300 MW機(jī)組鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造與性能評價(jià)

閆曉燕

300 MW機(jī)組鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造與性能評價(jià)

閆曉燕

(太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司規(guī)劃發(fā)展部,山西太原030003)

為了保護(hù)環(huán)境，降低運(yùn)行成本，太鋼采用立體分級強(qiáng)穩(wěn)燃、高效的水平濃縮煤粉燃燒技術(shù)對2號300 MW機(jī)組鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒技術(shù)改造。改造后的試驗(yàn)及運(yùn)行結(jié)果顯示，爐內(nèi)NOx排放量大幅下降，鍋爐效率、飛灰中可燃物含量、CO排放等指標(biāo)也有明顯提高。

鍋爐;低氮燃燒改造;NOx濃度;性能評價(jià)

1 前言

國家于2011年7月29日頒布了最新的火電廠排污標(biāo)準(zhǔn)：《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）用以取代（GB13223-2003），對火電發(fā)電企業(yè)大氣污染物排放作出了更為嚴(yán)格的規(guī)定，要求自2014年7月1日起，現(xiàn)有火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組NOx排放量執(zhí)行100 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。為了減少脫硝裝置入口NOx含量，降低脫硝運(yùn)行費(fèi)用，低氮燃燒技術(shù)改造已逐漸成為火力發(fā)電企業(yè)改造的主導(dǎo)方向。在火力發(fā)電廠，實(shí)施燃燒控制技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)相結(jié)合的綜合防治措施將成為必然發(fā)展趨勢。

2 氮氧化物的生成

燃燒過程中NOx的生成量與燃料的燃燒方式，特別是燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等燃燒條件有關(guān)。研究表明，在燃燒過程中，NOx生成的途徑主要有3個(gè)，分別為熱力型、燃料型和快速型。

(1)熱力型NOx是空氣中的氧氣（O2）和氮?dú)猓∟2）在高溫環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的NO和NO2的總和，隨著反應(yīng)溫度的升高，NOx的生成速度按指數(shù)規(guī)律增加。當(dāng)溫度低于1000℃時(shí)，NOx的生成量很少，而當(dāng)溫度高于1400℃，NOx生成速度急劇增大。當(dāng)溫度達(dá)到1600℃以上時(shí)，熱力型NOx占NOx生成總量的25%～30%。

(2)燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃燒過程中發(fā)生熱分解，并進(jìn)一步氧化而生成的，在此過程中，還存在NOx還原成N2的反應(yīng)。在煤粉鍋爐中，燃料型NOx約占NOx生成總量的75%～90%，它的生成和還原與反應(yīng)過程中氧的濃度、燃燒溫度及煤種的特性等密切相關(guān)。

(3)快速型NOx的生成是通過燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的CH原子團(tuán)撞擊N2分子，生成HCN類化合物，再進(jìn)一步氧化而生成的，這個(gè)反應(yīng)很快，只需60 ms，所生成的NOx量與爐膛壓力的0.5次方成正比，而與溫度的關(guān)系不大。

3 太鋼300 MW機(jī)組配套鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造

低氮燃燒器就是通過特殊設(shè)計(jì)的燃燒器結(jié)構(gòu)調(diào)整風(fēng)煤比例，盡可能地降低參與燃燒的氧氣濃度，并適當(dāng)降低著火區(qū)的溫度，縮短氣體在高溫區(qū)的滯留時(shí)間，以達(dá)到最大限度抑制NOx生成的目的。太鋼于2013年7月至9月期間對2#300 MW機(jī)組鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒技術(shù)改造。

3.1 改造前狀況

(1)鍋爐狀況

太鋼300 MW機(jī)組鍋爐為東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)的亞臨界、中間再熱、燃煤自然循環(huán)汽包鍋爐，型號為DG1080/17.4－Π4。燃燒設(shè)備為四角布置，切向燃燒，百葉窗式水平濃淡直流擺動(dòng)式燃燒器，風(fēng)、粉氣流從爐膛四角噴進(jìn)爐膛，噴口中心線與爐膛中心兩個(gè)假想切圓相切，假想切圓直徑分別為Φ772和Φ681。

燃燒器上一次風(fēng)噴口中心到屏底距離為17.36 m，下一次風(fēng)噴口中心到冷灰斗拐點(diǎn)距離為4.306 m。每角燃燒器共布置15層噴口，包括有6層一次風(fēng)噴口，1層頂二次風(fēng)(OFA)噴口，8層二次風(fēng)噴口，(其中3層布置有燃油裝置)。一次風(fēng)噴口四周布置有偏置周界風(fēng)，見圖1。

燃燒器風(fēng)箱被隔成15層風(fēng)室，各層風(fēng)室分別向?qū)?yīng)的一次風(fēng)噴口（周界風(fēng)）、二次風(fēng)噴口和頂二次風(fēng)(OFA)噴口單獨(dú)供風(fēng)。各層風(fēng)室之間的風(fēng)量分配是通過調(diào)節(jié)各層風(fēng)室入口處的風(fēng)門擋板的開度來實(shí)現(xiàn)的。總體上仍為均等配風(fēng)布置，無較大的還原區(qū)，低NOx措施有限。

(2)鍋爐燃用煤質(zhì)

鍋爐燃用煤以太原西山煤為主，灰份約29%，揮發(fā)份約33%，發(fā)熱量約1.2 MJ/kg，灰份高，揮發(fā)份和發(fā)熱量低。

(3)NOx排放情況

在現(xiàn)有煤質(zhì)運(yùn)行情況下，在300 MW負(fù)荷內(nèi)，脫硝裝置(SCR)入口NOx濃度680～890 mg/m3(O2= 6%)左右，通過SCR脫硝處理，鍋爐排放煙氣NOx濃度控制在130 mg/m3左右，脫硝效率為85%，再提高脫硝效率，脫硝出口氨逃逸率則會(huì)升高，有造成空氣預(yù)熱器堵塞危險(xiǎn)。

3.2 改造方案

根據(jù)鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀及燃用煤質(zhì)特點(diǎn)，確定采用立體分級強(qiáng)穩(wěn)燃、高效的水平濃縮煤粉燃燒技術(shù)對鍋爐進(jìn)行改造，主要采用以下技術(shù)措施：

(1)采用分級送入的高位分離燃盡風(fēng)系統(tǒng)，燃盡風(fēng)噴口雙向擺動(dòng)，有效控制氣溫及其偏差。

在距離最上層一次風(fēng)燃燒器（F層）大約5000 mm至7000 mm處，四角增設(shè)4層共16只燃盡風(fēng)（SOFA）噴嘴，見圖2。每個(gè)SOFA噴嘴均為擺動(dòng)式噴嘴，可以垂直和水平方向擺動(dòng)，水平方向可擺動(dòng)± 10°，垂直上下擺動(dòng)±15°，熱態(tài)運(yùn)行時(shí)可根據(jù)鍋爐運(yùn)行狀況（燃盡、NOx排放、煙溫偏差及過熱器汽溫偏差等）對燃盡噴口擺動(dòng)角度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，有效進(jìn)行煙氣消旋，減少爐膛出口煙溫偏差，并保證過熱器管壁壁溫正常。各個(gè)燃盡風(fēng)的供風(fēng)風(fēng)道均由各角二次風(fēng)主風(fēng)道引出，由單獨(dú)燃盡風(fēng)道向各燃盡風(fēng)噴口供風(fēng)，保證供風(fēng)阻力小。

(2)采用水平濃淡風(fēng)煤粉燃燒技術(shù)，并采用噴口強(qiáng)化燃燒措施，保證高效燃燒，降低飛灰可燃物含量。

將B層至F層的一次風(fēng)燃燒器更換為水平濃淡分離燃燒器，噴口周圍保留適當(dāng)噴口面積的周界風(fēng)，采用扳邊方式推遲周界風(fēng)向一次風(fēng)內(nèi)的混入。燃燒器內(nèi)安裝有高濃縮比百葉窗式煤粉濃縮器，一次風(fēng)煤粉氣流在流經(jīng)百葉窗濃縮葉片后被分離，形成兩股煤粉濃度不同的煤粉氣流（見圖3），其中高濃度煤粉氣流，含一次風(fēng)粉中大部分煤粉，位于向火側(cè)，形成內(nèi)切圓，另一股淡煤粉氣流以空氣為主，位于背火側(cè)形成外切圓。濃一次風(fēng)煤粉氣流著火后，淡一次風(fēng)煤粉氣流逐漸混入，有利于煤粉粒的燃燼。淡一次風(fēng)煤粉氣流和側(cè)二次風(fēng)在背火側(cè)噴入，在爐膛水冷壁附近形成氧化性氣氛和較低的溫度環(huán)境，可以防止結(jié)渣。

(3)采用高濃縮比、低阻力新一代煤粉濃縮技術(shù)，確保煤粉及時(shí)著火，加強(qiáng)燃盡效果。煤粉濃度的提高，可以降低著火點(diǎn)的溫度，減少著火熱，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤欣诜€(wěn)燃。

(4)采用延遲混合型一、二次風(fēng)以及帶側(cè)二次風(fēng)的周界風(fēng)噴口設(shè)計(jì)，確保氮氧化物濃度大幅降低。

對所有二次風(fēng)噴嘴進(jìn)行改造，風(fēng)口全部采用收縮型結(jié)構(gòu)，增加一、二次風(fēng)噴口之間的間距，推遲一二次風(fēng)的混合。

3.3 改造后的鍋爐性能測評

在進(jìn)行低氮燃燒技術(shù)改造過程中，不僅更換了原有的燃燒器，同時(shí)還增設(shè)了SOFA風(fēng)噴口，改變了鍋爐結(jié)構(gòu)，勢必對爐內(nèi)空氣動(dòng)力場、燃燒狀態(tài)及鍋爐效率等產(chǎn)生影響，因此需要對改造后的鍋爐性能進(jìn)行綜合測評，測評采用ASME PTC4.1-1998標(biāo)準(zhǔn)

(1)測算方法

燃燒產(chǎn)生的NOx質(zhì)量濃度、CO體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算需將煙氣中NOx、CO測量值折算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、O2體積分?jǐn)?shù)為6%，干煙氣的工況下，即：

式中：ρNOx：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，6%氧體積分?jǐn)?shù)、干煙氣下NOx質(zhì)量濃度，mg/m3；

VNO（μL/L）：實(shí)測干煙氣中NO體積分?jǐn)?shù)%；

VO2：實(shí)測干煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)%；

0.95 ：經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（在NOx中，NO體積分?jǐn)?shù)）；

2.05 ：從NO的體積分?jǐn)?shù)到NOx的質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

式中：VCO：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，6%氧體積分?jǐn)?shù)、干煙氣下CO體積分?jǐn)?shù)%；

V＇CO：實(shí)測干煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)%；

VO2：實(shí)測干煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)%。

η=100-（XΒ+LUC+LG+Lmf+LH+LmA+LR+Lun）

式中：η——鍋爐熱效率，%；

XΒ——輻射損失百分?jǐn)?shù)，%；

LUC——未燃碳熱損失，%；

LG——干煙氣熱損失，%；

Lmf——燃料水分熱損失，%；

LH——?dú)渖傻乃臒釗p失，%；

LmA——空氣中水分熱損失，%；

LR——輻射和對流熱損失，%；

Lun——不可測量熱損失，%。

(2）性能評價(jià)

鍋爐在滿負(fù)荷（300 MW）運(yùn)行狀況下，SCR裝置入口前NOx濃度低于350 mg/m3；CO排放不高于30 ppm；鍋爐效率約92%；飛灰及灰渣中可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于4.5%，上述指標(biāo)均高過鍋爐原設(shè)計(jì)值。

4 結(jié)束語

根據(jù)性能測試結(jié)果顯示，太鋼300 MW機(jī)組鍋爐采用立體分級強(qiáng)穩(wěn)燃、高效的水平濃縮煤粉燃燒技術(shù)進(jìn)行改造后，各項(xiàng)指標(biāo)良好，其中爐內(nèi)NOx生成較改造前減少約60%，極大地減輕了SCR裝置的運(yùn)行壓力，降低了鍋爐運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙提高。

[1]戴成峰，應(yīng)明等.600MW機(jī)組四角切圓燃燒鍋爐低氮燃燒改造及其效果分析[J].中國電力，2012，45（4）：54-58

[2]劉永江，高正平，韓義等.燃燒機(jī)組低NOx燃燒技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，201—29（5：94-97.）

Performance Evaluation and Technical Transformation of Low NOx Combustion of 300 MW Unit Boiler

Yan Xiaoyan
（Planning&Development Department of Taiyuan Iron and Steel(Group)Co.,Ltd.,Taiyuan，Shanxi 030003,China）

In order to protect environment and reduce operation cost of the boiler, Taiyuan Steel carried out low-NOx transformation to its No.2 300MW boiler unit adopting stereo-staged strengthened combustion-stabilizing and high-efficiency horizontal concentrated pulverized coal technology.Test and operation results after the transformation showed that NOx emissions from the furnace have greatly reduced and the boiler efficiency,combustible content in fly ash and CO emission index were all significantly improved.

boiler;low NOx technical transformation;NOx concentration;performance evaluation

TK229

B

1006-6764（2015）01-0037-04

∶2014-09-30

閆曉燕（1974－），女，大學(xué)本科學(xué)歷，熱能動(dòng)力工程師，現(xiàn)在太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司規(guī)劃發(fā)展部從事能源管理工作。