600MW机组锅炉低NOx工业试验研究

王鹏

【摘 要】为解决某电厂4号锅炉氮氧化物排放过高，采用哈尔滨工业大学低氮燃烧技术进行了改造，锅炉改造后采用中心给粉旋流燃烧器，并在炉膛上部布置两级燃尽风装置。改造后，在机组锅炉500M W负荷下进行了燃烧调整试验，得出了500M W负荷下最佳运行方式。试验表明，随着燃尽风风门挡板开度的减小和燃烧器二次风门挡板开度的增加，主燃区炉膛烟气温度升高，飞灰可燃物含量稍微减少，减温水量减少，但是空预器出口氮氧化物排放量增加。

【关键词】低N Ox燃烧技术改造；中心给粉旋流燃烧器；燃烧调整试验；燃尽风；低N Ox排放

Abstract：In order to solve the high N Ox em issions of N o. 4 boiler in a pow er plant， the low N Ox com bustion technology of Harbin Institute of Technology w as adopted to retrofit the boiler. After retrofitted， the boiler w as retrofitted w ith centrally fuel rich sw irl coal com bustion burners and tw o levels of O FA technology. After retrofitted， com bustion m odify experim ents w ere perform ed at a load of 500M W and an optim um operation condition w as got. The results show that， as the over fire air dam per opening decreasing and the secondary air dam per opening of the burners increasing， the flue gas tem perature in the prim ary com bustion zone increases， and the unburned carbon content in the fly ash and attem peration w ater decrease， but the N Ox em issions increases.

Key w ords：Boiler retrofitting； Centrally fuel rich sw irl burner； Com bustion m odify experim ents； over fire air； Low N Ox em ission

0 前言

內蒙古某电厂#4炉为北京巴威公司设计生产制造的B&WB—2028/17.5- M型煤粉锅炉。为了满足国家越来越高的环保要求[1]，解决该锅炉NOx排放过高的问题，在对我国先进的低NOx燃烧技术考察调研后，选择了哈尔滨工业大学中心给粉旋流低NOx燃烧技术进行改造[2- 4]。

在实际锅炉运行中，针对机组锅炉负荷较长时间在500MW负荷段运行，迫切需要获得一种兼顾经济与环保的运行方式。本文针对这一实际问题，在改造后，在机组锅炉500MW负荷条件下进行了燃烧调整试验。

1 锅炉设备概况、存在问题及改造方案

1.1 锅炉改造前概况

内蒙某发电厂二期（2×600MW）工程锅炉为北京B&W公司按美国B&W的RBC系列锅炉技术标准，结合本工程燃用的煤质特性和自然条件，进行性能结构优化设计的亚临界参数RBC锅炉。锅炉为一次再热，单炉膛平衡通风，自然循环，单锅筒锅炉。尾部设置分烟道，采用烟气分流挡板调节再热器出口汽温。锅炉本体采用紧身封闭布置，固态连续排渣。在尾部竖井下设置两台三分仓容克式空气预热器。

锅炉采用墙式对冲燃烧方式，采用36只EI- XCL低NOx双调风旋流燃烧器[5，6]，燃烧器示意图见图1。燃烧器呈前后墙布置、对冲燃烧。其中，前墙最下层6只燃烧器已安装等离子体点火装置。

锅炉采用中速磨正压直吹式制粉系统，每台炉配6台MPSZGM123G型磨煤机（正常运行投运5台磨煤机，一台备用。设计煤种为为准格尔烟煤，煤粉细度R90=22%。

1.2 锅炉运行中存在的问题

锅炉自投运以来，锅炉效率达到保证值，取得了很好的经济性，但是炉膛出口处NOx排放量高达600mg/m3左右，远高于国家环保要求。必须进行低氮氧化物技术改造。

1.3锅炉燃烧系统改造方案

根据机组锅炉燃烧系统的结构、布置特点，以及降低示范工程项目技术风险的要求，本次低NOx燃烧器技术改造的内容分为两个主要部分：首先，在前、后墙上增设燃尽风喷口，并为其配备风箱、风道、风量调节装置等；其次，将除前墙下层等离子体点火燃烧器外的30只EI- XCL型煤粉燃烧器整体更换为中心给粉旋流燃烧器，中心给粉旋流燃烧器结构示意图如图2所示。

中心给粉旋流低NOx燃烧器的改造方案为：将除去前墙6只（此六只为改为等离子体旋流煤粉燃烧器）外，其它5台磨对应的30只EI- XCL型燃烧器整体更换为中心给粉旋流燃烧器。其主要接口设计与原EI- XCL燃烧器保持一致，燃烧器数量、布置位置及旋转方向均保持不变，燃烧器喷口与水冷壁开孔的密封方式不变，不改动现有水冷壁。

在炉膛上部前、后墙一定标高处开设旋流燃尽风（OFA）喷口，用来进一步降低排烟中NOx的含量。在原主燃烧器上方增加对应旋流燃尽风（OFA）风箱，并增加相应的分风道，燃尽风道上加装膨胀节，并均设有恒力弹簧吊挂。同时在前、后墙风道设有风道挡板及其执行机构，由电动执行器远程操控，并在前、后墙风道布置风量测量装置，通过在线检测操控风道流量。由于对旋流燃尽风（OFA）喷口区域的水冷壁进行改造（如果旋流燃尽风喷口安装位置与原炉膛吹灰器位置冲突，则适当调整或者取消炉膛吹灰器），并根据现场管道、钢架安装位置对燃尽风道进行适当调整。

根据锅炉的燃烧器的结构特点，将前墙最下层6台煤粉燃烧器改造为兼有等离子点火及稳燃功能的燃烧器。改造后燃烧器火焰中心位置基本不变，原有的火焰检测设备能满足检测要求，不需要更换全套火焰检测设备。

2 热态试验研究

锅炉采用空气分级技术改造后，可以有效地降低氮氧化物排放。如果配风不合理，很容易造成燃烧恶化，煤粉燃尽差，导致炉膛火焰中心上移，造成飞灰可燃物含量增加和排烟温度升高，同时还会增加锅炉过热器和再热器减温水量，影响锅炉安全经济运行。

由于锅炉燃烧系统参数都是针对额定负荷设计的，这种现象在非额定负荷下尤其明显，这是由于低负荷时，燃尽风风量减少，风速降低，影响穿透深度，直接影响煤粉的燃尽率。针对电厂机组锅炉负荷在500MMW负荷段运行是大概率事件，对该负荷段下不同燃尽风挡板开度进行了试验研究。

在500MW负荷下，通过试验确定锅炉运行的燃烧器中心风挡板开度和最佳燃尽风风箱挡板开度，及燃尽风量和燃尽风布置方式对NOX的排放量和煤粉燃尽率的影响。

500MW负荷下，保持炉膛出口氧量为2.5%左右，其他运行参数保持不变。通过改变二次风门挡板开度及燃尽风风门挡板开度进行下面3个工况。

图3、图4和图5分别为改造后500MW负荷下工况1、工况2和工况3炉内烟气温度分布。从图中可以看出，不同工况在炉膛高度为17～33m燃烧器区域，炉膛烟气平均温度基本呈上升趋势，燃烧器区域温度较高，表明炉内燃料的燃烧状态稳定。在44～57m范围内，不同工况下炉膛烟气平均温度基本基本呈下降趋势，炉膛温度水平比较稳定。同时三种不同风门挡板开度可以发现，在44～57m范围内炉膛烟气平均温度相差不大，这也说明，不同燃尽风挡板开度运行工况下没有造成炉膛火焰中心上移。三种不同运行工况炉膛烟气平均温度最显著的差别位于炉膛高度为17～33m范围内，也就是主燃区，工况1炉膛烟气温度明显高于其他两个工况，工况2炉膛烟气温度稍微高于工况3。这说明，不同风门挡板开度对主燃区温度有明显的影响。

表1锅炉500MW负荷下不同风门挡板开度下减温水量对比。从表中可以看出，随着燃尽风风门挡板开度增加和燃烧器二次风门挡板开度减小，减温水量增加。各个工况下减温水量都低于200t/h，达到设计要求。

经测定#4炉在工况1、工况2及工况9的飞灰可燃物含量分别为1.76%、1.825%及1.875%； A、B两侧空气预热器出口的平均NOx排放量分别为342mg/m3、325mg/m3及249mg/m3（折算到O2=6%）。综合飞灰可燃物及氮氧化物排放，推荐按照工况3方式运行较为合适。

华北电科院对该机组锅炉脱硝改造进行了验收试验。锅炉进行改造后，锅炉能达到原有的最大出力，可以在600MW负荷下稳定运行。炉膛负压稳定，主蒸汽压力、主蒸汽温度能达到设计要求，过热器和再热器减温水与改造前基本相同；表2给出了改造后华北电力科学研究院验收结果。与改造前相比，各个负荷段空预器出口NOx排放质量浓度大幅下降，降幅均在40%以上。各个负荷段主要运行指标均达到合同要求。

3 结论

该机组锅炉采用哈尔滨工业大学低氮氧化物燃烧技术改造后，锅炉可在600MW额定负荷下稳定运行，炉膛负压稳定，主蒸汽压力、温度达到设计要求，各个负荷段氮氧化物排放量较改造前均大幅下降。通过热态试验，得出该机组锅炉在500MW负荷下的最佳运行方式。随着燃尽风风门挡板开度的减小和燃烧器二次风门挡板开度的增加，主燃区炉膛烟气温度升高，燃烧强度增强，飞灰可燃物含量稍微减少，减温水量减少，但是空預器氮氧化物排放量增加，综合考虑锅炉经济安全运行，同时考虑环保要求，建议该机组锅炉在500MW负荷时按照以下运行方式运行：未投运层燃烧器二次风风门挡板开度为10%，投运层燃烧器二次风风门挡板开度为55%，前墙下层燃尽风挡板开度为60%，其他燃尽风风门挡板开度均为100%。

参考文献：

[1]GB 13223- 2011， 燃煤电厂大气污染物排放标准[S].

[2]Chen Z， Li Z， Zhu Q， et al. Gas/particle flow and combustion characteristics and Nox emissions of a new swirl coal burner[J]. Energy， 2011， 36（2）： 709- 723.

[3]Chen Z， Li Z， Wang Z， et al. The influence of distance between adjacent rings on the gas/particle flow characteristics of a conical rings concentrator[J]. Energy， 2011， 36（5）： 2557- 2564.

[4]Chen Z， Li Z， Zhu Q， et al. Concentrator performance within a centrally fuel- rich primary air burner： Influence of multiple levels[J]. Energy， 2011， 36（7）： 4041- 4047.

[5]Fan S， Li Z， Yang X， et al. Influence of outer secondary- air vane angle on combustion characteristics and Nox emissions of a down- fired pulverized- coal 300MWe utility boiler[J]. Fuel， 2010， 89（7）： 1525- 1533.

[6]张雪，关海平，丁艳军，等. 旋流燃烧器稳定性建模及其优化控制方法[J]. 中国电机工程学报，2010，20：94- 99.