600MW锅炉低NOx燃烧系统及磨煤机旋转分离器改造技术分析

徐 扬，张纯洁，王国清

(1.华电能源股份有限公司哈尔滨第三发电厂，哈尔滨150024;2.华能鹤岗发电有限公司，黑龙江鹤岗154109)

近年来，中国全面开展了工业氮氧化物污染防治工作，要求新建火电厂必须同步建设脱硝装置。根据《火电厂大气污染物排放标准》［1］，从2014年1月1日开始，要求重点地区所有火电投运机组NOx排放量达到100 mg/Nm3，而非重点地区2003年以前投产的机组达到200 mg/Nm3。华电能源股份有限公司哈尔滨第三发电厂(以下简称哈三电厂)600 MW机组锅炉大量掺烧褐煤后，现NOx排放量达到700 mg/Nm3以上(严重超过NOx排放量标准100 mg/Nm3)，炉内脱硝改造成为紧迫任务。因此，为了降低NOx排放量，本文阐述了哈三电厂600 MW机组锅炉高效超低NOx排放设备技术改造的过程，使旋转分离器动态特性能够满足磨煤机对煤粉细度调整的需要，磨煤机旋转分离器实现了自动方式运行，降低了NOx排放浓度。

1 锅炉概况

哈三电厂3号炉为HG－2008/18.2－YM2型、亚临界压力、一次中间再热、强制循环汽包炉，锅炉设计燃料为烟煤，采用平衡通风、四角双切圆悬浮燃烧，配有正压直吹式制粉系统、摆动式燃烧器。

锅炉的最大连续蒸发量为2 008 t/h。锅炉炉膛设计为18 542 mm×16 432 mm长方形炉膛。锅炉主要性能规范如表1所示。

该炉制粉系统采用正压直吹式，配有6台RP碗式中速磨煤机(5台运行，1台备用)。磨煤机采用CE公司技术由上海重型机械厂生产制造的碗式中速磨煤机，煤粉细度R90=25%。原煤由煤斗经电子重力式皮带给煤机通过磨煤机顶部中心落煤管进入磨内，热风从磨本体下部3个风口进入磨碗内与原煤混合并干燥原煤。原煤在转动的磨碗与磨辊之间被碾碎，被碾碎的煤粉由热风携带经外锥体向上进入分离器进行煤粉分离，合格的煤粉经一次风管、喷燃器进入炉膛，不合格的煤粉经分配器均匀后与原煤一起落入磨碗内重新碾磨。

表1 锅炉主要性能规范

锅炉为单炉膛结构，燃烧器为四角布置摆动式，双切圆燃烧。每只燃烧器共有15层风室和29个喷嘴，一次风喷嘴可上下摆动±27°，二次风喷嘴可上下摆动±30°，顶部风喷嘴可向上摆动30°，向下5°，用以调节再热汽温，所有煤粉喷嘴设有周界风，用挡板控制风量，以保证稳定高效的燃烧。

该炉燃煤以烟煤和俄罗斯煤为主，再掺烧一定量的褐煤，以一般粒径煤粉(R90=28.0%)为测试煤粉，混煤煤质分析如表2所示。

表2 煤质分析表 %

2 设备改造方案

针对哈三电厂600 MW燃煤机组3号锅炉(大量掺烧褐煤)实际情况，锅炉NOx排放确定目标如下:

1)使磨煤机在相同工况条件下，磨煤出力提高8%以上，煤粉均匀性指数n≥1.2，保证煤粉燃烧充分，燃尽率高，提高锅炉效率。

2)延长锅炉燃烧系统煤粉燃烧器的使用寿命，保证机组稳定运行。

3)使氮氧化物排放量从现有的700 mg/Nm3降到300 mg/Nm3以下，并保证锅炉的其它性能。

2.1 燃烧器改造

针对哈三电厂3号600 MW燃煤机组锅炉特点、燃料燃烧特性、运行特点以及存在的问题，对锅炉状态进行全面诊断，分析问题的原因，采用立体多级超低氮燃烧技术［2－3］，利用哈尔滨博深科技发展有限公司黑龙江省电站燃烧设备工程技术研究中心的煤燃烧特性研究条件确定现场燃煤的最佳参数，结合哈尔滨博深科技发展有限公司多年在燃烧系统设计和改进方面积累的经验提出技术方案，通过锅炉热力参数的计算、CFD燃烧数值模拟优化燃烧系统设计，确定最佳参数和结构，高效降低NOx排放，确定采用浓淡煤粉燃烧技术与炉内空气垂直多级燃烧相结合形成的立体多级超低NOx排放燃烧技术，以提高锅炉低负荷运行的能力。垂直浓淡煤粉燃烧器能利用煤粉进入燃烧器一次风喷嘴体后经浓缩器的分离作用，将一次风气流分离成浓淡两部分，两部分之间用水平隔板分开，燃烧器出口处设有带波纹型的稳燃钝体。浓相气流的煤粉浓度高，着火特性好，即使在低负荷情况下，浓相气流的风煤比也能保持着火特性不会明显恶化。钝体形成的高温烟气回流区又充分为煤粉着火提供了热源，这两者的结合为低负荷稳燃提供了保证。

2.2 磨煤机改造

将磨煤机出口分离器改造为动态旋转分离器，动态旋转分离器可以改善煤粉细度，提高煤粉燃烬率，提高燃料热效率，改善锅炉燃烧状况。动态旋转分离器的设计适用于研磨低挥发分煤等劣质煤(或磨煤机的研磨能力下降时，使系统能够处于常规状态)，完成出力调节或者改型为低NOx排放。动态旋转分离器有效地减少了细煤粉在磨煤机内部的循环次数，大大提高了研磨效率和磨煤机能力。

哈三电厂600 MW机组3号锅炉在大量掺烧褐煤条件下进行锅炉高效超低NOx排放技术改造后，燃烧系统经过调试，有效改善了四角切圆锅炉的运行性能，高效超低了NOx排放，同时利用磨煤机旋转分离器保证了煤粉细度及均匀性，使煤粉高效燃烧，炉内不结渣，无高温腐蚀，具有宽广煤质适应性，为保证锅炉经济运行打下良好基础［4］。

3 设备改造后的试验效果

为了降低3号炉NOx排放浓度，哈三电厂在2011年大修工作中，采用哈尔滨博深科技发展有限公司的低NOx燃烧技术进行3号锅炉燃烧器改造。为全面掌握燃烧器改造后机组实际的NOx排放量与锅炉热效率，哈三电厂委托西安热工研究院有限公司和黑龙江省电力监督检测中心对3号机组改造后进行锅炉性能试验［5］。由于中国煤炭供选率较低、运输能力不足以及对锅炉燃烧设备燃用劣质煤的政策等原因，造成用煤企业大量燃用混煤［6］，因此选用不同煤种对3号锅炉NOx排放结果进行测量、分析。

燃烧器调整试验:锅炉燃煤方式共有3种。第一种为D、E、F磨煤机为褐煤，A、B、C 磨煤机为俄罗斯煤;第二种为 D、E、F磨煤机为烟煤，A、B、C 磨煤机为褐煤;第三种为6台磨煤机全部为烟煤。由于褐煤挥发分较高，因此磨制褐煤的磨煤机出口温度按50～60℃控制。磨制烟煤的磨煤机出口温度按70～80℃控制。选择了6种工况进行试验。除工况六以外，其它工况磨煤机旋转分离器全部为自动方式。工况六A、B、C磨煤机旋转分离器为自动方式，D、E、F磨煤机转速为75 r/min。二次风配风方式分为均等配风、上大下小的倒塔形配风、浓相风门开度较小、稀相较大的配风等。氧量和二次风大风箱总风门的调整:氧量为2.3%、2.1%、1.7%，二次风大风箱总风门开度为100%、45%、25%、10%。燃烧器摆角大(基本在40%左右)，过热器减温水投入自动，送风机风量根据氧量进行调整。燃烧器摆角和减温水主要根据汽温调整的需要进行调整，炉膛风箱差压由氧量和各二次风门开度进行确定。炉膛负压按－100 Pa左右进行控制。

下面是各主要工况试验数据:

工况一:A、B、C 磨煤机为俄罗斯煤，D、E、F磨煤机为褐煤，氧量2.7%，大风箱总风门25%，燃料风门开度在30%，辅助风门开度在40%左右。两侧NOx浓度可以降低到320 mg/Nm3左右。

工况二:A、B、C 磨煤机为褐煤，D、E、F磨煤机为俄罗斯煤，氧量2.9%，大风箱总风门25%，燃料风门开度在20%，辅助风门开度为30%～50%。两侧NOx浓度可以降低到310 mg/Nm3左右。

工况三:A、B 磨煤机为俄罗斯煤，C、D、E、F磨煤机为褐煤，氧量3.2%，大风箱总风门10%，燃料风门开度在20%，辅助风门开度为40%～60%。两侧NOx浓度可以降低到270 mg/Nm3左右。

工况四:A、B、C 磨煤机为褐煤，D、E、F磨煤机为烟煤，氧量2.7%，大风箱总风门10%，燃料风门开度在20%，辅助风门开度为50%～60%。两侧NOx浓度可以降低到310 mg/Nm3左右。

工况五:A、B、C 磨煤机为褐煤，D、E、F磨煤机为烟煤，氧量1.7%，大风箱总风门10%，燃料风门开度在20%，辅助风门开度为50%～60%。两侧NOx浓度可以降低到270 mg/Nm3左右。

工况六:A、B 磨煤机为俄罗斯煤，C、D、E、F磨煤机为褐煤，氧量2.3%，大风箱总风门10%，燃料风门开度在20%，辅助风门开度为50%～60%。两侧NOx浓度可以降低到240 mg/Nm3左右。

可见，调整前两侧NOx浓度基本在410 mg/Nm3左右，经过对氧量和二次风大风箱总风门、二次风各风门的调整，各煤种下两侧NOx浓度可以降低到270 mg/Nm3左右。各二次风门开度对NOx浓度的影响不大，对NOx排放浓度影响较大的主要是二次风大风箱总风门开度和氧量。

磨煤机在给煤量45～48 t/h时，分离器转速分别在 0、54、61、65、75 r/min 转速下，进行试验。煤粉细度、单耗与分离器转速关系曲线如图1所示。

图1 磨煤机给煤量45～48 t/h时煤粉细度、单耗与分离器转速关系曲线

从图1可以看出，随着分离器转速的升高，煤粉细度R90有下降趋势，转速从0升至75 r/min，R90从30.84%逐渐降至20.33%，单耗从5.78 kW·h/t升至5.95 kW·h/t，但在54 r/min时单耗较低，单耗为5.88 kW·h/t，R90为26.88%，运行状态较理想。

磨煤机分离器转速维持在54 r/min时，给煤量取40 t/h、45 t/h、48 t/h，煤粉细度、单耗与给煤量关系曲线如图2所示。

图2 磨煤机在分离器转速54 r/min时煤粉细度、单耗与给煤量关系曲线

从图2可以看出，在同一分离器转速下，随着给煤量增加，磨煤机单耗逐渐增大，煤粉细度R90逐渐减小，单耗从5.82 kW·h/h逐渐增至5.92 kW·h/h，R90从30.11%降至26.32%。

在磨煤机磨制常规煤种的工况下，绘出不同给煤量下分离器转速与煤粉细度的关系特性曲线，以及在同一给煤量下不同转速与煤粉细度的关系曲线。通过对磨煤机分离器的性能试验，综合考虑煤粉细度与单耗，确定了磨煤机分离器的最佳运行曲线。

4 改造实施后设备的运行状况及出现的问题

哈三电厂3号机组于2011年10月28日整体启动，燃烧器正常投入运行，由于项目设计中没能充分考虑原有密封风系统状况，致使密封风压力不能满足磨煤机旋转分离器运行，磨煤机旋转分离器暂时采取紧固密封的措施没有投入运行。密封风系统改造于2011年底完成，磨煤机旋转分离器投入运行，设备运行正常，投运后热试组对各台磨煤机的旋转分离器分别进行了调整试验。磨煤机旋转分离器总体上达到了设计要求，煤粉均匀性较好，旋转分离器动态特性可以满足磨煤机对煤粉细度调整的需要，目前各磨煤机旋转分离器均为自动方式运行。汽温等运行参数和NOx排放浓度基本满足设计要求。燃烧器摆角对汽温的调节作用很明显，通过调整燃尽风门和二次风大风箱总风门、控制氧量可以达到降低NOx排放浓度的作用［7］，如表3所示。

表3 大风箱总风门开度与NOx排放浓度关系

设备改造后出现的问题及解决措施如下:

1)磨煤机在运行过程中，旋转分离器减速箱上盖存在局部漏油问题，经过对减速箱上盖密封面进行重新密封，解决了局部漏油问题。

2)锅炉使用煤质恶劣，造成磨煤机旋转分离器内部中心筒、混合室、动叶出口边缘、出口位置管段磨损严重，导致密封间隙逐渐扩大，密封风压力下降。在锅炉临检时对上述部位加装耐磨陶瓷强制防磨措施，解决了密封间隙扩大问题。

5 结论

1)哈三电厂3号锅炉炉内脱硝改造后，经过试验调整，磨煤机旋转分离器达到了设计要求，煤粉均匀性较好，旋转分离器动态特性可以满足磨煤机对煤粉细度调整的需要，磨煤机旋转分离器实现了自动方式运行。

2)燃烧器改造有利于汽温等运行参数的调整和NOx排放浓度的降低，满足了设计要求。燃烧器摆角对汽温的调节作用很明显，调整燃尽风门、二次风大风箱总风门和控制氧量可以降低NOx排放浓度。

3)NOx排放浓度降低300 mg/Nm3左右，锅炉效率没有降低(与改造前相比)，本次炉内脱硝改造基本达到了预期的效果。

［1］GB13223－2011，火电厂大气污染物排放标准［S］.

［2］张成恩.分级燃烧技术的应用［J］.锅炉技术，1998(6).

［3］安恩科，于娟.低NOx燃烧器与常规直流煤粉燃烧器的NOx生成特性的研究［J］.动力工程，2006(6).

［4］范从振，锅炉原理［M］.北京:水利电力出版社，1986.

［5］杜利梅，闫承先，刘珊伯.600 MW四角切圆锅炉低NOx燃烧器改造试验研究［J］.黑龙江电力，2012(5).

［6］姚强，岑可法，施正伦，等.多煤种配煤特性的试验研究［J］.动力工程，1997，17(2):16 －20.

［7］李永华，李松庚，冯兆兴，等.褐煤及其混煤燃烧NOx生成的试验研究［J］.中国电机工程学报，2001，21(8):34 －37.