480 t/h锅炉低氮燃烧系统改造及效果分析

2010-03-15胡志杰

电力工程技术 2010年5期

胡志杰，盛春

（宜兴协联热电有限公司，江苏宜兴214200）

宜兴协联热电有限公司8号锅炉由哈尔滨锅炉厂设计制造。按照设计要求，NOx排放值需在450 mg/m3以下，但在实际运行过程中，无法达到设计要求。随着国家环保政策对NOx排放限制的不断趋严，有必要提前做好减排工作。此外，由于煤炭市场的原因，多种煤种掺烧成为一种趋势，而如何更好地把握掺烧比率，最大限度减少锅炉结焦，提高燃烧的安全性及经济性，是关乎公司可持续发展的大事。总之，节能减排是本次改造的动因和目的。

1锅炉设备概况

公司2台135 MW机组担负着宜兴市的主要集中供热任务，机组于2005年1月正式运营。8号锅炉为哈尔滨锅炉有限公司生产的HG-480／13.7-YM16型单汽包自然循环，超高压、一次中间再热、π型露天布置的固态排渣煤粉炉。炉膛为膜式水冷壁结构，炉膛上部布置前屏过热器，炉膛出口处布置后屏过热器。过热器采用两级喷水减温，再热汽温主要采用烟道挡板调节。制粉系统采用中间储仓热风送粉，配2台MG350/600型低速钢球磨煤机。直流燃烧器四角切向布置，假想切圆直径D为814 mm。每台炉配有16只燃烧器分4层布置（进行微油系统改造后），第1层为微油点火燃烧器，第2层为双稳燃可调式水平浓淡燃烧器，第3层和第4层为碰撞式浓淡分离燃烧器。所有一次风喷口均带周界风。燃烧器的设计参数见表1。

2改造要求

（1）任何工况下NOx排放小于300 mg/m3。

（2）在保证NOx减排的前提下飞灰含碳量降低15%。

（3）锅炉蒸发量，主、再热蒸汽温度，及原有的控制方式基本不变。

表1燃烧器特性参数

（4）锅炉燃烧稳定并减少锅炉受热面结焦。

（5）最下层微油燃烧器保留不改造。

（6）尽可能减少对现有设备、系统运行方式的影响，保持锅炉性能基本不变（特别说明的除外）。

3低氮燃烧原理

大型电站锅炉炉内产生的NOx主要分为热力型NOx和燃料型NOx。大量研究表明，热力型NOx和燃料型NOx与下列因素有关：作为热力型NOx，当温度高于1 500℃时，NO生成量呈指数规律迅速增长，在高温下停留时间越长，氧浓度越大，NO生成量就越多。作为燃料型NOx，燃料含氮量越高，过量空气系数越大，燃料型NOx的生成量就越大，转化率也越高。可见，降低热力型NOx，要求氧浓度低，温度低，在高温区的停留时间短。降低燃料型NOx，要求氧量低，尤其是挥发份的析出和燃烧阶段，氧量越低越好。

而要保证煤粉稳定燃烧及飞灰灰渣含碳量低，则要求燃烧时有足够高的温度、足够的氧量和煤粉浓度以及后期要强烈扰动。炉内温度越低或越分布合理，越有利于防止结渣及高温腐蚀。

从以上的分析可以看出，降低NOx排放的技术措施在一定程度上和稳定燃烧、降低飞灰可燃物、防止结渣和降低高温腐蚀相矛盾。因此，在采用降低NOx排放技术措施时要综合考虑。

分级燃烧是一种有效的低NOx燃烧技术，运用空气分级燃烧原理对传统的煤粉炉燃烧系统进行综合改造，不仅可有效降低NOx的排放量，还能保持其较好的经济性。分级燃烧的基本思想是：（1）降低主燃烧区域的氧气浓度，进行亚化学当量的贫氧燃烧，以抑制煤粉燃烧过程中NOx的形成，因为无论是热力型还是燃料型NOx，燃烧区空气过量系数对NOx生成量影响很大，当过量空气系数a＜1时，燃烧区处于富燃料燃烧状态，这对减少NOx生成有明显的效果。根据这一原理，把供给燃烧的空气分为主燃烧区和燃烬风分级送入。即把80%左右的理论空气量送入主燃区，使燃烧在富燃料燃烧的条件下进行，降低了主燃烧区的氧浓度，也降低了主燃区的温度水平，从而降低了生成NOx的转化率。（2）在炉墙附近及炉膛上部增大氧气浓度，进行过化学当量的富氧燃烧，避免水冷壁及过热器的高温腐蚀，同时促进煤粉的完全燃烧。

在分级燃烧时，利用一级富燃区燃料在缺氧条件下燃烧，燃烧速度和燃烧温度降低，热力NOx减少，同时，燃料中释放的含氮中间产物HCN，NH3等会将NO还原分解成N2，因而抑制NO的生成。到了燃烬区，燃料在富氧条件下燃烬，不可避免的有一部分残留的氮会氧化成NOx。但由于火焰温度较低，NOx生成有限。所以在空气分级条件下总生成量是降低的。

4 分级燃烬风系统（SOFA）及特点

美国阿米那电力环保公司（LP Amina公司）的改造方案，将SOFA设计成双切圆形式，SOFA布置如图1所示，SOFA截面速度场分布如图2所示。

图1 SOFA布置三维图

图2 改造后燃尽风截面速度场

该方案不仅有利于水冷壁附近形成富氧环境，防止上层水冷壁高温腐蚀，而且内外燃尽风双切圆旋转可以加强扰动，促进未燃尽碳和CO的充分燃烧。这种SOFA风的布置对降低飞灰含碳量十分有利。改造后，根据不同锅炉负荷和炉内环境，通过调节SOFA风，灵活控制燃尽风的旋流强度，同时相对大的切圆可以增强SOFA风与未燃尽碳的扰动，加强了高温烟气与未燃尽碳的对流传热，减少烟气飞灰含碳量和CO，并可彻底解决SOFA风区域水冷壁周围由于缺氧导致的结焦和高温腐蚀的问题。这些都是该设计优于其他类型分级燃烧的原因。

为了解决空气分级燃烧后，主燃烧器区域低氧富燃料燃烧对附近水冷壁造成不良影响，LP Amina公司改造方案中采用了偏置二次风。偏置二次风射流与主燃烧器射流呈12°夹角布置，如图3所示，偏置二次风的优势体现在以下几个方面。

图3偏置二次风示意图

（1）偏置二次风将部分二次风分离到煤粉气流的下游，推迟了一、二次风的混合，形成了水平方向的分级送风，加强了分级送风的效果，有利于减少NOx的生成。

（2）偏置二次风可以通过风门调节，控制水冷壁附近的氧量与炉膛平均氧量基本相当，因而比较合理地改变了水冷壁附近的烟气气氛，可以有效地防止水冷壁的高温腐蚀和结渣。

5 计算流体动力学（CFD）模拟研究

改造方案确定之后，LP Amina公司就改造方案进行了数值模拟计算，下面是CFD模拟的结果。

图4为改造前后炉膛温度分布的对比。改造前主燃烧区的温度比较高，而且高温区相对集中，这样的温度分布势必导致大量热力型NOx的生成。改造之后，温度分布随炉膛高度均匀分布。此外，炉膛出口的烟温没有变化，可以保证锅炉参数不变。控制炉膛内的高温点，有效减少热力型NOx的生成。

图5为改造前后NOx分布。改造前，在主燃烧区产生大量的NOx，当烟气经过原有的OFA时NOx的浓度基本上没有变化。改造后，虽然在主燃烧区也产生了大量的NOx，但是由于在主燃烧区氧气浓度降低，氧化性氛围减弱，且由于SOFA风的作用，NOx的浓度在炉膛出口处下降得非常明显。

图4改造前后烟气温度分布

图5 改造前后NOx分布

图6为改造前后流速分布。改造后烟气沿炉膛高度的速度比改造之前小，增加了煤粉颗粒在炉膛内的停留时间。引入SOFA后，加速上升烟气的扰动，促进了可燃物随烟气上升过程中的充分燃烧。

图7为改造前后颗粒碳在炉膛内轨迹。改造增加了炉内的扰动，更多的煤粉颗粒随烟气的上升面向上运动。CFD结果表明，经过改造之后，主燃烧区未燃尽碳在燃尽区充分燃烧，而不是随烟气带出，或沉积到灰斗，这样使得燃烧效率提高。

图6改造前后流速分布

图7改造前后颗粒碳在炉膛内轨迹

6现场改造及试验效果分析

6.1改造范围和内容

根据改造目的和现场实际情况，LP Amina公司方案的具体改造如下。

（1）主风箱改造。针对锅炉的具体情况，设计了新的一次风喷口及二次风喷口，并重新调整各燃烧器喷口的位置。在保证最下层微油燃烧器不变的情况下，对其他喷燃器进行了整体下降布置。

（2）SOFA风箱带改造。SOFA管道与主二次风管道相连，抽取部分二次风送至SOFA喷口。风箱带布置于主风箱上方，并围绕整个炉膛。

（3）新增SOFA风道及风道系统支吊架。

（4）新增SOFA处水冷壁的开孔及开孔处密封部件。

（5）新增SOFA风箱，安装了热线型质量流量装置，可准确检测风量的变化。

（6）为了保证新的燃烧系统的正确运行，对燃烧系统相关的控制逻辑进行修改。

改造前后燃烧器喷口的布置如图8所示。

图8改造前后燃烧喷口布置

6.2改造效果

改造完成投运后，进行了燃烧调整试验，试验由电厂配合LP Amina公司调试人员进行。在不同负荷下，对SOFA开度及二次风门配比进行了36个不同组合工况的调试试验，对锅炉空预器前后的NOx、CO、O2进行了网格法测量，对飞灰进行了取样和可燃物化验。

各种燃烧调整试验优化后的测试数据如表2所示，可以看出2种满负荷工况NOx与改造之前相比降幅达到了40%，飞灰可燃物含量也有所降低[1]。

表2改造前后效果对比

在调整试验完成后，由江苏方天电力技术有限公司对改造锅炉进行了对比试验，结果参见表3。

6.3调试和燃烧调整经验

（1）SOFA风量对NOx影响很大。在其他因素不变的前提下，一般情况NOx会随着SOFA挡板的开度增加而减小，档板开度大于60%时，NOx水平基本就维持恒定。此外，甲、乙侧SOFA风量调节需控制均匀，这有利于降低NOx及飞灰含碳量。

表3改造前后性能试验对比

（2）改造后，运行空预器入口氧量与NOx之间的关系参见图10。改造后最佳氧量控制在3%左右，此时飞灰含碳量较低。与改前相比，相同负荷下总风量可以减小，电耗因此降低5%左右。

图10改造后空预器入口氧量与NOx的关系

（3）燃烧器改造后，燃烧器壁面金属温度分布趋势有很大改观，通过SOFA调整能有效降低燃烧器金属温度，可做到任何工况下控制燃烧器管壁温度不超限。在燃用褐煤时炉内结焦情况明显减少。分析原因是SOFA的刚度大，距离上部燃烧器较近，不但对火焰、烟气流速场产生很大影响，且对火焰温度场及氧质量分数分布有直接影响，故调节SOFA的风量分配能灵活改变燃烧器管壁温度的分布趋势。改造后燃烧器区域的火焰温度明显降低。这也是该设计能有效降低热力型NOx的原因。