低氮燃烧技术在金川2×150MW机组锅炉烟气脱硝工程中的应用

于会泳，张继武

（金川集团有限公司，甘肃 金昌 737100）

1 简述

近年来，伴随着国家对燃煤电厂烟气排放物控制标准的提高，新建火电机组在设计之初即采用了低氮燃烧技术的燃烧设备，但一些早期投产的机组锅炉采用的燃烧系统设备在氮氧化物控制方面能力较差，特别是在单机容量在150MW以下所配锅炉，或锅炉蒸发量在420t/h左右的锅炉，金川公司热电厂两台150MW机组始建于2004年，投产于2008年，这两台机组锅炉在设计中采用了第一代低氮燃烧技术，能够降低20%的氮氧化物生成，尽管在投产之初能够满足国家环保部门的要求，但按照国家最新环保标准要求，2014年7月1日之后，要实现烟气总出口氮氧化物100mg/m3的新排放标准。为此，金川公司热电厂在2013年8月-10月分别对两台机组锅炉实施了锅炉内部低氮燃烧改造，本文重点分析两台锅炉原有结构方面存在的不足和改造工程在低氮燃烧技术方面采取的措施。

2 锅炉结构概况

金川集团股份有限公司热电公司热电二车间 DG480/13.7-II10 型锅炉是东方锅炉厂设计制造的 2×150MW 燃煤机组超高压锅炉。锅炉为一次中间再热π型布置、超高压自然循环汽包炉、单炉膛、燃烧器四角布置、切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、采用回转式空气预热器、露天布置、 炉顶大包、紧身封闭、全钢结构、双排布置。

2.1 锅炉基本尺寸

表1 锅炉基本尺寸

2.2 设计燃煤成分及特性

表2 煤质资料

2.3 燃烧系统

图1 燃烧器切圆布置图

表4

制粉系统为钢球磨中间储仓制乏气送粉系统，每炉配两台磨煤机，磨煤机型号：MTZ3258，设计煤粉细度 R90=20.20%。燃烧设备为四角布置，切向燃烧，百叶窗式水平浓淡燃烧器，采用切圆布置方式，假象切圆直径为Φ641。每角燃烧器共布置 10 层喷口，其中有四层一次风（A、B、C、D）喷口，一层顶二次风（OFA）喷口，五层二次风喷口，（AA、AB、BC、CD、DD，其中 AB、CD 层布置有燃油装置）。一次风喷口布置有周界风。燃烧器主要设计参数

图2 喷口布置图

表3 燃烧器主要设计参数（设计煤种，BMCR 工况）

2.4 锅炉现状及分析

2.4.1 入炉煤种

锅炉原始设计煤种收到基全水分在 18.3%左右，空干基水分在 1.87%左右。煤的可燃基挥发分约为 31%，收到基灰分约 21%左右，灰的软化温度 T2 在 1103℃左右，热值约 21000 kJ/kg。实际燃用煤种见表4。

2.4.2 燃烧器设计边界条件分析

（1）煤质条件

根据电厂设计煤质、校核煤质及现有煤质分析结果，现从煤质的着火、燃尽和结渣三个方面，对热电二车间两台锅炉使用燃煤进行分析和评价。

①燃料着火特性

表5 着火稳燃特性判别指标

燃尽特性判别范围：F z 傅张指数 判别范围及结论F z≤0.5 极难燃尽0.52.0 极易燃尽设计煤质 F z= 4.3 极易燃尽校核煤质 F z= 3.4 极易燃尽燃料结渣特性结渣特性判别范围：S T 软化温度 结论>1 3 9 0 轻微1 3 9 0>S T<1 2 6 0 中等<1 2 6 0 严重

②炉膛参数及燃尽高度条件分析。锅炉的炉膛容积为2856.3m3，炉膛容积热负荷与截面积热负荷分别为131KW/m3（ 对 应 113×103KCal/M3H） 与 4.349MW/m2（ 对 应 3.74×106KCal/M2H）。与同类型锅炉设计参数边界条件对比表中相比，容积热负荷偏大，断面热负荷适中。在低氮改造方案中应充分考虑热负荷偏高情况，采取有效的分区燃烧措施。

表6 炉膛主要参数

3 解决原有锅炉燃烧系统易结焦问题及抑制氮氧化物生成措施

3.1 燃料分级

图3 锅炉低氮喷燃器冷态烟花示踪照片

由于锅炉原有燃烧系统采用均等配风方式、一般水平浓淡分离技术，在燃烧热值较高挥发份偏大煤种时，会导致煤粉在喷口周围即实现迅速燃烧，均等配风方式又导致在喷燃器附近大量空气被送入，最终致使在四角切圆的切向点，因温度偏高在水冷壁周围形成结渣；根据对锅炉原有系统的分析，本次改造采用燃料分级技术，通过喷燃器喷口结构改变，在喷燃器出口利用多重分离技术实现一次风分成浓淡两股，浓相在内，更靠近火焰中心；淡相在外，贴近水冷壁。浓相在内着火时，火焰温度相对较高，但是氧气比相对较少，故生成的氮氧化物的几率相对减少；淡相在外，氧气比相对较大，但由于距火焰高温区域较远，温度相对较低，故氮氧化物的生成也不会很多。

燃料分级送入锅炉炉膛，并且在喷燃器边界采用了偏置5度角的偏置风来冷却水冷壁表面温度，以此来减轻水冷壁结渣。同时，这样的结构也可使得燃料中的氮氧化物由于在喷燃器出口缺氧而延迟生成，从而抑制氮氧化物的生成。

3.2 燃烧分区

根据对锅炉容积热负荷和断面热负荷计算数据分析结论可知，为了减少由于容积热负荷偏高造成锅炉上部炉膛出口容易因热容没有被吸收造成在水平烟道形成结渣，本次改造中采用了总体降低主燃烧区的分区燃烧设计，将四层煤粉喷燃器喷口分层降低，最高层降低900mm，并且减小每层间距离，由原来间距1100mm减少为550mm的间距，大大降低了主燃烧区的高度；而在原有锅炉二次大风箱顶部上移1750mm开始设计了燃尽风风箱，利用这两种结构设计，使得在不改变整体锅炉炉膛高度的基础上实现了燃烧分区的设计理念。此种结构由于在不同燃烧区送入的氧量不同，在主燃烧区基本维持缺氧燃烧，在燃尽区送入过量氧的方式，整体抑制氮氧化物在锅炉炉膛内的生成，并且由于主燃烧区缺氧燃烧，炉膛中心区温度偏低，使得热力型氮氧化物和瞬发型氮氧化物都难以生成，起到了良好地降低氮氧化物的效果。另一方面，由于主燃烧区的总体降低，使得该锅炉在未改变炉膛受热面的前提下，由于降低了主燃烧区的燃烧温度，从而减轻了锅炉结渣的可能性，也最终实现了锅炉带负荷能力的提升。

图4 改造成主燃烧区和燃尽区锅炉燃烧模拟图

4 结论

通过本次改造工程，在分析原有两台煤粉锅炉燃烧系统存在问题的基础上，应用氮氧化物生成机理和锅炉结渣原因分析，利用对原有燃烧系统总体高度的降低和喷燃器喷口结构的改变，从而实现了抑制炉膛内氮氧化物的生成，也解决了锅炉原燃烧系统容易在水冷壁区域结渣的问题提升了锅炉出力，经过改造后投入运行检验，效果较好。