低氮燃燒技術在金川2×150MW機組鍋爐煙氣脫硝工程中的應用

于會泳，張繼武

（金川集團有限公司，甘肅 金昌 737100）

1 簡述

近年來，伴隨著國家對燃煤電廠煙氣排放物控制標準的提高，新建火電機組在設計之初即采用了低氮燃燒技術的燃燒設備，但一些早期投產的機組鍋爐采用的燃燒系統設備在氮氧化物控制方面能力較差，特別是在單機容量在150MW以下所配鍋爐，或鍋爐蒸發量在420t/h左右的鍋爐，金川公司熱電廠兩臺150MW機組始建于2004年，投產于2008年，這兩臺機組鍋爐在設計中采用了第一代低氮燃燒技術，能夠降低20%的氮氧化物生成，盡管在投產之初能夠滿足國家環保部門的要求，但按照國家最新環保標準要求，2014年7月1日之后，要實現煙氣總出口氮氧化物100mg/m3的新排放標準。為此，金川公司熱電廠在2013年8月-10月分別對兩臺機組鍋爐實施了鍋爐內部低氮燃燒改造，本文重點分析兩臺鍋爐原有結構方面存在的不足和改造工程在低氮燃燒技術方面采取的措施。

2 鍋爐結構概況

金川集團股份有限公司熱電公司熱電二車間 DG480/13.7-II10 型鍋爐是東方鍋爐廠設計制造的 2×150MW 燃煤機組超高壓鍋爐。鍋爐為一次中間再熱π型布置、超高壓自然循環汽包爐、單爐膛、燃燒器四角布置、切圓燃燒、平衡通風、固態排渣、采用回轉式空氣預熱器、露天布置、 爐頂大包、緊身封閉、全鋼結構、雙排布置。

2.1 鍋爐基本尺寸

表1 鍋爐基本尺寸

2.2 設計燃煤成分及特性

表2 煤質資料

2.3 燃燒系統

圖1 燃燒器切圓布置圖

表4

制粉系統為鋼球磨中間儲倉制乏氣送粉系統，每爐配兩臺磨煤機，磨煤機型號：MTZ3258，設計煤粉細度 R90=20.20%。燃燒設備為四角布置，切向燃燒，百葉窗式水平濃淡燃燒器，采用切圓布置方式，假象切圓直徑為Φ641。每角燃燒器共布置 10 層噴口，其中有四層一次風（A、B、C、D）噴口，一層頂二次風（OFA）噴口，五層二次風噴口，（AA、AB、BC、CD、DD，其中 AB、CD 層布置有燃油裝置）。一次風噴口布置有周界風。燃燒器主要設計參數

圖2 噴口布置圖

表3 燃燒器主要設計參數（設計煤種，BMCR 工況）

2.4 鍋爐現狀及分析

2.4.1 入爐煤種

鍋爐原始設計煤種收到基全水分在 18.3%左右，空干基水分在 1.87%左右。煤的可燃基揮發分約為 31%，收到基灰分約 21%左右，灰的軟化溫度 T2 在 1103℃左右，熱值約 21000 kJ/kg。實際燃用煤種見表4。

2.4.2 燃燒器設計邊界條件分析

（1）煤質條件

根據電廠設計煤質、校核煤質及現有煤質分析結果，現從煤質的著火、燃盡和結渣三個方面，對熱電二車間兩臺鍋爐使用燃煤進行分析和評價。

①燃料著火特性

表5 著火穩燃特性判別指標

燃盡特性判別范圍：F z 傅張指數 判別范圍及結論F z≤0.5 極難燃盡0.52.0 極易燃盡設計煤質 F z= 4.3 極易燃盡校核煤質 F z= 3.4 極易燃盡燃料結渣特性結渣特性判別范圍：S T 軟化溫度 結論>1 3 9 0 輕微1 3 9 0>S T<1 2 6 0 中等<1 2 6 0 嚴重

②爐膛參數及燃盡高度條件分析。鍋爐的爐膛容積為2856.3m3，爐膛容積熱負荷與截面積熱負荷分別為131KW/m3（ 對 應 113×103KCal/M3H） 與 4.349MW/m2（ 對 應 3.74×106KCal/M2H）。與同類型鍋爐設計參數邊界條件對比表中相比，容積熱負荷偏大，斷面熱負荷適中。在低氮改造方案中應充分考慮熱負荷偏高情況，采取有效的分區燃燒措施。

表6 爐膛主要參數

3 解決原有鍋爐燃燒系統易結焦問題及抑制氮氧化物生成措施

3.1 燃料分級

圖3 鍋爐低氮噴燃器冷態煙花示蹤照片

由于鍋爐原有燃燒系統采用均等配風方式、一般水平濃淡分離技術，在燃燒熱值較高揮發份偏大煤種時，會導致煤粉在噴口周圍即實現迅速燃燒，均等配風方式又導致在噴燃器附近大量空氣被送入，最終致使在四角切圓的切向點，因溫度偏高在水冷壁周圍形成結渣；根據對鍋爐原有系統的分析，本次改造采用燃料分級技術，通過噴燃器噴口結構改變，在噴燃器出口利用多重分離技術實現一次風分成濃淡兩股，濃相在內，更靠近火焰中心；淡相在外，貼近水冷壁。濃相在內著火時，火焰溫度相對較高，但是氧氣比相對較少，故生成的氮氧化物的幾率相對減少；淡相在外，氧氣比相對較大，但由于距火焰高溫區域較遠，溫度相對較低，故氮氧化物的生成也不會很多。

燃料分級送入鍋爐爐膛，并且在噴燃器邊界采用了偏置5度角的偏置風來冷卻水冷壁表面溫度，以此來減輕水冷壁結渣。同時，這樣的結構也可使得燃料中的氮氧化物由于在噴燃器出口缺氧而延遲生成，從而抑制氮氧化物的生成。

3.2 燃燒分區

根據對鍋爐容積熱負荷和斷面熱負荷計算數據分析結論可知，為了減少由于容積熱負荷偏高造成鍋爐上部爐膛出口容易因熱容沒有被吸收造成在水平煙道形成結渣，本次改造中采用了總體降低主燃燒區的分區燃燒設計，將四層煤粉噴燃器噴口分層降低，最高層降低900mm，并且減小每層間距離，由原來間距1100mm減少為550mm的間距，大大降低了主燃燒區的高度；而在原有鍋爐二次大風箱頂部上移1750mm開始設計了燃盡風風箱，利用這兩種結構設計，使得在不改變整體鍋爐爐膛高度的基礎上實現了燃燒分區的設計理念。此種結構由于在不同燃燒區送入的氧量不同，在主燃燒區基本維持缺氧燃燒，在燃盡區送入過量氧的方式，整體抑制氮氧化物在鍋爐爐膛內的生成，并且由于主燃燒區缺氧燃燒，爐膛中心區溫度偏低，使得熱力型氮氧化物和瞬發型氮氧化物都難以生成，起到了良好地降低氮氧化物的效果。另一方面，由于主燃燒區的總體降低，使得該鍋爐在未改變爐膛受熱面的前提下，由于降低了主燃燒區的燃燒溫度，從而減輕了鍋爐結渣的可能性，也最終實現了鍋爐帶負荷能力的提升。

圖4 改造成主燃燒區和燃盡區鍋爐燃燒模擬圖

4 結論

通過本次改造工程，在分析原有兩臺煤粉鍋爐燃燒系統存在問題的基礎上，應用氮氧化物生成機理和鍋爐結渣原因分析，利用對原有燃燒系統總體高度的降低和噴燃器噴口結構的改變，從而實現了抑制爐膛內氮氧化物的生成，也解決了鍋爐原燃燒系統容易在水冷壁區域結渣的問題提升了鍋爐出力，經過改造后投入運行檢驗，效果較好。