220t/h燃煤锅炉低氮燃烧系统改造试验研究

李佳良,　王东明

(本钢板材发电厂 辽宁本溪, 117021)



220t/h燃煤锅炉低氮燃烧系统改造试验研究

李佳良,王东明

(本钢板材发电厂 辽宁本溪, 117021)

摘要本钢板材股份有限公司本钢发电厂220t/h燃煤锅炉燃烧器改造前NOx排放浓度约800～900mg/m3，采用哈尔滨博深科技发展有限公司的“分拉垂直亲和浓淡煤粉燃烧技术”对锅炉燃烧系统进行了低氮改造。试验结果表明： 低氮燃烧器改造后，锅炉在安全稳定运行状态下，NOx排放浓度可控制在450mg/m3以下，与改造前相比，NOx排放浓度平均降幅约50%，锅炉效率不降低，低氮改造效果比较明显。

关键词低氮燃烧器; NOx排放浓度; 锅炉效率

我国发电方式主要为采用化石燃料燃烧的火力发电，而火力发电厂三大主机设备之一——电站锅炉，其发展伴随着我国火电行业发展。

随着中国电力工业结构调整的主要方向向环保节能方向转变。火电行业积极推进“上大压小”的产业结构优化升级，大批低能效、重污染、小规模的火力发电机组被关闭，在一定程度上加快了我国火力发电设备的革新[1-3]。

近年来，作为与国民生活质量息息相关的恒久产业——电站锅炉产业，在国民经济又好又快的发展前提下，工业锅炉制造业取得了深层次的发展扩大，日益规范的行业标准，提升了的技术水平，增加的工业锅炉品种，显著扩大的经济规模。

1公司锅炉概况

1.1锅炉介绍

本钢板材股份有限公司发电厂的220t锅炉是武锅WGZ220/100-13型四角切圆煤粉锅炉，该炉为高温高压、自然循环、单汽包、单炉膛煤粉锅炉，屋内布置、四角切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、全钢构，锅炉炉室本体为全悬吊结构。

炉膛截面为7.6m×7.6mm的正方形，煤粉燃烧器布置在炉膛的正四角上，炉膛四周密布φ60mm×5的鳍片管，切圆φ608mm。

锅炉采用大切角正方形炉膛，有利于炉内空气动力厂改善燃烧，防止结焦，由于切角，角部水冷壁受热工况得到改善，这样对于锅炉低负荷运行时水循环更为安全可靠。

1.2锅炉主要参数

锅炉主要参数： 过热蒸汽额定蒸发量为220t/h；过热蒸汽出口额定压力为9.8MPa；过热蒸汽出口额定温度为540℃；给水温度为215℃；空气预热器进风温度为30℃；锅炉计算效率为91.17%。

1.3燃用煤质

燃用煤质的分析情况如表1所示。

2改造要求

(1) 低氮燃烧器改造后，在70%～100%锅炉最大连续蒸发量(Boiler Maximum Continuous Rating, BMCR)工况时，NOx排放折算浓度不大于450mg/m3(6%氧量)。

(2) 改造后的锅炉效率不低于改造前实际效率值，同时空预器出口飞灰含碳量不超过4%，CO排放浓度低于100μL/L。

(3) 锅炉出力情况和各参数在改造后保持不变。

(4) 锅炉进行改造后，要满足安全、经济和可操作的运行要求，同时扩大对燃煤种类的适应性，预防结焦与高温烟气腐蚀。

表1　燃用煤质分析Tab.1　Analysis of coal quality

(5) 要求被改造锅炉的控制模式改造前后保持不变。

3锅炉低氮改造原理分析

烟气中的NOx主要在锅炉炉内产生，此类NOx通常有两种类型，即热力型和燃料型NOx[4]。大量研究表明，这两种类型产生NOx的因素主要包括：

(1) 热力型NOx。NO生成量与高温停留时间和氧浓度直接相关，温度高于1500℃时，NO生成量会迅速增长，一般呈现指数增长趋势，而另一方面煤粉在高温下停留时间越长，燃尽风越充足，NO的产生量就越多。

(2) 燃料型NOx。锅炉燃料中的含氮量越高，过量空气越多，生成的NOx就越多，转化率也相对越高。可见，要降低电厂烟气中的NOx浓度，一方面要求低氧、低温，煤粉在高温阶段停留时间尽可能的短，可以降低热力型NOx的生成；另一方要求锅炉条件低氧(尤其是挥发份的析出和燃烧阶段)，以降低燃料型NOx生成。同时锅炉运行也要保证煤粉燃烧的稳定性及飞灰灰渣的低含碳量，这就需要燃烧时要有足够高的温度、含氧量和煤粉浓度等条件，然而炉内温度越低或越分布合理，越有利于降低结焦及高温腐蚀的发生概率[5-6]。

降低NOx排放与稳定燃烧、降低飞灰含碳量、降低结焦和高温腐蚀概率的措施在一定程度产生了矛盾，因此，在实际低氮排放改进过程中，要综合考虑各个方面的因素进行实验技术操作。

新一代的高浓缩比浓淡风煤粉燃烧技术，采用的百叶窗式煤粉浓缩器是在一次风管道内经过详细研究和优化后的产物，百叶窗式煤粉浓缩器使流经百叶窗的煤粉气流发生角度不同的偏转，在惯性作用下发生煤粉、气流相互分离，在分流隔板的作用下形成两股浓、淡煤粉气流[7-8]。

浓侧煤粉气流因气流中氧含量小，燃烧过程中将NO还原为N2，进而降低了氮氧化物的产生量；而淡侧煤粉气流，低煤粉含量和含氮量小决定了生成氮氧化物的量也比较少。因此，总体产生的氮氧化物气体总量减少，高浓缩比浓淡风煤粉燃烧技术条件下一次风产生NO量比普通直流燃烧器要少的多[9]。

垂直浓淡煤粉燃烧技术，采用垂直浓淡煤粉燃烧器，可有效改善着火阶段煤粉气流的供风，使煤粉在偏离化学当量比环境中着火，降低了NOx生成量与排放浓度。

空气分级燃烧技术为目前普遍使用的低NOx燃烧技术之一，该技术的主要原理为将空气分成两级送入炉膛，一级空气进入主燃烧区，同时控制主燃烧区内过量空气系数在0.8～1.0范围内，先进行富燃料燃烧，降低燃烧速度和温度，延迟燃烧过程，提高NOx向N2的转化率，降低了主燃烧区的NOx生成量[10-11]。其余空气通过燃尽风喷口(OFA)送入炉膛，由于此处进空气量少，且燃烧火焰温度低，大部分含氮基团因在主燃区已反应完成，故在次区燃烧产生的NOx量很少；由于燃尽风的通入，使得煤粉颗粒中剩余的焦炭可以充分燃尽，进而保证了煤粉的高燃烧效率。

将空气垂直分级燃烧和浓淡燃烧技术相结合，既强化了主燃烧器区的还原性气氛，又有利于提高NO还原率，可以更好地降低NOx排放量；同时将煤粉气流着火提前，煤粉颗粒在高温燃烧区域停留时间适当增加，有利于充分燃尽煤颗粒中的焦炭[12-13]。这两项技术的结合，虽然在主燃烧区保持了燃烧总体过量空气系数小于1的还原性气氛，但在近壁区为氧化性气氛，提高了近壁区内灰颗粒的熔点，有效减少了近壁区烟气中的腐蚀性气体浓度，有利于防止炉膛结渣和水冷壁高温腐蚀。

4低氮改造方案设计

本钢发电厂220t/h燃煤锅炉在2014年进行了低氮燃烧改造，采用哈尔滨博深科技发展有限公司自主研发的“分拉垂直亲和浓淡煤粉燃烧”立体分级低氮燃烧技术进行改造，在降低NOx的同时，燃烧稳定性好、避免了炉内结渣和高温腐蚀，并具有宽广煤质适应性[14-15]。低氮燃烧技术改造具体方案如下：

(1) 采用分级送入的高位分离燃尽风系统，燃尽风喷口能够垂直和水平方向双向摆动，有效控制汽温及其偏差。

(2) 燃尽风系统设计采用直接由热二次风道上取出，保证燃尽风配送的流量控制和输送均等性。

(3) 主燃烧器区喷口管屏不变。

(4) 一、二、三次风燃烧器重新设计布置，改造为垂直浓淡煤粉燃烧器，二次风燃烧器采用均等配风方式，保证还原时间和煤粉燃烬高度，确保NOx最大幅度减排。

(5) 保持一、二次风原有的固定形式。

(6) 采用先进的垂直超浓淡风煤粉燃烧技术和喷口强化燃烧措施，可有效降低NOx排放，强化劣质煤的燃烧稳定性，保证高效燃烧，拓宽燃料适应性，防止结渣和高温腐蚀。

(7) 高浓缩比、低阻力新一代煤粉浓缩技术，确保煤粉及时着火，加强燃尽效果，燃料适应性变宽。

(8) 采用延迟混合型一、二次风喷口设计，钝体+稳燃齿，确保NOx大幅度减排。

(9) 采用一次风燃烧器高温耐磨浓淡燃烧技术，保证燃烧器的超长稳定运行周期。

(10) 二次风控制策略，等安装完成过后，进行各种工况的风门调整试验，最后输入。

(11) 原二次风门均为手动调节，本次改造全部改为电动调节。

5低氮改造后冷、热态运行调整试验

5.1冷态试验结果

(1) 二次风风门挡板特性试验和主燃尽风风门挡板特性试验结果表明： 各二次风挡板和主燃尽风风门挡板特性良好，基本呈线性分布，在相同二次风总风压下，小风门开度逐渐增大，喷口风速呈线性逐渐提高。

(2) 由于二次风和主燃尽风小挡板执行器长期处于高温、高粉尘的恶劣环境条件下运行，执行器与挡板故障率较高，为防止由于个别执行器或挡板故障引起的同层二次风速偏差问题，需要定期对二次风和主燃尽风小风门执行器与挡板进行检查，以保证二次风和主燃尽风小风门开度表盘值与就地实际开度一致。

(3) 动力场切圆直径沿炉膛深度方向为3.8m左右，沿炉膛宽度方向为3.6m左右,切圆基本位于炉膛截面中心，炉膛内切圆大小适中，气流充满度相对较好。

(4) 试验期间对水冷壁壁面的贴壁风进行了测量，贴壁风风速较低，第2层一次风喷口高度层贴壁风速在0.8～4.1m/s之间，由此可见贴壁风刷墙几率较低。

(5) 三次风门开度在30%～40%时，在炉内实际测量的三次风速为50～55m/s。

5.2热态运行调整试验结果

此次热态调试的试验负荷为75%和100%的额定负荷。调整的主要内容包括氮氧化物、主汽温度及炉内结焦情况。

经过此次调整试验，75%额定负荷工况可将锅炉出口NOx降低至360mg/m3左右，可将CO控制在100mg/m3以下。100%额定负荷工况可将锅炉出口NOx降低至410mg/m3左右，可将CO控制在100mg/m3以下。各主要参数在正常值范围内。

6结论

改造后氮氧化物排放浓度显著降低，降幅在50%以上，平均达到了450mg/Nm3以下，改造后锅炉效率基本维持不变，日常运行中，汽温、减温水量、飞灰、大渣等也达到了预期目标，同时没有结焦现象。

经过低氮燃烧技术的改造，大幅度降低了NOx排放水平，达到了预期的目的，取得了明显的环境效益。同时，改造后机组运行的整体经济性略有提高，获得了节能减排的综合效果。因此技术方案改造简单易行，改造工作量小，易于实施，值得同类型锅炉改造借鉴。

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收稿日期：2016-06-01

作者简介：李佳良(1980-)，男，工程师，主要研究方向为热能与动力工程，E-mail： 14385309@qq.com

文章编号2095-0020(2016)03-0182-05

中图分类号TK 229.6

文献标识码A

Experimental Study on Reconstruction of 220t/h Coal-Burning Boiler with a Low NOx-Burner

LIJialiang,WANGDongming

(Bengang Steel Plates Co., Ltd., Bengang Power Plant, Benxi 117021 Liaoning, China)

AbstractIn Bengang Power Plant of Bengang Steel Plates Co., Ltd., intensity of NOx emission from the burner of a 220t/h coal-burning boiler was between 800 to 900mg/m3 before retrofit. The overfire air vertical affinebias coal combustion technology, a patented technology of Harbin Boshen Technology Development Co., Ltd., was used in the for low NOx retrofit of the burner. Experiments show that, after retrofit, the burner’s NOx emission intensity is below 450mg/m3 during safe and stable operations, reducing by about 50% on average without affecting the boiler’s efficiency.

Keywordslow nitrogen burner; low nitrogen concentration; boiler efficiency