFA）噴口區域的水冷壁進行改造（如果旋流燃盡風噴口安裝位置與原爐膛吹灰器位置沖突，則適當調整或者取消爐膛吹灰器），并根據現場管道、鋼架安裝位置對燃盡風道進行適當調整。

根據鍋爐的燃燒器的結構特點，將前墻最下層6臺煤粉燃燒器改造為兼有等離子點火及穩燃功能的燃燒器。改造后燃燒器火焰中心位置基本不變，原有的火焰檢測設備能滿足檢測要求，不需要更換全套火焰檢測設備。

2 熱態試驗研究

鍋爐采用空氣分級技術改造后，可以有效地降低氮氧化物排放。如果配風不合理，很容易造成燃燒惡化，煤粉燃盡差，導致爐膛火焰中心上移，造成飛灰可燃物含量增加和排煙溫度升高，同時還會增加鍋爐過熱器和再熱器減溫水量，影響鍋爐安全經濟運行。

由于鍋爐燃燒系統參數都是針對額定負荷設計的，這種現象在非額定負荷下尤其明顯，這是由于低負荷時，燃盡風風量減少，風速降低，影響穿透深度，直接影響煤粉的燃盡率。針對電廠機組鍋爐負荷在500MMW負荷段運行是大概率事件，對該負荷段下不同燃盡風擋板開度進行了試驗研究。

在500MW負荷下，通過試驗確定鍋爐運行的燃燒器中心風擋板開度和最佳燃盡風風箱擋板開度，及燃盡風量和燃盡風布置方式對NOX的排放量和煤粉燃盡率的影響。

500MW負荷下，保持爐膛出口氧量為2.5%左右，其他運行參數保持不變。通過改變二次風門擋板開度及燃盡風風門擋板開度進行下面3個工況。

圖3、圖4和圖5分別為改造后500MW負荷下工況1、工況2和工況3爐內煙氣溫度分布。從圖中可以看出，不同工況在爐膛高度為17～33m燃燒器區域，爐膛煙氣平均溫度基本呈上升趨勢，燃燒器區域溫度較高，表明爐內燃料的燃燒狀態穩定。在44～57m范圍內，不同工況下爐膛煙氣平均溫度基本基本呈下降趨勢，爐膛溫度水平比較穩定。同時三種不同風門擋板開度可以發現，在44～57m范圍內爐膛煙氣平均溫度相差不大，這也說明，不同燃盡風擋板開度運行工況下沒有造成爐膛火焰中心上移。三種不同運行工況爐膛煙氣平均溫度最顯著的差別位于爐膛高度為17～33m范圍內，也就是主燃區，工況1爐膛煙氣溫度明顯高于其他兩個工況，工況2爐膛煙氣溫度稍微高于工況3。這說明，不同風門擋板開度對主燃區溫度有明顯的影響。

表1鍋爐500MW負荷下不同風門擋板開度下減溫水量對比。從表中可以看出，隨著燃盡風風門擋板開度增加和燃燒器二次風門擋板開度減小，減溫水量增加。各個工況下減溫水量都低于200t/h，達到設計要求。

經測定#4爐在工況1、工況2及工況9的飛灰可燃物含量分別為1.76%、1.825%及1.875%； A、B兩側空氣預熱器出口的平均NOx排放量分別為342mg/m3、325mg/m3及249mg/m3（折算到O2=6%）。綜合飛灰可燃物及氮氧化物排放，推薦按照工況3方式運行較為合適。

華北電科院對該機組鍋爐脫硝改造進行了驗收試驗。鍋爐進行改造后，鍋爐能達到原有的最大出力，可以在600MW負荷下穩定運行。爐膛負壓穩定，主蒸汽壓力、主蒸汽溫度能達到設計要求，過熱器和再熱器減溫水與改造前基本相同；表2給出了改造后華北電力科學研究院驗收結果。與改造前相比，各個負荷段空預器出口NOx排放質量濃度大幅下降，降幅均在40%以上。各個負荷段主要運行指標均達到合同要求。

3 結論

該機組鍋爐采用哈爾濱工業大學低氮氧化物燃燒技術改造后，鍋爐可在600MW額定負荷下穩定運行，爐膛負壓穩定，主蒸汽壓力、溫度達到設計要求，各個負荷段氮氧化物排放量較改造前均大幅下降。通過熱態試驗，得出該機組鍋爐在500MW負荷下的最佳運行方式。隨著燃盡風風門擋板開度的減小和燃燒器二次風門擋板開度的增加，主燃區爐膛煙氣溫度升高，燃燒強度增強，飛灰可燃物含量稍微減少，減溫水量減少，但是空預器氮氧化物排放量增加，綜合考慮鍋爐經濟安全運行，同時考慮環保要求，建議該機組鍋爐在500MW負荷時按照以下運行方式運行：未投運層燃燒器二次風風門擋板開度為10%，投運層燃燒器二次風風門擋板開度為55%，前墻下層燃盡風擋板開度為60%，其他燃盡風風門擋板開度均為100%。

參考文獻：

[1]GB 13223- 2011， 燃煤電廠大氣污染物排放標準[S].

[2]Chen Z， Li Z， Zhu Q， et al. Gas/particle flow and combustion characteristics and Nox emissions of a new swirl coal burner[J]. Energy， 2011， 36（2）： 709- 723.

[3]Chen Z， Li Z， Wang Z， et al. The influence of distance between adjacent rings on the gas/particle flow characteristics of a conical rings concentrator[J]. Energy， 2011， 36（5）： 2557- 2564.

[4]Chen Z， Li Z， Zhu Q， et al. Concentrator performance within a centrally fuel- rich primary air burner： Influence of multiple levels[J]. Energy， 2011， 36（7）： 4041- 4047.

[5]Fan S， Li Z， Yang X， et al. Influence of outer secondary- air vane angle on combustion characteristics and Nox emissions of a down- fired pulverized- coal 300MWe utility boiler[J]. Fuel， 2010， 89（7）： 1525- 1533.

[6]張雪，關海平，丁艷軍，等. 旋流燃燒器穩定性建模及其優化控制方法[J]. 中國電機工程學報，2010，20：94- 99.