200MW機組中儲式制粉系統鍋爐低氮燃燒器節能改造的探索與實踐

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（1中國華電集團發電運營有限公司北京1000312天津軍糧城發電有限公司天津300300 3國網天津市電力公司電力科學研究院天津300374）

200MW機組中儲式制粉系統鍋爐低氮燃燒器節能改造的探索與實踐

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（1中國華電集團發電運營有限公司北京1000312天津軍糧城發電有限公司天津300300 3國網天津市電力公司電力科學研究院天津300374）

本文介紹了配合200MW機組脫硝改造進行的鍋爐低氮燃燒器改造背景、改造思路、改造方案的確定，闡述了低氮燃燒器改造概況，以及改造后的試驗結論與改造效果。通改造后,在保證設計燃燒效率的情況下,爐膛出口NOX濃度穩定在350 mg/Nm3(干態,6%氧量)以下,達到了很好的環保效益。

低氮燃燒器；空氣分級燃燒；中儲式溫風送粉制粉系統；節能減排

1　設備簡況

天津軍糧城發電有限公司200MW燃煤發電機組，配套鍋爐為武漢鍋爐廠生產的WGZ670／13.72-I型超高壓、一次中間再熱、自然循環、固態排渣、單爐膛，平衡通風、中儲式制粉系統、負壓燃燒、露天呈Π型布置，全鋼構架懸吊結構的煤粉鍋爐如圖1。鍋爐燃燒方式采用四角切圓，并配有兩臺鋼球磨，中間倉儲式溫風送粉的系統。

該機組鍋爐目前在用的燃燒器是按山西混煤設計，燃燒室四角布置了四組直流式煤粉燃燒器，為四角雙切園式燃燒，其切園直徑分別為Φ792和Φ542，逆時方向針旋轉。

燃燒器中心標高為18140mm，每組燃燒器分別裝置了一、二、三次風噴口，三次風噴口布置于上組燃燒器上部。每個燃燒器沿高度可分為上、下兩組，每組各有兩層一次風噴口，一、二次風相間布置，上組燃燒器上方布置有兩層三次風噴口，三次風口的傾角可在冷態時做適當調整，可作整定汽溫的輔助手段。

圖1　鍋爐總圖

表1　鍋爐主要原始設計參數

煤質特性：燃用山西混煤（煙煤）煤質分析報告。設計煤種特性如表2。

表2　設計煤種特性

表3　近三年爐前混煤報告數據范圍

表4　鍋爐結構參數

圖2　燃燒器布置圖

表5　燃燒器噴口設計數據表

2　改造背景

隨著國家環保部門對電力污染治理要求的不斷提高，到2014年必須完成所屬機組200MW以上現役燃煤發電機組煙氣脫硝項目，并確保綜合脫硝率達到70%以上。另外新的國家標準《火電廠大氣污染物排放標準》即將發布：自2014年7月1日起，重點一類地區的火力發電鍋爐氮氧化物（NOx）排放為100 mg/Nm3（干態,6%氧量）。

根據2013年1月對該機組鍋爐性能試驗結果，在210MW、190MW、170MW、150MW、130MW負荷下，修正到過量空氣系數為1.4時，NOx的質量排放濃度為603mg/Nm3、729mg/Nm3、841mg/Nm3、937mg/Nm3、1026mg/Nm3，嚴重高于國家新標準。

天津軍糧城發電有限公司地處京津唐重點一類區域，必須進行脫硝改造，為配合脫硝改造有效降低脫硝裝置建設造價，同時降低脫硝裝置入口氮氧化合物濃度進而降低脫硝裝置運行成本，進行低氮燃燒器改造已成為當務之急。

3　改造思路與方案

3.1改造思路

在確保鍋爐安全、可靠、經濟運行及原設備盡可能利老舊設備的前提下，將現有燃燒系統進行整體優化改造，現有燃燒器層的層高及布置重新調整，同時對三次風的布置及進入爐膛的方式和等離子燃燒器布置的優化。綜合利用分級燃燒、濃淡燃燒等低NOx燃燒技術實現機組NOx排放量的大幅降低，同時不會造成鍋爐效率的降低。

根據該機組近三年常用煤質特性，設計匹配的分級送風的配風方式，實現燃料的分級燃燒，并能夠組織合理、穩定的燃燒流場，降低爐內溫度水平，減少NOx排放量。

將現有燃燒器換成低氮燃燒器，實現濃淡燃燒，進一步減少NOx生成量，同時增強燃燒穩定性，同時對鍋爐各個受熱面傳熱進行校核計算，確保能降低再熱減溫水量，不降低鍋爐熱效率。

燃燒器器整體改造之后，額定負荷下NOx排放量應降到350mg/Nm3(標態、O2=6%)以下，以降低后期脫硝系統改造的投資及日常運行成本。改造后燃燒系統要有較寬泛的煤種適應性，機組在額定負荷下運行時再熱減溫水量必須控制在5t/h以內，保證機組運行經濟性，改造不能降低機組熱效率。

同時依據表2、3給出了設計煤種與常用煤種的煤質分析可知：易著火、易燃盡，結渣偏輕，但含硫量偏高。在一般情況下，鍋爐燃用高硫煤本身就容易出現爐膛高溫腐蝕和結渣，如果進行低NOx改造，因燃燒器區域氧量的減少，則更容易出現爐膛高溫腐蝕和結渣。因此除考慮降低NOx排放外，要特別采取措施防止爐膛水冷壁的高溫腐蝕和結渣，同時兼顧考慮鍋爐的穩燃及燃燼。

3.2改造方案

采用的多空氣分級低NOx燃燒技術，主要方式為：在主燃燒區送入全部一次風和三次風和部分煤粉完全燃燒所需要的二次風，在二次風上方一定的距離送入剩余的分離頂部燃盡風（LSOFA+HSOFA），在爐膛垂直方向實現空氣分級燃燒；同時一次風采用水平濃淡技術，以及部分二次風與一次風氣流偏置形成貼壁風，在爐膛水平方向也形成空氣分級燃燒。這樣就在揮發氮物質形成的非常關鍵的早期燃燒階段將主燃燒器區域的過量空氣系數降低，在整個爐膛內實現空氣分級燃燒和局部區域空氣分級燃燒，在初始的富燃料欠氧條件下促使揮發氮物質轉化成N2，從而達到總的NOx生成量的減少。低氮燃燒技術的關鍵主要在如下三點：主燃燒器區域的過量空氣系數的選擇、SOFA離主燃燒器區域的距離和各二次風噴嘴的風量配比。

針對該機組的特點和實際燃用煤種的特性，采用先進和成熟的多空氣分級低NOx燃燒技術，對現有燃燒器進行整體綜合改造，具體改造方案如下。

3.2.1在主燃燒器上方增加兩組SOFA燃燒器，具體如表6。

表6　改造后增加兩組SOFA燃燒器情況

主燃燒器上部三次風多余風量約為13%總風量，主燃燒器上方標高24.69m處布置LSOFA（13%總風量），標高27.69 m處布置HSOFA（13%總風量），沿爐膛高度方向形成四級分級送風，分級燃燒，可大大減少NOx的生成，如圖3。

SOFA燃燒器噴嘴可以垂直方向上下手動擺動±30°，同時可以水平方向手動擺動±15°；每個噴嘴均有調節風門擋板對噴嘴的風量根據運行要求通過電動執行機構調節進行自動調節。SOFA噴嘴通過擺動機構控制，可實現上下擺動，也可手動左右擺動見圖4，既可起到在一定程度上調節NOx的排放量的作用，也可調節爐膛出口煙溫水平，控制爐膛出口側偏差煙溫，還可起到精確配風，按需配風，實現最佳燃燒的目的。

圖3　改造后SOFA燃燒器布置圖

圖4SOFA燃燒器結構圖

3.2.2由鍋爐兩側大風道引熱風到四角SOFA燃燒器，四角SOFA風道均布置流量測量裝置，保證四角風量均勻，同時精確控制四角SOFA燃燒器總風量。

3.2.3主燃燒器各層一次風、三次風、二次風標高及數量均相應調整。一次風噴嘴、風管需進行優化設計，燃燒器依舊采用四角布置切向燃燒、噴嘴固定式直流濃淡燃燒器，假想切圓的直徑為Φ542mm和Φ792mm不變，逆時針旋轉。主燃燒器下兩層一次風標高不變,上兩層一次風標高降低500mm，下三層二次風標高不變，上三層二次風標高下降500mm(取消中間的二次風，改為三次風，標高同時下降300mm)，原布置的下層三次風標高下降500mm（同時下傾10°），原布置的上層三次風改至中間二次風處。一次風噴嘴、風管進行優化設計；因增設了SOFA風，每個二次風噴嘴的風量均進行了調整，二次風噴嘴也進行了重新設計，其中第5、6層二次風設計為水平偏置貼壁風口，其他層為普通噴口；重新設計一次風粉管，采用百葉窗濃淡技術，改造相應的煤粉管道。增加了最上排一次風到屏底的距離，在一定程度上可彌補低氮燃燒對飛灰的不利影響；同時在高負荷運行時，更好的控制過熱及再熱汽溫，減少噴水量。因增設了SOFA風，每個二次風噴嘴的風量均進行了調整，二次風噴嘴需進行重新設計；重新設計一次風粉管，采用水平濃淡技術，改造相應的煤粉管道。

采用水平濃淡燃燒技術將煤粉分成了濃淡兩股煤粉氣流，優化一次風燃燒器，調整導流葉片角度，加大葉片與鈍體間距，平衡濃淡燃燒器風速如圖5。濃煤粉位于向火側，淡煤粉位于背火側，一次風噴嘴四周還布置有周界風，可形成“風包粉”，既可防止煤粉氣流刷墻或貼壁，也提高水冷壁區域的氧化性氣氛，均有利于防止高溫腐蝕和結渣。濃、淡煤粉間設有垂直鈍體，使濃淡一次風之間5°的夾角，既可起到卷吸高溫煙氣的作用，也可推遲濃淡一次風的混合。既有利于著火穩燃，又可確保水平濃淡燃燒，減少NOx的生成。濃煤粉中布置水平穩燃齒，增強噴嘴附近高溫煙氣卷吸能力（提高溫度）和煤粉氣流在噴嘴附近擾動（增加停留時間），利于煤粉的著火與穩燃如圖6。無論是濃側還是淡側都形成了偏離化學當量燃燒，即在爐膛水平方向形成燃料和風量的分級燃燒，也可在一定程度上減少NOx的生成。

圖5　百葉窗水平濃淡燃燒器示意圖

圖6　水平濃淡燃燒氣流分布示意圖

圖7　貼壁二次風效果示意圖

3.2.4重新優化設計并更換所有主燃燒器的二次風噴口，因增設SOFA二次風，主燃燒器的每個二次風噴嘴的風量均需進行調整。

3.2.5主燃燒器一次風上下布置水平偏置貼壁二次風，在主燃燒器一次風上下布置了貼壁二次風，如圖3，不僅可提高爐膛高溫燃燒區域水冷壁附近的氧量，有利于防止爐膛的結焦和高溫腐蝕，而且也在爐膛水平方向形成分級送風，也一定程度上可減少NOx的生成。

3.2.6最上層三次風移到主燃燒器中部，增加周界風和風門，噴口采用一次風噴口形式加裝周界風，具有垂直鈍體和穩燃齒，風速降低至40m/s，改造相應管道。由于三次風帶粉量達到10%～15%，將其下移至主燃燒區域中部偏下200mm，有利于三次風燃燼，可有效降低鍋爐出口飛灰含碳量。原下層三次風布置下移500mm，噴口固定向下傾斜10°，將燃燒火焰中心壓低，頂部三次風采用50m/s的設計風速，為延長煤粉氣流的停留時間（提高燃盡率），增加燃料氮的還原時間（降低氮氧化物的生成）均有利。

圖8　改造前和改造后主燃燒器布置比較

3.2.7燃燒器改造設計參數見表7。

表7　燃燒器改造設計參數對比

3.2.8燃燒器改造后沿爐膛高度過量空氣系數分布圖，如圖9。

圖9　燃燒器改造后沿爐膛高度過量空氣系數分布

4　改造工程規模

4.1拆除原燃燒器及安裝燃盡風噴嘴處和引出風管處風箱的保溫。

4.2定位割管、安裝SOFA燃燒區水冷壁讓管，并進行100%探傷。

4.3安裝主燃燒器及SOFA燃燒器，靜態下燃燒器組安裝角度測試定位安裝，剛性梁支吊裝置固定回裝，主燃燒器與水冷壁鰭片焊接并與主梁完成安裝恒力吊架，一次風管到完成連接安裝。

4.4新的SOFA風道、二次風道、周界風道安裝含支吊架、風門、膨脹節等。

4.5安裝風門執行機構，連接動力及控制電纜。各部二次風門、周界風門、SOFA風門、SOFA擺角執行機構校對。

4.6爐內噴嘴處打耐火混凝土，燃燒器、風道及煤粉管道做保溫。

4.7冷態調試鍋爐冷態通風及空氣動力場試驗等。

5　改造效果

根據改造后現場實際運行情況，完成了低氮燃燒器改造后的熱態驗證，試驗結果表明，經過一系列的優化設計與改造，鍋爐運行安全性得到了較大提高，煙氣NOx排放量有較大幅度下降，過熱、再熱器溫度調節手段得到了較好改善。

5.1210MW工況下二次風門及SOFA風門不同配風方式的優化調整試驗，測試結果表明，隨著兩層SOFA風門的逐漸開大，主燃燒區域內二次風關小，實測空預器出口煙氣中NOx濃度有較大降幅度下降。

5.2甲、乙兩套制粉系統煤粉細度的優化調整試驗，通過對粗粉分離器軸向擋板角度的調整，煤粉細度R90值由原來的28%～30%降至20%～24%，但煤粉均勻性指數變化不大，鍋爐飛灰可燃物含量降低了0.3%～0.4%左右。

5.3210MW額定負荷下制粉系統不同投運方式的優化調整試驗；測試結果表明，雙制粉運行工況采用低氮配風方式，NOx排放濃度比原始運行工況降低了40.98%；飛灰可燃物含量相比原始運行方式高1.0%左右；而在甲制粉系統和乙單制粉系統單獨運行時，實測的NOx排放濃度均能夠達到保證值，飛灰可燃物含量相對有一定幅度的改善。

5.4完成了170MW負荷下不同制粉系統投運方式的優化調整試驗；測試結果表明，鍋爐雙制粉系統運行，燃燒器采用上三層（B/C/D）和下三層（A/B/C）兩種投運方式下，NOx排放濃度比原始運行工況分別降低了37.4%和31.3%；甲制粉系統單獨運行時，改變燃燒器上述兩種組合的運行方式，實測空預器出口NOx排放濃度比原始運行工況分別降低了23.8%和28.3%；乙制粉系統單獨運行工況下，燃燒器采用兩種不同的組合運行方式，實測空預器出口NOx排放濃度比原始運行工況分別降低了47.4%和49.7%。

5.5210MW負荷下鍋爐接近最優燃燒狀況的鍋爐效率測試；測試結果表明，鍋爐采用分級燃燒方式后，主燃燒區域由于缺氧燃燒使得煤粉燃盡程度變弱，飛灰可燃物含量較改造前有所提升，運行經濟性相比改造前有所降低。

5.6鍋爐50%負荷低負荷（105MW）下的穩燃試驗和制粉系統不同投運方式的優化調整試驗；結合現場運行實際情況，該負荷下基本不采用雙套制粉系統運行，而且投運上兩層（C/D）燃燒器；采用單套（甲、乙）制粉投運方式下，鍋爐能夠安全穩定運行，負壓波動較小，就地觀測火焰明亮；甲、乙制粉系統分別單獨運行，調整為分級送風方式下實測空預器出口NOx排放濃度比原始運行工況分別降低了26.6%和31.5%。

5.7NOx測試結果

圖10　改造前、后不同負荷下氮氧化物排放量對比

圖10為改造前、后氮氧化物排放量測試對比圖。由圖可見，改造后氮氧化物排放量較改造前有明顯下降。

改造后污染物排放測試結果見表8。

表8　　NOx排放測試結果

從表8可以看出，在130MW、150MW、170MW、190MW1、190MW2、210MW六個負荷下排放量低于350mg/m3。本次低氮燃燒器改造起到了降低氮氧化物排放的效果。低氮燃燒改造后，為了達到較低的氮氧化物排放，采用分級配風燃燒方式，造成主燃區缺氧燃燒，一方面爐內溫度水平降低影響煤粉燃盡率；另一方面主燃區為還原氣氛，反應物濃度降低其煤粉顆粒燃盡率必然降低。另外，采取的配風方式造成主燃區缺氧環境，易導致煤粉顆粒燃盡率下降，進而飛灰含碳量有所上升。在常規運行階段，可以通過燃燒優化調整確定最合理配風，找到飛灰可燃物含量與氮氧化物排放兩個指標的平衡點，達到最優、最經濟運行工況。

6　結語

改造后氮氧化物排放濃度顯著降低，降幅在40%以上，平均達到350 mg/m3以下，改造后鍋爐效率基本維持不變?？傮w來說，該機組配套鍋爐經過低氮燃燒技術的改造，大幅度降低了NOx排放水平，達到了預期的目的，取得了明顯的環保減排效益。同時，也證實了低氮燃燒器加空氣分級燃燒技術在燃煤電廠里運用能取得了良好成效。

[1]張強.燃煤電站SCR煙氣脫硝技術及工程應用.化學工業出版社,2007,7.

[2]岑可法,姚強,駱仲泱,高翔.燃燒理論與污染控制.機械工業出版社,2004,1.