火电厂锅炉低氮燃烧改造及运行优化调整

敖光辉，曾红林，李军保，李小云

（贵溪发电有限责任公司，江西 贵溪 335400）

0 引言

随着国家环保政策的日趋严格，新颁布的《火电厂大气污染物排放标准》也在排放总量和排放浓度两方面提出更高的要求，新的排污收费制度的实施也对电厂形成了很大的经济压力，因此对锅炉进行低NOx改造己是势在必行[1-3]。目前，锅炉正常负荷范围内NOx排放浓度约420～600 mg/Nm3，故据国家环保最新政策的要求，贵溪发电有限责任公司对2×300 MW机组锅炉进行系统脱硝工程改造，工程改造主要分两部分：一是采用液氨法制备脱硝还原剂，选择性催化还原法（SCR）作为脱硝装置，二是对锅炉原有燃烧器进行更换低氮燃烧器。低氮燃烧器改造的目标：在BMCR负荷下，燃烧器改造后的NOx排放浓度不大于280 mg/Nm3，锅炉效率维持原设计值92.78%。

1 设备概述

贵溪发电有限责任公司2×300 MW机组锅炉为东方锅炉厂制造DG-1025/17.5-Ⅱ4型亚界参数、自然循环汽包炉，四角切圆燃烧、切向燃烧，百叶窗式水平浓淡直流摆动式燃烧器，每角燃烧器共布置13层喷口，包括有5层一次风喷口（其中B层内布置微油点火小油枪），1层顶二次风(OFA)喷口，7层二次风喷口(其中3层布置有油燃烧器)。一次风喷口四周布置有可调节偏置周界风。制粉系统采用中速磨冷一次风正压直吹式，每台锅炉配置5台中速磨煤机；独立密封风系统，5台磨煤机共用1台密封风机，配置两台三分仓容克式空气预热器。

2 锅炉改造方案

在不改变原有燃烧器状态布置形式及燃烧方式条件下，更换四层煤粉燃烧器（B层燃烧器带微油装置，未进行改造），燃烧器采用哈尔滨博深科技发展有限公司独特新型低氮燃烧器，其技术特点是：“分拉垂直亲和浓淡煤粉燃烧”立体分级低氮燃烧，及垂直煤粉超浓缩分离技术将同一股煤粉气流分离成上下布置的浓相和淡相两股射流，结合燃烧器顶部大间距布置顶部燃尽风，布置四层燃尽风燃烧器，提高燃尽风率。通过采用上述技术，从而达到实现降低NOx生成及排放的目的。按照炉膛尺寸的大小选取适当的燃烧器出口射流中心线同炉膛截面对角线的夹角△α，确定的燃烧出口射流中心线和水冷壁中心线的夹角分别为48.5°和44°，在炉膛中心形成逆时针旋向的两个直径稍不相同的假想切园。为了削弱炉膛出口烟气的旋转强度，减小四角燃烧引起的炉膛出口烟温偏差，在主燃烧器上方3.63 m处增设4层16只喷口的可水平上下摆动燃烬风（SOFA）燃烧器。燃烬风（SOFA）风室在正常运行时，被设计成反切，其目的就是要形成一个反向动量矩，来平衡主燃烧器的旋转动量矩，而达到减少炉膛出口烟温偏差，为更有效控制NOX排放量及锅炉效率，采用了较大的燃烬风率，燃尽风率设计为占锅炉总风量24%。燃烬风的风源取自于热二次风母管。AB侧热二次风母管各设置了一个可调总门。改造布置如图1所示。

图1 低氮燃烧器及燃尽风的布置

3 改造前试验结果

在改造前5号炉脱硝摸底试验中，锅炉的烟气NOx排放浓度约430~600 mg/m3（干基、标态、6%O2、5%NO2）。具体情况如见表1所示。

从以上数据可以看出：

1）在100%负荷工况附近，锅炉NOX排放浓度426~600 mg/m3（干基、标态、6%O2、5%NO2），通过调整工况可以看出，NOX排放浓度随着运行氧量的变化而变化；

2）在70%负荷附近工况下，锅炉NOX排放浓度约530 mg/m3左右；

3）在45%负荷附近工况下，锅炉NOX排放浓度约587 mg/m3左右。

4 改造后考核试验结果

改造结束后，在同一煤种下，对5号炉进行100%、75%和50%负荷下的考核试验，主要在三个负荷段进行变氧量、磨煤机运行方式组合变化、二次风配风方式的变化、四层燃尽风（SOFA风）、改变煤粉细度调整、变一次风压试验。试验结果在300 MW、225 MW负荷下折算到6%标氧下NOx浓度分别为251.38 mg/Nm3、224.01 mg/Nm3，低 于 SCR 入 口NOx浓度目标值280 mg/Nm3；在150 MW负荷下折算到6%标氧下NOx浓度为313.21 mg/Nm3，略高于目标值。试验数据见表2。

综合以上试验数据分析锅炉各负荷下热效率及NOX浓度值，低氮燃烧改造项目总体上比较成功，SCR入口NOX浓度折算值在100%及75%负荷下均能控制在较低水平，达到低于280 mg/Nm3的技术指标；锅炉热效率经过燃烧优化后得到大幅提高，300 MW负荷下修正后锅炉效率较改造前提高了0.73%，锅炉主要参数较改造前未发生明显变化，能达到设计值，燃烧器再低负荷时稳燃效果良好。但是主、再汽温、飞灰含碳量在锅炉工况发生变化时波动较大，主要原因是燃烧器改造后炉膛温度下降。

表2 5号炉改造后考核试验数据

5 运行优化调整试验及分析

低氮燃烧的基本原理，就是控制燃烧温度减少“热力”型NOX生成；减少燃料中氮与空气的氧的混合控制“燃料”型NOX生成。因此低氮燃烧器的改造后，煤粉的充分燃烧与减排NOX是相互制约矛盾的。5号炉改造后锅炉启动运行初期，基于降低NOx的机理和运行人员按改造前燃烧调整习惯，造成炉膛的飞灰含碳量较高，主汽温度及再热器温度偏低现象[4-5]。通过多项调整优化试验，得出通过合理燃烧调整方法能找到NOx排放值和锅炉效率较好的平衡点。

5.1 炉膛氧量调整试验

通过在三个工况的变氧量试验中，发现炉膛的氧量变化对锅炉NOX排放值影响很直接，从以上数据表可以看出NOX的生成量和炉膛氧量变化有明显正比关系，如图2所示。

图2 氧量和NOX关系

虽然运行氧量降低能够有效降低NOX的生成,然而却会导致飞灰含碳量和炉渣含碳量的增加，在调整试验中我们发现过大过低氧量对锅炉效率及NOX排放量都会很大的负面影响，如：在对5号炉调整试验时，针对主汽温度、再热器温度、飞灰值偏高，采取了提高炉膛氧量配风措施，但是效果不好，原因是炉膛过大的氧量造成炉膛温度下降。试验结论得出在正常运行中锅炉的氧量保持2.7%～3%，能同时满足NOx排放要求和保证锅炉效率。

5.2 燃尽风及其摆角调整试验

此次燃尽风改造方案是在主燃烧器上部3.63 m处布置四层可上下、左右摆动燃尽风燃烧器。通过多个工况的试验，得出燃尽风挡板调节原则是当锅炉负荷锅为50%MCR时由下往上开大最下层和次下层挡板直至全开；锅炉负荷为75%～100%MCR时再逐渐开最上面的两层挡板，燃尽风量控制在占总风量24%左右。试验时在保持锅炉总风量不变，随着负荷升高，按以上方法逐步开大燃尽风挡板，NOX排放值大幅下降，主、再热器温度有所上升，飞灰值逐渐降低。原因是开大四层燃尽风，相对减少了主燃烧器区的氧量，形成缺氧燃烧，上部燃烧强化，火焰上移，NOX生成量减少明显。

在对燃尽风（SOFA）摆角试验中，发现燃尽风摆角上下摆动对锅炉汽温及飞灰值影响没有主燃烧摆角影响大，但是燃尽风摆角向下倾时，NOX生成量明显上升。综合锅炉NOX排放值和锅炉效率考虑，（SOFA）燃尽风摆角尽量处于上倾高位，此状态炉膛两侧烟温及两侧汽温都未出现偏差现象。

5.3 制粉系统组合、负荷、煤质对NOX生成影响试验

煤粉挥发份和煤中氮的燃烧过程是一个不断氧化生成NOX和还原N2的过程，在燃烧稳定和工况稳定的条件下，生成和还原反应基本处于平衡状态，通过煤种变化试验，NOX生成和还原过程和挥发份和灰份比值有关，高挥发份、低灰份煤种NOX生成较低，因为挥发份高、灰份低相对煤种可燃成分比列高，热力型NOX生成量相对减少。综合燃烧稳定性、火焰中心位置、锅炉主要参数、NOX排放量对比配煤方式的要求是最下两层和最上层煤仓上高挥发份煤种最合适。

机组负荷变化对NOX生成影响，从NOX生成原理说随着锅炉负荷越高，炉膛温度升高，燃烧反应约剧烈，NOX生成的生产速率更快。但是通过试验发现在不同工况下，只要氧量控制合适，炉膛燃烧工况稳定后，热力型NOX生成量相对稳定变化很小。低氮燃烧器改造后随负荷升降，炉膛燃烧工况受此影响很大，锅炉汽温波动很大，尤其是再热汽温影响更大，负荷下降时，再热汽温短时下降很快，最大时达43℃/10 min，原则影响机组安全、经济运行，对于负荷升降过程中，锅炉汽温波动大，主要还是要从风烟系统调整及减温水提前量的控制进行优化，见图3。

制粉系统运行方式对NOX生成有较大的影响，在工况稳定时，五台磨煤机较四台、三台磨煤机运行时NOX生成值高，上层磨煤机运行较下层运行时高，最下层三台磨煤机运行时最低，但是此时锅炉汽温相对较低，隔层磨煤机运行方式较正常磨煤机运行时低。

图3 锅炉负荷与再热汽温曲线

5.4 二次风和周界风、一次风压风压调整试验

通过多个工况对比试验，进行了正宝塔、均等、缩腰、倒宝塔配风方式改变，发现正宝塔配风方式NOX生成量最低，但是各层二次风开度不能过大，综合锅炉效率、NOX排放量考虑下两层二次风开度最大不能超过60%开度，最上层二层二次风开度视飞灰含碳值及再热器温度可适当调整，但不能大于40%，各层周界风开度应保持在15%开度。二次风的组合方式对锅炉汽温、飞灰、NOx排放影响很大，实际运行中既要根据煤质的变化来进行调整，还要根据锅炉工况、制粉系统的组合方式来来进行摸索与总结。

5.5 锅炉煤粉细度的调整试验

5号炉更换低氮燃烧器后，由于炉膛低氧燃烧及运行调整的经验的不足，锅炉启动运行初期炉膛飞灰含碳量异常升高，飞灰含碳值一度由改造前2.3%上升改造后7.1%。针对低氮燃烧改造后锅炉效率与NOX排放存在对立矛盾性，对锅炉的煤粉细度进行调整，将煤粉细度R90平均值由改造前15%调整至8%，再后通过多工况优化燃烧调整，发现火焰中心下降，飞灰值下降至3%以下，NOX排放也有所下降。原因是细度的降低在分级燃烧的条件下燃烧加强，焦炭中氮的释放加快，促使对NOX的还原能力增强。煤粉细度下降导致制粉系统电耗增加约0.02%，由于燃烧效率强化，锅炉效率相对提高。

6 结论

1）低氮燃烧器改造后通过综合分析锅炉各负荷下热效率及NOX浓度值，5号炉A修低氮燃烧改造项目总体上比较成功。SCR入口NOX浓度折算值在100%及75%负荷下均能控制在较低水平，达到低于设计值280 mg/Nm3的技术指标；锅炉热效率经过燃烧优化后得到大幅提高，300 MW负荷下修正后锅炉效率较A修前提高了0.73%。在225 MW和150 MW工况下，锅炉热效率分别为93.70%和93.13%；修正后锅炉热效率分别为93.82%和93.28%。

2）NOX排放指标在150 MW负荷下折算到6%标氧下NOX浓度为313.21 mg/Nm3，略高于SCR入口NOX浓度设计值280 mg/Nm3。

3）在现有煤质下，通过多个工况优化燃烧调整，能够保证飞灰含碳量在设计值3%以下，这也是保证锅炉效率在改造后不降低的重要因素。

4）改造后锅炉汽温受机组负荷升降、炉膛燃烧工况变化影响很大，由于燃烧改造后炉内燃烧特性发生变化，改造前的习惯配风方式对NOX排放及锅炉汽温负面影响大，这要求运行人员在燃烧调整时严格按试验确定的低氮配风方式执行，任何负荷段都应控制氧量在2.5%～3.2%。

5）改造后锅炉汽温受炉膛工况变化波动很大，在炉膛工况稳定后需要较长时间汽温恢复正常。在调节汽温试验调整中主燃烧器摆角对汽温调节特性明显，燃尽风（SOFA）摆角对汽温影响不大。在控制汽温度主要方法是：尽可能保证锅炉燃烧工况稳定减少外界扰动，升降负荷时操作要缓慢平稳进行，在降负荷时，应提前降低风量，保证炉膛氧量在2.5%～3.2%范围，因为过高氧量会造成炉膛温度下降，燃烧减弱，汽温下降较快，其次就是在减负荷前提前减少减温水量。升负荷时视炉膛氧量变化趋势可先增加一定的煤量，再加风量。原则就是保证炉膛风量调整做到提前。

7 结束语

本文通过低氮燃烧器改造后锅炉优化运行调整，试验分析了氧量、燃尽风、制粉系统组合等对NOX生成及锅炉效率的影响，对这些影响所采取采取的一些优化调整方法，为今后低NOX燃烧器改造后的优化运行提供借鉴。

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