某100 MW煤粉锅炉低氮燃烧器改造及效果分析

侯益铭

(山西国际能源集团有限公司，山西 太原 030002)

某电厂2台100 MW机组锅炉日常运行中氮氧化物(NOx)排放量偏大，由于在炉膛上部仅装设SNCR脱硝喷氨装置，无法满足新的《火电厂大气污染物排放标准》，因此进行低氮燃烧器改造是必要的。降低炉膛出口NOx浓度，既减少氨水的消耗量，又降低脱硝成本。对于100 MW锅炉低氮燃烧器改造，炉膛高度不足、成熟经验较少，首次采用不同尺寸固定高度的撞击式浓淡分离等技术，改造工程量小、费用低、运行调整简单。改造后，NOx排放指标满足国家不大于200 mg/Nm3(标态、干基、6%O2，以下同)的要求，减轻了水冷壁高温腐蚀和结焦，减少了锅炉受热面吹灰次数。

1 设备概况

某电厂1号和2号100 MW机组锅炉是北京巴威公司制造的B&WB-410/9.8M型单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架悬吊结构、自然循环汽包炉。燃烧设备为四角布置，切向燃烧。每角燃烧器共布置8层喷口，包括有3层一次风喷口，4层二次风喷口，1层三次风喷口，从下到上分别为Ⅱ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅰ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅱ-Ⅲ，排序为1-2-3-4-5-6-7-8。燃烧器最上层一次风喷口中心线标高14 585 mm，距离屏式过热器下沿12 915 mm。

煤粉燃烧器设计一次风速为29 m/s，二次风速为43 m/s，三次风速为30～37 m/s。燃烧器设计数据见表1。

表1 燃烧器设计数据

为了满足GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》[1]新的NOx排放指标，同时降低脱硝成本和解决氨逃逸造成的腐蚀、堵塞问题，进行炉内低氮燃烧器改造降低炉膛出口NOx浓度是必要的。

虽然低氮燃烧器改造技术较为普遍和成熟，但100 MW小机组改造只采用锅炉低氮燃烧器改造+SNCR脱硝技术满足国家标准要求先例较少[2]。与大型机组相比，100 MW锅炉炉膛高度不足，致使锅炉的最上层燃烧器和屛式过热器下沿的高度差严重不足。因此，该厂低氮燃烧器改造既没有成功经验参考，又没有充裕的改造空间位置，改造难度很大。

2 低氮燃烧器改造

本次低氮燃烧器改造对燃烧器各参数进行了详细设计，根据经验重新分配各燃烧器喷口风率，得出一、二、三次风以及燃尽风喷口面积和设定出口风速，见表2。

表2 核算后燃烧器数据

本次改造，增加燃尽风喷口，燃尽风率为11%，二次风率相应降低11%，一次风率和三次风率保持不变。

2.1 一次煤粉燃烧器改造

改造前，煤粉燃烧器布置如图1所示。经燃烧器喷入的煤粉与二次风不能形成良好的风包粉效果，使得水冷壁侧的煤粉浓度比较高，容易造成水冷壁结焦，水冷壁侧氧量不够造成高温腐蚀。同时生成的NOx浓度比较高。

图1 煤粉燃烧器改造前布置图

一次风煤粉燃烧器改造采用固定高度撞击式水平浓淡分离燃烧技术，利用撞击块使煤粉浓淡分离，浓侧煤粉向着火焰中心，淡侧煤粉向着水冷壁，同时在喷口水平中分面用隔板分离，使浓淡侧分离明显。为了使浓淡侧的风压保持恒定，在隔板上设计一定数量的平衡孔。煤粉燃烧器改造后布置如图2所示。

图2 煤粉燃烧器改造后布置图

由于每台煤粉燃烧器一次风道弯头到锅炉水冷壁之间的距离不等，距离较远的弯头基本上失去了自身浓淡分离的作用。因此，根据各层、各角煤粉燃烧器入口一次风道弯头距水冷壁的距离和煤粉浓淡分离要求，计算撞击块插入风道深度见表3。

表3 各台煤粉燃烧器一次风道内撞击块插入深度计算结果 mm

2.2 燃尽风改造

燃尽风改造，在主燃烧器上方增设1组分离燃尽风，分为2层喷嘴，喷口尺寸为400 mm×160 mm。喷口设计水平摆动15°，可向右摆动10°，向左摆动5°，不能垂直摆动。主燃烧器最上层一次风喷口中心线标高为14 585 mm，低位燃尽风标高为19 660 mm，高位燃尽风标高为20 510 mm，最上层燃尽风喷口上沿标高为20 585 mm，距离分隔屏下沿6 915 mm。

从锅炉左右侧二次风主风箱顶部各引接2个燃尽风风道，风道截面尺寸500 mm×700 mm。每个燃尽风道经金属膨胀节后一分为二，分上下2层为燃尽风喷口配风，2层燃尽风道截面尺寸均为500 mm×350 mm。每个角上下2层燃尽风共用1台手动挡板门，调节燃尽风量。

割除燃尽风喷口设计位置处水冷壁切角管，设计制作如图3所示水冷套管。水冷套管、燃尽风喷口安装必须与主燃烧器中心线重合，确保炉内假想切圆直径600 mm。

图3 水冷套管结构图

2.3 二次风喷口改造

将从下往上数第2、3层二次风右侧加堵20%，第4层二次风加堵50%，为了不影响大渣含碳量、二次风箱压力，底部第1层二次风喷口不进行改造，喷口截面积不变。二次风喷口改造后，既保证了二次风速，还形成了偏置二次风的效果，防止煤粉冲刷水冷壁，避免水冷壁结焦及高温腐蚀[3-4]。

3 改造效果

3.1 NOx排放

a.改造前后习惯运行工况对比

2号机组80 MW与75 MW习惯运行工况下，改造前NOx排放量分别为550 mg/Nm3和590 mg/Nm3，改造后NOx排放量分别为320 mg/Nm3和390 mg/Nm3，相对于改造前明显降低。

b.燃尽风挡板开度、氧量对NOx生成的影响

在同一个负荷下，保持氧量基本不变，随着燃尽风挡板开度从60%～100%增加，NOx生成量逐渐减少，但是开度从80%～100%变化时，NOx生成量减少幅度变小。经过大量的试验，考虑二次风箱压力和煤粉的燃烧效果，综合飞灰和大渣含碳量等一系列因素影响到锅炉效率，燃尽风开度在70%时运行最经济。

在相同负荷下，固定燃尽风挡板开度，随着氧量的降低，NOx生成量减少，但变化幅度较小。左侧NOx浓度最高是390 mg/m3，最低是330 mg/m3，右侧NOx浓度最高是380 mg/m3，最低是320 mg/m3。

3.2 安全性

低氮燃烧改造后，煤粉气流经燃烧器后形成水平浓淡分离，二次风喷口加堵后，形成偏置二次风效果，使炉膛中心欠氧燃烧，而水冷壁近壁处富氧燃烧，可大幅降低水冷壁近壁烟气中强还原性气体CO浓度，有效抑制H2S和HCl等酸性腐蚀性气体生成[5]。以2号炉为例，当燃用高硫分、低熔点煤种时，维持炉膛出口氧量3.5%左右，锅炉两侧的CO浓度都在50 mg/L以内，水冷壁发生高温腐蚀的几率较小，同时结焦量也会随着减少，这样吹灰的次数减少，水冷壁被吹损减薄的概率也减小。

3.3 经济性

通过自主设计及安装锅炉低氮燃烧器改造，2台锅炉改造费用仅用100多万元。低氮燃烧器改造后，设计22只氨水喷枪的SNCR脱硝系统只需投入18只喷枪，便可以将炉膛出口NOx浓度降到180 mg/Nm3左右，达到国家标准小于200 mg/Nm3的要求，减少了25%的氨水消耗量。

低氮燃烧改造，使炉内燃烧向后推移，导致Ⅰ、Ⅱ级减温水在相同负荷下都明显增加，分别是7 t/h和18 t/h，主汽温度为538 ℃，在可控范围内。

4 结束语

锅炉低氮燃烧器改造后，锅炉习惯运行工况下炉膛出口NOx浓度由改造前的570 mg/m3降至355 mg/m3，降低了脱硝运行成本；烟气再通过SNCR脱硝装置，可使NOx排放达到国家排放标准；水冷壁发生高温腐蚀几率减小，同时结焦量减少，锅炉安全性提高；虽然炉内燃烧后移，火焰中心升高，但在主汽温度在可控范围内，改造达到预期效果。