双尺度低氮燃烧器在350 MW机组的应用

王洪涛

(大唐长春第三热电厂,长春 130103)

随着我国燃煤机组装机总容量的快速增长,降低 NOx排放对大气造成的污染已成为节能减排的重要内容之一。大唐长春第三热电厂2×350 MW机组锅炉配置了选择性催化还原(SCR)烟气脱硝装置,于 2009年 3月投产,原设计入口烟气 NOx质量浓度495 mg/m3,脱硝效率50%,不能满足国家环保部门关于2014年7月1日后脱硝效率不低于 70%,NOx排放质量浓度低于100 mg/m3的要求[1-2]。虽然对脱硝系统进行提效改造后脱硝效率可达到 70%,但NOx排放质量浓度仍不能满足要求,因此必须对燃烧系统进行低氮燃烧改造。

1 设备概况

350 MW机组锅炉采用四角布置的切向摆动式燃烧器,燃烧出口射流中心线和水冷壁中心线的夹角分别为 39°和46。在炉膛中心形成逆时针旋向的2个直径稍有不同的假想切园。为了削弱炉膛出口烟气的旋转强度,减小四角燃烧引起的炉膛出口烟温偏差,主燃烧器上方设置了深度空气分级(SOFA)燃烧器,SOFA风室采用反切设计,使其喷嘴出口中心线与主喷嘴中心线成 12°夹角,从而形成一个反向动量矩,平衡主燃烧器的旋转动量矩,达到减少炉膛出口烟温偏差的目的,并选取较大的燃烬风率控制NOx的排放量。

改造前100%额定工况(T HA)下SCR入口烟气NOx质量浓度为 421．10 mg/m3;60%THA SCR入口烟气 NOx质量浓度为 636．72 mg/m3;50%THA下SCR入口烟气NOx质量浓度为981．33 mg/m3;燃烧器风门出现同层四角开度不一致偏差很大;锅炉高负荷运行时,减温水流量偏大,100%THA工况时过热器2级减温水总量为 115．7 t/h,再热器减温水量为 20．5 t/h。 100%T HA,一次风压维持 10．0 kPa,4台磨煤机一次粉管平均风速为26．23 m/s,锅炉在最大蒸发量(BMCR)工况设计喷口一次风速为 26 m/s,折算至一次风管风速为 24．1 m/s,一次风速基本正常。

2 双尺度低氮燃烧技术

双尺度低氮燃烧技术以炉内影响燃烧的炉膛空间尺度和煤粉燃烧过程尺度为重点关注对象,全面实施系统优化,达到防渣、燃尽、低NOx的目的。首先将炉内大空间整体作为对象,通过炉内射流合理组合及喷口合理布置,炉膛内中心区形成具有较高温度、煤粉浓度和氧气区域,同时炉膛近壁区形成较低的温度、CO、颗粒浓度的区域,在空间尺度上中心区和近壁区的温度场、速度场及颗粒浓度场特性差异化。在燃烧过程尺度上通过对一次风射流特殊组合,采用低氮燃烧器,热烟气回流等技术强化煤粉燃烧、燃尽及NOx火焰内还原,并使火焰走向可控,最终形成防渣、防腐、低 NOx及高效稳燃多种功能的一体化。双尺度低 NOx燃烧系统原理见图1。

图1 双尺度低NOx燃烧系统原理示意图

3 低氮燃烧改造方案

3．1 纵向 3区分布

NOx生成主要有燃料型、热力型及快速型 3种,燃料型 NOx约占总 NOx的 80%～ 90%,是各种低NOx技术控制的主要对象。其次是热力型,主要是由于炉内局部高温造成,也可采用适当措施加时控制,快速型 NOx生成量很少。采取有效措施控制燃料型及热力型 NOx的生成,即可达到降低NOx的生成量。因此将现有燃烧器改造为从下至上依次为氧化燃烧区、还原区及燃尽区的双尺度低氮燃烧器。具体做法是更换现有主燃烧器,重新对各层二次风风率进行分配。主燃烧器区域内对一二次风喷口采取重新组合及浓淡分布措施,一次风喷口采取空间浓淡燃烧技术组合分布及纵向过量空气系数分布控制等一系列措施降低 NOx生成量,维持高效运行。

3．2 横向双区分布

通过对炉内一二次风切圆的调整,并在适当位置布置有贴壁风喷口,在炉膛截面上形成了温度场、速度场及颗粒浓度场特性截然不同的中心区与近壁区分布,中心区具有较高的煤粉浓度、较高的温度和相对较高的氧浓度分布,而近壁区具有较低的温度、较低的颗粒浓度和适宜的氧浓度。贴壁风可以保证壁面有足够的氧气存在,防止结渣及高温腐蚀,又不改变主射流方向,本次改造采用一次风反切小切圆,二次风正切布置。一次风反切使一次风气流逆向冲进上游来的高温空气,使煤粉在此区域内迟滞浓缩,相对缺氧的前提下提早析出挥发份着火燃烧,对稳燃及燃尽有利。

3．3 燃尽风布置

燃尽风采用高位燃尽风布置方式,保证足够的还原高度。燃尽风分四层布置。保证运行时至少有一层备用,保证运行时调整手段灵活,通过不同层的搭配组合,以寻求最优燃尽风位置。燃尽风设计为喷口可以左右、垂直摆动,用以强化燃尽效果及调节炉膛出口两侧烟温偏差。运行时通过喷口摆动以实现燃尽区内合理的空气分布,实现很好的燃尽效果。燃尽风喷口采用椭圆喷口出口,保证燃尽风气流具有很好的穿透性。

3．4 区域浓淡技术

一次风分为浓淡两股后,形成偏离燃烧,浓淡两侧生成的 NOx总量均低于常规燃烧器,是一种常见的低 NOx技术手段。一次风采用逆向射流技术,一次风气流与上游来的高温烟气相遇,一次风煤粉形成滞止浓缩燃烧,并相对延长了一次风的火焰长度,同时有利于降低NOx生成及减少飞灰可燃物。一次风喷口均采用波形钝体结构,强化煤粉稳燃及着火后碳颗粒的迅速弥散。两层一次风浓淡分离后形成浓侧相对集中,形成局部浓淡燃烧。两层一次风之间的中间二次风喷口射流与一次风射流形成适当的小角度偏差射入炉内,一次风逆切圆方向射入炉内,二次风正切射入炉内。在一次风完成挥发份燃烧、NOx生成及还原后,与一次风气流混合,保证煤粉火焰内的低NOx燃烧,并强化碳粒子的燃尽。

4 改造工程实施

a．在主燃烧器区上部布置高位 SOFA燃尽风,约占总风量的 35%,燃尽风喷口可上下、左右摆动。燃尽风布置四层,运行时调整手段灵活,通过不同层的搭配组合,以寻求最优燃尽风位置。

b．通过对炉内一二次风切圆的调整,并在 BB、DD层布置有贴壁风喷口,在炉膛截面上形成了3场特性截然不同的中心区与近壁区分布。

c．一次风按空间浓淡组合布置。采用浓淡型燃烧器,一次风用弯头或挡块等方法实现浓淡分离。AB、CD、EF三层二次风安装油枪。

d．主燃烧器区喷口可以上下摆动,调节再热器汽温 ,一、二次风上下摆动范围-20°～ +20°。

e．增加 4层可上下、左右摆动的高位燃尽风喷口,在原主燃烧器区域上部角区水冷壁开孔,相应水冷壁弯管重新焊接。

f．原燃烧器上部两侧墙大风箱上盖打开,向上接燃尽风道,与原大风箱结构相似,风箱直接焊接在水冷壁上,并保持膨胀缝特点。

g．两侧墙新布置燃尽风箱处 B、C层吹灰器各拆除 8台 ,吹灰器孔密封;四角主燃烧器(包括一二次风组件)等更换。

5 结束语

双尺度低氮燃烧器改造后,机组运行稳定,NOx入口质量浓度从500 mg/m3降至260 mg/m3、年NOx排放总量从3300 t下降至 1716 t,年排放总量下降48%。按 SCR脱硝率 70%计算,出口烟气NOx质量浓度降低至78 mg/m3,可以满足国家环保部门低于100 mg/m3的要求。大幅度降低了NOx排放对环境造成的污染,提高了机组的经济效益,为企业可持续发展打下良好基础,具有显著的环境效益和社会效益。

[1]GB 13223— 2011,火电厂大气污染物排放标准 [S]．

[2]HJ 562— 2010,火电厂烟气脱硝工程技术规范 [S]．