600MW機(jī)組鍋爐低NOx工業(yè)試驗(yàn)研究

王鵬

【摘 要】為解決某電廠4號(hào)鍋爐氮氧化物排放過高，采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行了改造，鍋爐改造后采用中心給粉旋流燃燒器，并在爐膛上部布置兩級(jí)燃盡風(fēng)裝置。改造后，在機(jī)組鍋爐500M W負(fù)荷下進(jìn)行了燃燒調(diào)整試驗(yàn)，得出了500M W負(fù)荷下最佳運(yùn)行方式。試驗(yàn)表明，隨著燃盡風(fēng)風(fēng)門擋板開度的減小和燃燒器二次風(fēng)門擋板開度的增加，主燃區(qū)爐膛煙氣溫度升高，飛灰可燃物含量稍微減少，減溫水量減少，但是空預(yù)器出口氮氧化物排放量增加。

【關(guān)鍵詞】低N Ox燃燒技術(shù)改造；中心給粉旋流燃燒器；燃燒調(diào)整試驗(yàn)；燃盡風(fēng)；低N Ox排放

Abstract：In order to solve the high N Ox em issions of N o. 4 boiler in a pow er plant， the low N Ox com bustion technology of Harbin Institute of Technology w as adopted to retrofit the boiler. After retrofitted， the boiler w as retrofitted w ith centrally fuel rich sw irl coal com bustion burners and tw o levels of O FA technology. After retrofitted， com bustion m odify experim ents w ere perform ed at a load of 500M W and an optim um operation condition w as got. The results show that， as the over fire air dam per opening decreasing and the secondary air dam per opening of the burners increasing， the flue gas tem perature in the prim ary com bustion zone increases， and the unburned carbon content in the fly ash and attem peration w ater decrease， but the N Ox em issions increases.

Key w ords：Boiler retrofitting； Centrally fuel rich sw irl burner； Com bustion m odify experim ents； over fire air； Low N Ox em ission

0 前言

內(nèi)蒙古某電廠#4爐為北京巴威公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造的B&WB—2028/17.5- M型煤粉鍋爐。為了滿足國家越來越高的環(huán)保要求[1]，解決該鍋爐NOx排放過高的問題，在對(duì)我國先進(jìn)的低NOx燃燒技術(shù)考察調(diào)研后，選擇了哈爾濱工業(yè)大學(xué)中心給粉旋流低NOx燃燒技術(shù)進(jìn)行改造[2- 4]。

在實(shí)際鍋爐運(yùn)行中，針對(duì)機(jī)組鍋爐負(fù)荷較長時(shí)間在500MW負(fù)荷段運(yùn)行，迫切需要獲得一種兼顧經(jīng)濟(jì)與環(huán)保的運(yùn)行方式。本文針對(duì)這一實(shí)際問題，在改造后，在機(jī)組鍋爐500MW負(fù)荷條件下進(jìn)行了燃燒調(diào)整試驗(yàn)。

1 鍋爐設(shè)備概況、存在問題及改造方案

1.1 鍋爐改造前概況

內(nèi)蒙某發(fā)電廠二期（2×600MW）工程鍋爐為北京B&W公司按美國B&W的RBC系列鍋爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本工程燃用的煤質(zhì)特性和自然條件，進(jìn)行性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的亞臨界參數(shù)RBC鍋爐。鍋爐為一次再熱，單爐膛平衡通風(fēng)，自然循環(huán)，單鍋筒鍋爐。尾部設(shè)置分煙道，采用煙氣分流擋板調(diào)節(jié)再熱器出口汽溫。鍋爐本體采用緊身封閉布置，固態(tài)連續(xù)排渣。在尾部豎井下設(shè)置兩臺(tái)三分倉容克式空氣預(yù)熱器。

鍋爐采用墻式對(duì)沖燃燒方式，采用36只EI- XCL低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器[5，6]，燃燒器示意圖見圖1。燃燒器呈前后墻布置、對(duì)沖燃燒。其中，前墻最下層6只燃燒器已安裝等離子體點(diǎn)火裝置。

鍋爐采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)爐配6臺(tái)MPSZGM123G型磨煤機(jī)（正常運(yùn)行投運(yùn)5臺(tái)磨煤機(jī)，一臺(tái)備用。設(shè)計(jì)煤種為為準(zhǔn)格爾煙煤，煤粉細(xì)度R90=22%。

1.2 鍋爐運(yùn)行中存在的問題

鍋爐自投運(yùn)以來，鍋爐效率達(dá)到保證值，取得了很好的經(jīng)濟(jì)性，但是爐膛出口處NOx排放量高達(dá)600mg/m3左右，遠(yuǎn)高于國家環(huán)保要求。必須進(jìn)行低氮氧化物技術(shù)改造。

1.3鍋爐燃燒系統(tǒng)改造方案

根據(jù)機(jī)組鍋爐燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、布置特點(diǎn)，以及降低示范工程項(xiàng)目技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的要求，本次低NOx燃燒器技術(shù)改造的內(nèi)容分為兩個(gè)主要部分：首先，在前、后墻上增設(shè)燃盡風(fēng)噴口，并為其配備風(fēng)箱、風(fēng)道、風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置等；其次，將除前墻下層等離子體點(diǎn)火燃燒器外的30只EI- XCL型煤粉燃燒器整體更換為中心給粉旋流燃燒器，中心給粉旋流燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

中心給粉旋流低NOx燃燒器的改造方案為：將除去前墻6只（此六只為改為等離子體旋流煤粉燃燒器）外，其它5臺(tái)磨對(duì)應(yīng)的30只EI- XCL型燃燒器整體更換為中心給粉旋流燃燒器。其主要接口設(shè)計(jì)與原EI- XCL燃燒器保持一致，燃燒器數(shù)量、布置位置及旋轉(zhuǎn)方向均保持不變，燃燒器噴口與水冷壁開孔的密封方式不變，不改動(dòng)現(xiàn)有水冷壁。

在爐膛上部前、后墻一定標(biāo)高處開設(shè)旋流燃盡風(fēng)（OFA）噴口，用來進(jìn)一步降低排煙中NOx的含量。在原主燃燒器上方增加對(duì)應(yīng)旋流燃盡風(fēng)（OFA）風(fēng)箱，并增加相應(yīng)的分風(fēng)道，燃盡風(fēng)道上加裝膨脹節(jié)，并均設(shè)有恒力彈簧吊掛。同時(shí)在前、后墻風(fēng)道設(shè)有風(fēng)道擋板及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由電動(dòng)執(zhí)行器遠(yuǎn)程操控，并在前、后墻風(fēng)道布置風(fēng)量測量裝置，通過在線檢測操控風(fēng)道流量。由于對(duì)旋流燃盡風(fēng)（OFA）噴口區(qū)域的水冷壁進(jìn)行改造（如果旋流燃盡風(fēng)噴口安裝位置與原爐膛吹灰器位置沖突，則適當(dāng)調(diào)整或者取消爐膛吹灰器），并根據(jù)現(xiàn)場管道、鋼架安裝位置對(duì)燃盡風(fēng)道進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

根據(jù)鍋爐的燃燒器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將前墻最下層6臺(tái)煤粉燃燒器改造為兼有等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃功能的燃燒器。改造后燃燒器火焰中心位置基本不變，原有的火焰檢測設(shè)備能滿足檢測要求，不需要更換全套火焰檢測設(shè)備。

2 熱態(tài)試驗(yàn)研究

鍋爐采用空氣分級(jí)技術(shù)改造后，可以有效地降低氮氧化物排放。如果配風(fēng)不合理，很容易造成燃燒惡化，煤粉燃盡差，導(dǎo)致爐膛火焰中心上移，造成飛灰可燃物含量增加和排煙溫度升高，同時(shí)還會(huì)增加鍋爐過熱器和再熱器減溫水量，影響鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

由于鍋爐燃燒系統(tǒng)參數(shù)都是針對(duì)額定負(fù)荷設(shè)計(jì)的，這種現(xiàn)象在非額定負(fù)荷下尤其明顯，這是由于低負(fù)荷時(shí)，燃盡風(fēng)風(fēng)量減少，風(fēng)速降低，影響穿透深度，直接影響煤粉的燃盡率。針對(duì)電廠機(jī)組鍋爐負(fù)荷在500MMW負(fù)荷段運(yùn)行是大概率事件，對(duì)該負(fù)荷段下不同燃盡風(fēng)擋板開度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

在500MW負(fù)荷下，通過試驗(yàn)確定鍋爐運(yùn)行的燃燒器中心風(fēng)擋板開度和最佳燃盡風(fēng)風(fēng)箱擋板開度，及燃盡風(fēng)量和燃盡風(fēng)布置方式對(duì)NOX的排放量和煤粉燃盡率的影響。

500MW負(fù)荷下，保持爐膛出口氧量為2.5%左右，其他運(yùn)行參數(shù)保持不變。通過改變二次風(fēng)門擋板開度及燃盡風(fēng)風(fēng)門擋板開度進(jìn)行下面3個(gè)工況。

圖3、圖4和圖5分別為改造后500MW負(fù)荷下工況1、工況2和工況3爐內(nèi)煙氣溫度分布。從圖中可以看出，不同工況在爐膛高度為17～33m燃燒器區(qū)域，爐膛煙氣平均溫度基本呈上升趨勢，燃燒器區(qū)域溫度較高，表明爐內(nèi)燃料的燃燒狀態(tài)穩(wěn)定。在44～57m范圍內(nèi)，不同工況下爐膛煙氣平均溫度基本基本呈下降趨勢，爐膛溫度水平比較穩(wěn)定。同時(shí)三種不同風(fēng)門擋板開度可以發(fā)現(xiàn)，在44～57m范圍內(nèi)爐膛煙氣平均溫度相差不大，這也說明，不同燃盡風(fēng)擋板開度運(yùn)行工況下沒有造成爐膛火焰中心上移。三種不同運(yùn)行工況爐膛煙氣平均溫度最顯著的差別位于爐膛高度為17～33m范圍內(nèi)，也就是主燃區(qū)，工況1爐膛煙氣溫度明顯高于其他兩個(gè)工況，工況2爐膛煙氣溫度稍微高于工況3。這說明，不同風(fēng)門擋板開度對(duì)主燃區(qū)溫度有明顯的影響。

表1鍋爐500MW負(fù)荷下不同風(fēng)門擋板開度下減溫水量對(duì)比。從表中可以看出，隨著燃盡風(fēng)風(fēng)門擋板開度增加和燃燒器二次風(fēng)門擋板開度減小，減溫水量增加。各個(gè)工況下減溫水量都低于200t/h，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)測定#4爐在工況1、工況2及工況9的飛灰可燃物含量分別為1.76%、1.825%及1.875%； A、B兩側(cè)空氣預(yù)熱器出口的平均NOx排放量分別為342mg/m3、325mg/m3及249mg/m3（折算到O2=6%）。綜合飛灰可燃物及氮氧化物排放，推薦按照工況3方式運(yùn)行較為合適。

華北電科院對(duì)該機(jī)組鍋爐脫硝改造進(jìn)行了驗(yàn)收試驗(yàn)。鍋爐進(jìn)行改造后，鍋爐能達(dá)到原有的最大出力，可以在600MW負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。爐膛負(fù)壓穩(wěn)定，主蒸汽壓力、主蒸汽溫度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，過熱器和再熱器減溫水與改造前基本相同；表2給出了改造后華北電力科學(xué)研究院驗(yàn)收結(jié)果。與改造前相比，各個(gè)負(fù)荷段空預(yù)器出口NOx排放質(zhì)量濃度大幅下降，降幅均在40%以上。各個(gè)負(fù)荷段主要運(yùn)行指標(biāo)均達(dá)到合同要求。

3 結(jié)論

該機(jī)組鍋爐采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)低氮氧化物燃燒技術(shù)改造后，鍋爐可在600MW額定負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行，爐膛負(fù)壓穩(wěn)定，主蒸汽壓力、溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，各個(gè)負(fù)荷段氮氧化物排放量較改造前均大幅下降。通過熱態(tài)試驗(yàn)，得出該機(jī)組鍋爐在500MW負(fù)荷下的最佳運(yùn)行方式。隨著燃盡風(fēng)風(fēng)門擋板開度的減小和燃燒器二次風(fēng)門擋板開度的增加，主燃區(qū)爐膛煙氣溫度升高，燃燒強(qiáng)度增強(qiáng)，飛灰可燃物含量稍微減少，減溫水量減少，但是空預(yù)器氮氧化物排放量增加，綜合考慮鍋爐經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行，同時(shí)考慮環(huán)保要求，建議該機(jī)組鍋爐在500MW負(fù)荷時(shí)按照以下運(yùn)行方式運(yùn)行：未投運(yùn)層燃燒器二次風(fēng)風(fēng)門擋板開度為10%，投運(yùn)層燃燒器二次風(fēng)風(fēng)門擋板開度為55%，前墻下層燃盡風(fēng)擋板開度為60%，其他燃盡風(fēng)風(fēng)門擋板開度均為100%。

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