300 MW机组燃煤锅炉空气分级低NOx燃烧系统改造技术

李衍平

(华电国际莱城发电厂，山东 莱芜 271100)

在燃煤电厂排放的大气污染物中，氮氧化物(NOx)因为对生态环境和人体健康的危害极大，且难以处理，所以成为重点控制排放的污染物之一。《火电厂大气污染物排放标准》从2012年开始实施，其中，从2012年1月1日开始，所有新建火电机组NOx排放浓度标准要求达到 100 mg/m3[1]。因此，为了减少氮氧化物(NOx)对生态环境和人体健康造成的危害，本文介绍了华电国际电力股份有限公司莱城发电厂对300 MW机组3号炉燃烧系统的低氮改造过程。

1 锅炉概况

华电国际电力股份有限公司莱城发电厂300 MW机组3锅炉采用SG-1025/17.44-M844型亚临界、中间一次再热、控制循环汽包炉，引进美国CE燃烧工程公司的技术。该锅炉为单炉膛、平衡通风、固态排渣、四角切圆燃烧方式，设计燃煤为高挥发分烟煤，点火、助燃用油为0号柴油[2]。制粉系统配置3台BBD4062型双进双出直吹式磨煤机，燃烧方式为四角顺时针切圆，每角共有6个一次风口、6个燃料二次风口、11个辅助二次风口，顶层为两层消旋风，燃烧器摆角上下摆动30°，锅炉主要设计参数如表1所示。

表1 锅炉主要设计参数

2 燃烧系统低氮改造

2．1 多空气分级低NOx燃烧技术

首先在沿炉膛高度的垂直方向采取三次空气分级，即在主燃烧器区域送入部分煤粉完全燃烧所需要的一次风和二次风，在紧邻主燃烧区的上方OFA喷嘴送入部分燃尽风(即一次垂直空气分级);从OFA上方距主燃烧器一定距离的低位SOFA燃烧器送入剩余的部分燃尽风(即二次垂直空气分级);将剩余的燃尽风从除OFA和低位SOFA燃烧器外的高位SOFA燃烧器送入(即三次垂直空气分级[3])。其次，主燃烧器一次风燃烧装置上采取水平浓淡分离技术，从而在炉膛水平方向形成浓淡两股煤粉气流，实现炉膛水平方向的空气分级燃烧(一次水平空气分级)。另外，主燃烧器的部分二次风喷嘴采取正向偏置布置，形成部分贴壁风[4]，推迟了该部分二次风与煤粉气流的混合，在炉膛水平方向形成了一定程度的空气分级燃烧(即二次水平空气分级)。这样就在挥发氮析出后非常关键的早期燃烧阶段，将主燃烧器区域的过量空气系数降低，在整个炉膛内沿垂直方向和水平方向实现多次空气分级燃烧，在初始的富燃料欠氧条件下促使挥发氮转化成N2，从而减少总的NOx生成量。同时，因富燃料欠氧，炉膛的燃烧温度也会相对降低，在一定程度上会降低热力型NOx的生成量。

2．2 燃烧器改造

在主燃烧器上部设置OFA，主燃烧器上方标高32 850 mm处布置低位SOFA，标高35 950 mm处布置高位SOFA，沿炉膛高度方向形成垂直三次空气分级;一次风采用水平浓淡[5]，使浓煤粉主要集中在火焰温度高的炉膛中心，空气含量高的淡煤粉则分布在炉膛四周，使一次风气流在水平方向形成空气分级;主燃烧器区域布置了4层贴壁风，使该部分二次风与主气流在水平方向推迟混合，即在水平方向也形成了空气分级。上述多空气分级措施可大大减少NOx的生成。SOFA燃烧器分低位和高位布置，相对单一SOFA布置更容易有利于分级燃烧，炉膛氧量和燃烧温度分布均匀，SOFA燃烧器规范如表2所示。

表2 SOFA燃烧器规范

SOFA燃烧器喷嘴可以垂直方向上下摆动±30°(DCS控制)，同时可以水平方向摆动±15°(手动);每个喷嘴均有调节风门挡板，对喷嘴的风量根据运行要求进行自动调节(DCS控制)，燃烧器改造设计参数如表3所示。

表3 燃烧器改造设计参数

燃烧器改造过程如下:

1)燃烧器喷嘴出口端四角设计成圆弧形，有利于保持出口射流刚性，减少燃烧器掉粉;喷嘴尾部也设计成圆弧形，使喷嘴上下摆动时间隙风漏风不会增加，可维持二次风的刚性，提高锅炉燃烧效率。

2)对燃烧器密封和保温进行优化设计，可以降低燃烧器的漏风和散热，降低燃烧器周围的温度，有利于燃烧和提高效率，改善摆动气缸和执行器的工作环境，确保上述设备的可靠性。

3)维持原燃烧器的射流角度和切圆大小不变，对原燃烧器设计参数进行微调，这样可最大程度地维持原燃烧器的特点。

4)主燃烧器整体不需改动(主燃烧器壳体以及对应水冷壁都不改动)，所有一次风、二次风的标高均不改变。煤粉管道、煤粉弯头的标高、走向以及结构形式不做改动。油枪、火检等设备安装位置均不改变。

2．3 一次风管道改造

一次风采用弯头式水平浓淡，在形成浓淡燃烧的条件下形成“风包粉”，有利于防止或减轻炉膛结渣和高温腐蚀。浓、淡煤粉间设有垂直钝体，使浓淡一次风之间形成6°的夹角，起到卷吸高温烟气的作用，可推迟浓淡一次风的混合，利于着火稳燃，确保水平浓淡燃烧，减少NOx的生成。相对于百叶窗水平浓淡来说，弯头式水平浓淡适合于烟煤，而且阻力小，磨损小。在低氮燃烧情况下，主燃烧器区域处于还原性气氛，炉膛结渣和高温腐蚀容易发生，而相对于垂直上下浓淡而言，水平浓淡对防止炉膛结渣和高温腐蚀有利。一次风水平浓淡如图1所示。

图1 一次风水平浓淡示意图

另外，一次风喷嘴出口上下加装扩压器，可增强对高温烟气的卷吸，推迟了二次风的混入，有利于着火与稳燃，可降低NOx生成。一次风喷嘴采用均等的周界风，起到冷却喷嘴的作用，同时有利于保持一次风气流的刚性。

2．4 二次风系统改造

主燃烧器中布置2层(AB2、BC2层)水平偏置(贴壁)辅助二次风，将2层(B层、C层)油风室对应的辅助二次风喷口中的部分风设计为水平偏置(贴壁)辅助二次风，可提高炉膛高温燃烧区域水冷壁附近的氧量，防止炉膛的结焦和高温腐蚀，在炉膛水平方向形成分级送粉，可减少NOx的生成;锅炉有结焦倾向时，应开大AB2、BC2、B、C层贴壁风运行，并加强锅炉水冷壁吹灰。

2．5 空气预热器改造

1)在2台空预器A级检修后，更换蓄热元件冷端原有吹灰器，并增加高压水枪管、热端吹灰器，介质仍为原有蒸汽汽源;完成密封改造，更换蓄热元件、热端及冷端扇形板、轴向密封板、径向轴向旁路密封片，提高空预器的换热效率。

2)每台空预器增加1只热段吹灰器。空预器吹灰维持压力1.3 MPa，最大不得超过1.37 MPa。

3)空预器吹灰器有常速方式和慢速方式。在常速方式下，吹灰过程在35 min内完成;慢速方式下，吹灰过程在74 min内完成。吹灰器吹灰正常选常速方式运行。

4)空预器吹灰流程，先运行下部吹灰器(冷端吹灰器，吹灰过程约在35 min完成)，再运行上部吹灰器(热端吹灰器，吹灰过程约在35 min完成)。

3 结论

1)燃烧器经改造后，飞灰可燃物含量达到了设计值，没有出现大幅升高的现象;最低稳燃负荷达到设计要求;过热器、再热器超温情况较改造前大幅减少。

2)机组在额定负荷运行时，NOx的排放浓度由600 mg/m3降到了240 mg/m3，达到了减排的目的，取得了良好的效果。

3)锅炉热效率增加了约1%，节约了燃料成本，增加了机组的经济性。

[1]国家环境保护局.GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准[S].北京:中国环境科学出版社，2012:2.

[2]容銮恩.300 MW火力发电机组丛书—燃煤锅炉机组[M].北京:中国电力出版社，2004:33-35.

[3]郑海红，王冉阳，任建兴.空气分级燃烧降低燃煤电钻锅炉生成的技术分析[J].上海电力学院学报，2006.22(1):22-29.

[4]李刚，李锡孝，魏铜生，等.1 025 t/h锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析及解决措施[J].热力发电，2012(2):53-54.

[5]童家麟，唐晓飞，禹庆明，等.弯头对水平浓淡分离燃烧器性能影响的数值模拟[J].电站系统工程，2012(3):8-10.