420t/h鍋爐低氮燃燒改造與運行優化調整

周楊軍

（中國華電集團公司浙江分公司，杭州 310015）

頻發的霧霾天氣將大氣污染防治演變為全民話題，減少污染物排放、改善空氣質量已成為各級政府和民眾關切的重要議題。隨著GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》的頒布實施，對現有鍋爐進行脫硝改造成為各燃煤火力發電廠的首要任務。而爐內低氮燃燒改造與尾部煙道脫硝改造相比，具有應用廣泛、結構簡單、經濟有效等優點，脫硝效率高達60%以上，因此爐內低氮燃燒改造技術是燃煤發電廠氮氧化物控制的首選技術。

1 改造前鍋爐概況和煤種特性

某發電廠5號鍋爐為上海鍋爐廠生產的SG-420/13.7-M417A型超高壓、單汽包、自然循環、中間儲倉、熱風送粉、固態排渣、一次中間再熱煤粉爐，額定蒸發量為420t/h，于1996年投運。煤粉燃燒器為四角布置切向燃燒、噴嘴固定式的直流燃燒器，假想切圓的直徑為Φ200 mm和Φ400 mm，中/下層二次風切圓正偏轉17°。每角燃燒器自上而下排列為二次風口、三次風口、二次風口、一次風口、二次風口、一次風口、一次風口、二次風口，共布置有8層噴口。爐膛尺寸為9600 mm×8840 mm。制粉系統配用2臺型號為DTM320/580的鋼球磨煤機。燃用煤種主要為準混2號和5號（煤種特性見表1），由燃料特性可知該煤種易著火、易燃盡，結渣偏輕，含硫量稍高，易導致水冷壁結渣和高溫腐蝕。

表1 燃料特性

2 低氮燃燒改造思路

針對該鍋爐特點和煤種特性，采用多空氣分級技術對現有燃燒器進行整體綜合改造。鑒于三次風對鍋爐燃燒及NOX控制影響較大，同時SOFA（分離燃盡風）的設置將影響原二次風配比。為減少三次風對鍋爐燃燒及NOX控制影響，本次改造對三次風進行濃淡相分離，濃相降低高度進入主燃燒區，既有利于煤粉燃盡和鍋爐效率的提高，也可以減少原主燃燒區域二次風量配比，缺點在于不利于穩燃；淡相則提升高度作為燃盡風布置在SOFA風下部，其約10%的富余風量作為SOFA風送入，優化了爐內分級配風的調節手段。

即在主燃燒區送入全部一次風粉、三次風濃相及部分二次風，在爐膛上方送入三次風淡相及SOFA風，實現爐膛垂直方向的空氣分級燃燒；一次風采用水平濃淡分離，加上部分二次風與一次風氣流偏置形成貼壁風，在爐膛水平方向也形成空氣分級燃燒，兩個方向的空氣分級燃燒將使主燃燒區中心形成有較高煤粉濃度、較高溫度、合適氧濃度、較高燃燒強度的富燃料燃燒區，有效控制燃料型和熱力型NOX生成；爐膛近壁形成較低溫度、較高氧濃度、較低CO濃度的富空氣區，防止水冷壁結焦和高溫腐蝕；另一方面缺氧燃燒的還原性氣氛還能促使主燃區生成的揮發氮物質還原為N2。在燃盡區送入三次風淡相和SOFA風，形成富氧燃燒區，使未燃盡成分充分燃燒。

3 低氮燃燒改造方案

3.1 增加SOFA風系統

在主燃燒器上方增加2層SOFA燃燒器，風量為總風量的20%；增加1層三次風淡相，風量為總風量的10%，如圖1所示。由鍋爐兩側風道引熱風到四角SOFA燃燒器，沿爐膛高度方向形成四級送風，分級燃燒，以減少NOX的生成。SOFA燃燒器噴口可以垂直方向自動擺動±20°，水平方向手動擺動±15°，這種設計即可調節NOX的排放濃度，也可調節爐膛出口煙溫，控制爐膛出口側煙溫偏差，還可起到按需配風，實現最佳燃燒的目的。每個噴口均有調節風門擋板，可根據運行要求自動調節風量。

3.2 一次風系統改造

圖1 燃燒器布置

主燃燒器下一次風仍采用微油點火方式，中一次風布置升高150 mm，上一次風標高不變。采用百葉窗濃淡燃燒技術改造相應的煤粉管道及噴口，將煤粉分成了濃淡兩股煤粉氣流，無論是濃側還是淡側都形成了偏離化學當量燃燒，即在爐膛水平方向形成燃料和風量的分級燃燒，從而減少NOX的生成，防止水冷壁結渣和高溫腐蝕。

3.3 二次風系統改造

主燃燒器下二次風因增設了SOFA風，二次風噴口的風量均進行了調整，重新優化設計并更換主燃燒器的二次風噴口。中二次風及上二次風噴口增設貼壁二次風，在爐膛高溫燃燒區域水冷壁附近形成富空氣區，防止水冷壁結渣和高溫腐蝕，而且也在爐膛水平方向形成分級送風，一定程度上可減少NOX的生成。考慮燃用煤種易著火，在下、中兩層一次風之間設計一層小二次風噴口，作為中周界風，分隔中、下一次風的集中布置，防止鍋爐結焦。

3.4 三次風系統改造

三次風進入爐膛前進行濃淡分離，濃相降低高度，布置在上一次風與上二次風之間，有利于燃盡和混合；淡相作為SOFA風的一部分，緊鄰下SOFA風布置，形成SOFA風“2+1”配置，同時濃、稀相三次風噴口均向下傾斜10°，以降低三次風運行對氮氧化物的影響。燃燒器改造前后BMCR（鍋爐最大出力工況）設計參數詳見表2。

表2 燃燒器改造前后BMCR設計參數

4 改造效果

4.1 改造前鍋爐運行狀態

在現行煤種條件下，煙氣NOX排放濃度約650～690 mg/m3（6%O2，換算至標況下），不同負荷下主、再蒸汽溫度基本控制在540℃，過熱器減溫水量5～20t/h，再熱器減溫水量0～5t/h。

實際運行過程中，磨煤機的投運方式對NOX排放濃度的影響較大，NOX排放量大小由于投運方式的不同依次為：無磨＞單磨＞雙磨。該鍋爐設計效率90.18%，鍋爐全年平均效率91.8%。

4.2 改造后性能試驗

鍋爐系統改造后，經過燃燒系統調試，鍋爐原有特點及燃煤適應性保持不變，鍋爐出力及主要運行參數基本達到設計保證值，爐膛未發生嚴重結焦及高溫腐蝕，受熱面金屬管壁未發生超溫、爆管等現象，鍋爐不投油最低穩燃負荷不低于50%BMCR負荷。表3為性能考核試驗部分參數測試結果。

表3 性能考核試驗部分參數測試結果

由表3可知，鍋爐效率比改造前全年平均效率有所降低，過熱器、再熱器減溫水量在130 MW工況下比改造前有明顯增加，主要原因為低氮改造后火焰中心上移，水冷壁存在一定的結焦現象，使得爐膛出口煙溫上升，造成過熱汽溫、再熱汽溫上升，鍋爐排煙溫度升高6℃左右，排煙熱損失有所增加。

4.3 三次風機淡相投停影響

機組125 MW負荷時，全關四角三次風淡相，NOX（標況）由 300 mg/m3升高至 400 mg/m3，前屏后煙溫降低20℃左右，由此說明三次風淡相確實起到了SOFA風的輔助作用。三次風淡相的投運還相應抬高了火焰中心，在一定程度上使該區域CO濃度略有升高（＜400 mg/L），但因其帶粉量有限，對煙道尾部飛灰可燃物含量及CO濃度等影響并不明顯。

5 運行優化調整措施

5.1 四角配風均衡

運行中為保證四角配風均衡以及分級配風的實現，必須重視各風門開度與實際位置的一致性，定期對風門擋板位置進行整定校準，并參考空氣動力場冷態試驗數據，考慮風箱管道阻力等影響，合理確定四角各風門實際開度，防止配風不均導致火焰中心偏移。

5.2 SOFA風調節

考慮制粉系統三次風淡相的配風作用，SOFA風原則上先投上層，開度60%以上，以保證SOFA風的剛性。2套制粉系統都停用時，將上層SOFA風開大到100%。下層SOFA風在高負荷時投用，并參與一次風壓、煙溫偏差的調整。SOFA風噴口可上下（±20°）、 左右（±15°）擺動，調整再熱汽溫與煙溫偏差。

5.3 一次風調節

運行中一次風壓由改造前的2.8～3.0 kPa降至2.55 kPa以下，通過降低一次風速，控制一次風量，提高主燃區的煤粉濃度水平，保證主燃燒區的缺氧燃燒，也有利于后繼二次風與SOFA風的配風調節，強化分級配風、分級燃燒效果。

5.4 二次風調節

四角二次風門采用固定配風模式，適當開大1號或4號角可調平兩側氧量。主燃燒器配風采用錯位配風模式，下二次風開度最大，主要為了托住火焰和煤粉，防止冷灰斗結焦和大渣含碳量過大；中二次風一般開度較小，燃燒初始階段在一次風集中的主燃區可推遲煤粉和空氣的混合時間；上二次風開度較大，可加強燃燒中期煤粉和空氣的混合，及時補入燃燒所需部分空氣；中周界風可以起到防止結焦和調整火焰中心的作用。

5.5 氧量控制

運行中必須結合負荷與煤種情況，嚴格控制爐膛出口氧量，并定期校對氧量計，確保氧量數據的準確性。一般在SOFA風開度不變的情況下，爐膛出口氧量越低，鍋爐NOX排放值越低，但需要綜合平衡對飛灰含碳量、汽溫等指標的影響。

5.6 給粉機投停

各給粉機盡量保持高轉速運行，以保證主燃燒區維持較高的煤粉濃度水平（空氣燃料比），停給粉機時宜采用對角停運方式，并及時關閉對應的一次風門，以減少爐內火焰中心偏轉并控制主燃燒區風量。

5.7 制粉系統運行

因改造后火焰中心整體上移，為強化燃盡需適當提高煤粉細度，建議R90提高到15%～18%左右。同時為平衡制粉出力，應適當提高磨煤機的鋼球加載量，制粉系統運行原則上冷風門全關，依靠熱風門和再循環門控制磨煤機出口溫度，提高鍋爐運行經濟性。

5.8 減少爐膛、制粉系統漏風

及時關閉爐膛各看火孔、人孔門及冷風門等，對漏風點進行堵漏，減少雜散進風對鍋爐燃燒的影響。

根據改造后低氮運行調試情況，不同負荷下推薦的一次風壓、氧量、風門等參數詳見表4。

6 結語

420t/h鍋爐因爐膛空間相對較小，實施低氮燃燒技術改造難度相對較大。采用多空氣分級技術方案進行改造后，NOX及CO排放濃度、飛灰含碳量、鍋爐效率等指標均達到了設計要求，其中NOX排放濃度（換算至標況）從650～690 mg/m3降到了300 mg/m3以下，達到了國內同類型機組的先進水平，年減排氮氧化物900t左右。

表4 不同負荷下的一次風壓、氧量、風門等參數

由于鍋爐燃燒是一個動態過程，NOX的生成與燃燒調整密切相關，因此鍋爐運行中的優化調整非常重要，目前這方面的運行經驗仍在不斷摸索和積累之中。改造后鍋爐排煙溫度略有提高，鑒于目前夏季鍋爐排煙溫度高達160℃，建議在后期的改造中增加低溫省煤器，以進一步提高鍋爐效率。

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