420t/h锅炉低氮燃烧改造与运行优化调整

2015-09-12周杨军

浙江电力 2015年3期

周杨军

（中国华电集团公司浙江分公司，杭州 310015）

频发的雾霾天气将大气污染防治演变为全民话题，减少污染物排放、改善空气质量已成为各级政府和民众关切的重要议题。随着GB 13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》的颁布实施，对现有锅炉进行脱硝改造成为各燃煤火力发电厂的首要任务。而炉内低氮燃烧改造与尾部烟道脱硝改造相比，具有应用广泛、结构简单、经济有效等优点，脱硝效率高达60%以上，因此炉内低氮燃烧改造技术是燃煤发电厂氮氧化物控制的首选技术。

1 改造前锅炉概况和煤种特性

某发电厂5号锅炉为上海锅炉厂生产的SG-420/13.7-M417A型超高压、单汽包、自然循环、中间储仓、热风送粉、固态排渣、一次中间再热煤粉炉，额定蒸发量为420t/h，于1996年投运。煤粉燃烧器为四角布置切向燃烧、喷嘴固定式的直流燃烧器，假想切圆的直径为Φ200 mm和Φ400 mm，中/下层二次风切圆正偏转17°。每角燃烧器自上而下排列为二次风口、三次风口、二次风口、一次风口、二次风口、一次风口、一次风口、二次风口，共布置有8层喷口。炉膛尺寸为9600 mm×8840 mm。制粉系统配用2台型号为DTM320/580的钢球磨煤机。燃用煤种主要为准混2号和5号（煤种特性见表1），由燃料特性可知该煤种易着火、易燃尽，结渣偏轻，含硫量稍高，易导致水冷壁结渣和高温腐蚀。

表1 燃料特性

2 低氮燃烧改造思路

针对该锅炉特点和煤种特性，采用多空气分级技术对现有燃烧器进行整体综合改造。鉴于三次风对锅炉燃烧及NOX控制影响较大，同时SOFA（分离燃尽风）的设置将影响原二次风配比。为减少三次风对锅炉燃烧及NOX控制影响，本次改造对三次风进行浓淡相分离，浓相降低高度进入主燃烧区，既有利于煤粉燃尽和锅炉效率的提高，也可以减少原主燃烧区域二次风量配比，缺点在于不利于稳燃；淡相则提升高度作为燃尽风布置在SOFA风下部，其约10%的富余风量作为SOFA风送入，优化了炉内分级配风的调节手段。

即在主燃烧区送入全部一次风粉、三次风浓相及部分二次风，在炉膛上方送入三次风淡相及SOFA风，实现炉膛垂直方向的空气分级燃烧；一次风采用水平浓淡分离，加上部分二次风与一次风气流偏置形成贴壁风，在炉膛水平方向也形成空气分级燃烧，两个方向的空气分级燃烧将使主燃烧区中心形成有较高煤粉浓度、较高温度、合适氧浓度、较高燃烧强度的富燃料燃烧区，有效控制燃料型和热力型NOX生成；炉膛近壁形成较低温度、较高氧浓度、较低CO浓度的富空气区，防止水冷壁结焦和高温腐蚀；另一方面缺氧燃烧的还原性气氛还能促使主燃区生成的挥发氮物质还原为N2。在燃尽区送入三次风淡相和SOFA风，形成富氧燃烧区，使未燃尽成分充分燃烧。

3 低氮燃烧改造方案

3.1 增加SOFA风系统

在主燃烧器上方增加2层SOFA燃烧器，风量为总风量的20%；增加1层三次风淡相，风量为总风量的10%，如图1所示。由锅炉两侧风道引热风到四角SOFA燃烧器，沿炉膛高度方向形成四级送风，分级燃烧，以减少NOX的生成。SOFA燃烧器喷口可以垂直方向自动摆动±20°，水平方向手动摆动±15°，这种设计即可调节NOX的排放浓度，也可调节炉膛出口烟温，控制炉膛出口侧烟温偏差，还可起到按需配风，实现最佳燃烧的目的。每个喷口均有调节风门挡板，可根据运行要求自动调节风量。

3.2 一次风系统改造

图1 燃烧器布置

主燃烧器下一次风仍采用微油点火方式，中一次风布置升高150 mm，上一次风标高不变。采用百叶窗浓淡燃烧技术改造相应的煤粉管道及喷口，将煤粉分成了浓淡两股煤粉气流，无论是浓侧还是淡侧都形成了偏离化学当量燃烧，即在炉膛水平方向形成燃料和风量的分级燃烧，从而减少NOX的生成，防止水冷壁结渣和高温腐蚀。

3.3 二次风系统改造

主燃烧器下二次风因增设了SOFA风，二次风喷口的风量均进行了调整，重新优化设计并更换主燃烧器的二次风喷口。中二次风及上二次风喷口增设贴壁二次风，在炉膛高温燃烧区域水冷壁附近形成富空气区，防止水冷壁结渣和高温腐蚀，而且也在炉膛水平方向形成分级送风，一定程度上可减少NOX的生成。考虑燃用煤种易着火，在下、中两层一次风之间设计一层小二次风喷口，作为中周界风，分隔中、下一次风的集中布置，防止锅炉结焦。

3.4 三次风系统改造

三次风进入炉膛前进行浓淡分离，浓相降低高度，布置在上一次风与上二次风之间，有利于燃尽和混合；淡相作为SOFA风的一部分，紧邻下SOFA风布置，形成SOFA风“2+1”配置，同时浓、稀相三次风喷口均向下倾斜10°，以降低三次风运行对氮氧化物的影响。燃烧器改造前后BMCR（锅炉最大出力工况）设计参数详见表2。

表2 燃烧器改造前后BMCR设计参数

4 改造效果

4.1 改造前锅炉运行状态

在现行煤种条件下，烟气NOX排放浓度约650～690 mg/m3（6%O2，换算至标况下），不同负荷下主、再蒸汽温度基本控制在540℃，过热器减温水量5～20t/h，再热器减温水量0～5t/h。

实际运行过程中，磨煤机的投运方式对NOX排放浓度的影响较大，NOX排放量大小由于投运方式的不同依次为：无磨＞单磨＞双磨。该锅炉设计效率90.18%，锅炉全年平均效率91.8%。

4.2 改造后性能试验

锅炉系统改造后，经过燃烧系统调试，锅炉原有特点及燃煤适应性保持不变，锅炉出力及主要运行参数基本达到设计保证值，炉膛未发生严重结焦及高温腐蚀，受热面金属管壁未发生超温、爆管等现象，锅炉不投油最低稳燃负荷不低于50%BMCR负荷。表3为性能考核试验部分参数测试结果。

表3 性能考核试验部分参数测试结果

由表3可知，锅炉效率比改造前全年平均效率有所降低，过热器、再热器减温水量在130 MW工况下比改造前有明显增加，主要原因为低氮改造后火焰中心上移，水冷壁存在一定的结焦现象，使得炉膛出口烟温上升，造成过热汽温、再热汽温上升，锅炉排烟温度升高6℃左右，排烟热损失有所增加。

4.3 三次风机淡相投停影响

机组125 MW负荷时，全关四角三次风淡相，NOX（标况）由 300 mg/m3升高至 400 mg/m3，前屏后烟温降低20℃左右，由此说明三次风淡相确实起到了SOFA风的辅助作用。三次风淡相的投运还相应抬高了火焰中心，在一定程度上使该区域CO浓度略有升高（＜400 mg/L），但因其带粉量有限，对烟道尾部飞灰可燃物含量及CO浓度等影响并不明显。

5 运行优化调整措施

5.1 四角配风均衡

运行中为保证四角配风均衡以及分级配风的实现，必须重视各风门开度与实际位置的一致性，定期对风门挡板位置进行整定校准，并参考空气动力场冷态试验数据，考虑风箱管道阻力等影响，合理确定四角各风门实际开度，防止配风不均导致火焰中心偏移。

5.2 SOFA风调节

考虑制粉系统三次风淡相的配风作用，SOFA风原则上先投上层，开度60%以上，以保证SOFA风的刚性。2套制粉系统都停用时，将上层SOFA风开大到100%。下层SOFA风在高负荷时投用，并参与一次风压、烟温偏差的调整。SOFA风喷口可上下（±20°）、左右（±15°）摆动，调整再热汽温与烟温偏差。

5.3 一次风调节

运行中一次风压由改造前的2.8～3.0 kPa降至2.55 kPa以下，通过降低一次风速，控制一次风量，提高主燃区的煤粉浓度水平，保证主燃烧区的缺氧燃烧，也有利于后继二次风与SOFA风的配风调节，强化分级配风、分级燃烧效果。

5.4 二次风调节

四角二次风门采用固定配风模式，适当开大1号或4号角可调平两侧氧量。主燃烧器配风采用错位配风模式，下二次风开度最大，主要为了托住火焰和煤粉，防止冷灰斗结焦和大渣含碳量过大；中二次风一般开度较小，燃烧初始阶段在一次风集中的主燃区可推迟煤粉和空气的混合时间；上二次风开度较大，可加强燃烧中期煤粉和空气的混合，及时补入燃烧所需部分空气；中周界风可以起到防止结焦和调整火焰中心的作用。

5.5 氧量控制

运行中必须结合负荷与煤种情况，严格控制炉膛出口氧量，并定期校对氧量计，确保氧量数据的准确性。一般在SOFA风开度不变的情况下，炉膛出口氧量越低，锅炉NOX排放值越低，但需要综合平衡对飞灰含碳量、汽温等指标的影响。

5.6 给粉机投停

各给粉机尽量保持高转速运行，以保证主燃烧区维持较高的煤粉浓度水平（空气燃料比），停给粉机时宜采用对角停运方式，并及时关闭对应的一次风门，以减少炉内火焰中心偏转并控制主燃烧区风量。

5.7 制粉系统运行

因改造后火焰中心整体上移，为强化燃尽需适当提高煤粉细度，建议R90提高到15%～18%左右。同时为平衡制粉出力，应适当提高磨煤机的钢球加载量，制粉系统运行原则上冷风门全关，依靠热风门和再循环门控制磨煤机出口温度，提高锅炉运行经济性。

5.8 减少炉膛、制粉系统漏风

及时关闭炉膛各看火孔、人孔门及冷风门等，对漏风点进行堵漏，减少杂散进风对锅炉燃烧的影响。

根据改造后低氮运行调试情况，不同负荷下推荐的一次风压、氧量、风门等参数详见表4。

6 结语

420t/h锅炉因炉膛空间相对较小，实施低氮燃烧技术改造难度相对较大。采用多空气分级技术方案进行改造后，NOX及CO排放浓度、飞灰含碳量、锅炉效率等指标均达到了设计要求，其中NOX排放浓度（换算至标况）从650～690 mg/m3降到了300 mg/m3以下，达到了国内同类型机组的先进水平，年减排氮氧化物900t左右。