珠江電廠低氮燃燒改造后對鍋爐燃燒調整優化

馬志超

摘要：為降低鍋爐出口NOx濃度，確保機組氮氧化物排放小時均值達到國家超低排放標準的比例在80%以上要求，珠江電廠在鍋爐大修期間對#4燃煤鍋爐進行了低氮燃燒器改造工作。本文介紹了#4爐進行了低氮燃燒器改造燃燒設備布置的方案，通過對改造前后SCR入口NOx的濃度與機組負荷在160～320MW階段的關系比較，改造后NOx平均濃度由400mg/Nm3降到220 mg/Nm3，使得#4爐大氣污染物排放濃度達新的環保標準要求，同時也降低#4爐SCR系統尿素耗量，大大節約了脫硝成本。且機組在滿負荷時，鍋爐SCR入口NOx濃度隨著氧量的降低而減少，綜合NOx濃度和鍋爐效率等因素，2.3%為320MW時最佳氧量。

關鍵詞：燃煤鍋爐；低氮燃燒器； NOx濃度；

氮氧化物排放大氣中能夠造成酸雨、光化學污染等，對人類健康和生活環境造成很大威脅，它是大氣主要污染物之一。由于大部分電廠鍋爐使用的燃料是煤，而燃煤在燃燒過程中會產生大量的氮氧化物[1-2]。隨著國家頒布更嚴格的NOx排放標準，在2020年前，對燃煤機組全面實施超低排放，要求現役燃煤機組的大氣主要污染物排放標準達到天然氣燃氣機組的排放標準，即在基準氧含量6%條件下，煙塵10mg/Nm3，二氧化硫35mg/Nm3，氮氧化50mg/Nm3。東、中部地區要提前至2017年和2018年達標[3]，為使鍋爐NOx 排放指標為達到我國《火電廠大氣污染物排放標準》的要求[4-5]，提高脫銷效率，降低NOx 排放，珠江電廠對#4 爐進行低NOx燃燒系統改造。

1.低氮燃燒改造方案

1.1燃燒設備布置

燃燒設備包括：等離子點火燃燒器；一次風煤粉燃燒器；二次風噴嘴；燃盡風風箱、風室、噴嘴；風室檔板等。爐燃燒設備設計采用爐兩側大風箱配風、燃燒器組切角、四角布置、噴嘴擺動、氣流逆時針旋轉、切圓燃燒（假想切圓Φ1047mm）。主燃燒器組，共有 13 層。

爐在燃盡區布置有SOFA噴嘴，結構與主燃燒器組相似，SOFA 角風箱風室幾何中心標高于爐本體標高的33620mm，共三層 SOFA 風噴嘴，四角布置，箱殼切角與主燃燒器相同。噴嘴內導板反切 8°（消旋，防止左右煙溫偏差），SOFA 二次風噴嘴可作±10°的水平左右擺動和±20°的垂直擺動。

1.2 燃燒設備設計

1.3.1爐內燃燒爐沿膛高度分為三個區域。根據低 NOx 燃燒原理分級配風：主燃區欠氧燃燒（占總風量的 72.5%）；還原區，沒有二次風供給；燃盡區，設三層燃盡風噴嘴，配給的二次風量占總風量的27.5%。

1.3.2 A 層一次風室采用等離子點火燃燒器，可節約大量的點火用油。

1.3.3一次風煤粉燃燒器采用高效水平濃淡分離裝置，使燃燒器出口煤粉濃側迎火面、淡側背火面。

1.3.4一次風煤粉燃燒器噴嘴的周界風采用不等邊口設計：本設計針對低 NOx 燃燒特點，將其設計成不等邊口：周界風量大的處于背火面，小風量的處于其它三面。

1.3.5燃盡風噴嘴反切：燃盡風噴嘴內設8°的反切導板，并可左右水平手動擺動±10°。

2.低氮燃燒器改造后運行的效果

2.1低氮燃燒器改造前鍋爐優化調整對NOx濃度的影響

#4爐改造前為普通燃燒器，機組負荷在160～320MW階段，鍋爐脫硝入口NOx的平均濃度400mg/Nm3；圖1是改造前SCR入口NOx濃度和機組負荷變化趨勢：

從圖1可以看出，機組負荷小于220MW時，SCR入口NOx濃度隨著鍋爐負荷增加而下降，此時氧量對NOx的生成起主導作用，隨著鍋爐負荷增加，氧量逐漸下降，固NOx生成也相應減少；當機組負荷大于220MW時，SCR入口NOx濃度隨著鍋爐負荷增加而快速上升，此時增加NOx主要為熱力型NOx，爐膛溫度對NOx的生成起主導作用，而氧量對NOx的生成的影響逐漸減小，隨著鍋爐負荷增加，爐膛溫度逐漸上升，且鍋爐溫度超過1500℃的地方，氧原子獲得足夠的能量打破氮-氮共價鍵，與其結合生成的NOx也逐漸增多。因此，滿負荷時SCR入口NOx濃度達到最高值，NOx濃度為450mg/Nm3。

2.2低氮燃燒器改造后鍋爐優化調整對NOx濃度的影響

#4爐大修后，鍋爐燃燒器為PICS-I-100型煤粉鍋爐等離子體點火系統，圖2為改造后，#4爐后使用低氮燃燒器，鍋爐SCR入口NOx濃度和負荷變化趨勢。

圖2 #4爐改造后SCR入口NOx的濃度與機組負荷的關系

從圖2可以看出，鍋爐進行低氮燃燒器改造后，機組負荷160MW～320MW時，SCR入口NOx濃度平均濃度為220mg/Nm3，相比改造前的400mg/Nm3，SCR入口NOx有了明顯降低，尤其是在機組280MW時效果最好，此時SCR入口NOx濃度平均濃度均為190 mg/Nm3。原因是改造后低氮燃燒器主燃區欠氧燃燒，且配風過剩空氣系數為<1，顯著的降低這一區域 NOx的生成；而還原區，沒有二次風供給，那么在主燃區生成的NOx與缺氧而生成的CO和CNH 發生氧化還原反應生產N2，促使 NOx 迅速降低；還有燃盡區的三層燃盡風噴嘴的二次風量占總風量的27.5%，使得可燃氣體在充足的氧環境中得以燃盡，提高鍋爐燃燒的效率。

2.3氧量對SCR入口NOx濃度的影響

#4機組確保鍋爐運行安全的基礎下，穩定機組320WM滿負荷，通過調整鍋爐的氧量，分別在線測量SCR入口NOx的濃度，作圖3如下：

圖3 #4爐改造后機組滿負荷SCR入口NOx的濃度與鍋爐氧量的關系

從圖3可以看出，當鍋爐氧量為2.9%時，SCR入口NOx濃度達到了235mg/Nm3，然后調整鍋爐工況減少鍋爐氧量至2.3%，SCR入口 NOx 排放質量濃度從235mg/Nm3降至210mg/Nm3；同時測得氧量2.3%下工況飛灰含碳量、煙氣中CO 濃度均未有變化，排煙溫度也正常。再繼續降低鍋爐氧量到2.0%時，雖然SCR入口NOx濃度還會下降，但是會引起CO濃度明顯上升，最高達到620mg/Nm3，CO濃度高，說明鍋爐燃燒不充分，在一定程度上降低了鍋爐燃燒效率。因此，機組滿負荷時，綜合NOx濃度和鍋爐效率等因素，2.3%為最佳鍋爐最佳氧量。其原因是鍋爐煤粉燃燒中發生劇烈地氧化還原反應，氧濃度越高，燃煤燃燒越充分，其生成的 NOx隨著增加，而燃燒器改造后，通過控制主燃區、還原區和燃盡區的氧濃度來抑制NOx 生成。

3.結論

（1） 介紹了#4爐進行了低氮燃燒器改造燃燒設備布置的方案，通過對改造前后SCR入口NOx的濃度與機組負荷的關系比較，改造后NOx濃度由400mg/Nm3降到220 mg/Nm3，改造效果明顯。

（2） 機組滿負荷時，SCR入口NOx濃度隨著氧量的降低而減少；機組滿負荷時，綜合NOx濃度和鍋爐效率等因素，2.3%為最佳鍋爐最佳氧量。

（3） 改造后，#4爐在增減負荷時，再熱器氣溫變化幅度大，調整不及時很容易超溫或低溫，需進一步優化鍋爐調整。

參考文獻：

[1] 潘明濱. 300MW機組鍋爐低氮燃燒器改造及其影響研究[D].山東大學，2015.

[2] 劉偉.低氮燃燒鍋爐汽溫防超溫控制策略研究及應用[J].電站系統工程，2014（3）.

[3]徐亦淳，翟德雙.1000MW機組降低鍋爐NOx排放技術研究與應用[J].中國電力，2015（12）.

[4] 禹慶明，張波，朱憲然等.低氮燃燒器改造及運行調整方法探討[J].2012（7）.

[5] 楊偉平，林樹彪，常哲等.鍋爐脫硝系統的運行優化建議[J].電源技術應用，2014（4）.