300 MW机组锅炉低氮燃烧技术改造与性能评价

闫晓燕

300 MW机组锅炉低氮燃烧技术改造与性能评价

闫晓燕

(太原钢铁（集团）有限公司规划发展部,山西太原030003)

为了保护环境，降低运行成本，太钢采用立体分级强稳燃、高效的水平浓缩煤粉燃烧技术对2号300 MW机组锅炉进行了低氮燃烧技术改造。改造后的试验及运行结果显示，炉内NOx排放量大幅下降，锅炉效率、飞灰中可燃物含量、CO排放等指标也有明显提高。

锅炉;低氮燃烧改造;NOx浓度;性能评价

1 前言

国家于2011年7月29日颁布了最新的火电厂排污标准：《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）用以取代（GB13223-2003），对火电发电企业大气污染物排放作出了更为严格的规定，要求自2014年7月1日起，现有火力发电锅炉及燃气轮机组NOx排放量执行100 mg/m3的排放标准。为了减少脱硝装置入口NOx含量，降低脱硝运行费用，低氮燃烧技术改造已逐渐成为火力发电企业改造的主导方向。在火力发电厂，实施燃烧控制技术和烟气脱硝技术相结合的综合防治措施将成为必然发展趋势。

2 氮氧化物的生成

燃烧过程中NOx的生成量与燃料的燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件有关。研究表明，在燃烧过程中，NOx生成的途径主要有3个，分别为热力型、燃料型和快速型。

(1)热力型NOx是空气中的氧气（O2）和氮气（N2）在高温环境下发生化学反应生成的NO和NO2的总和，随着反应温度的升高，NOx的生成速度按指数规律增加。当温度低于1000℃时，NOx的生成量很少，而当温度高于1400℃，NOx生成速度急剧增大。当温度达到1600℃以上时，热力型NOx占NOx生成总量的25%～30%。

(2)燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃烧过程中发生热分解，并进一步氧化而生成的，在此过程中，还存在NOx还原成N2的反应。在煤粉锅炉中，燃料型NOx约占NOx生成总量的75%～90%，它的生成和还原与反应过程中氧的浓度、燃烧温度及煤种的特性等密切相关。

(3)快速型NOx的生成是通过燃料在燃烧过程中产生的CH原子团撞击N2分子，生成HCN类化合物，再进一步氧化而生成的，这个反应很快，只需60 ms，所生成的NOx量与炉膛压力的0.5次方成正比，而与温度的关系不大。

3 太钢300 MW机组配套锅炉低氮燃烧技术改造

低氮燃烧器就是通过特殊设计的燃烧器结构调整风煤比例，尽可能地降低参与燃烧的氧气浓度，并适当降低着火区的温度，缩短气体在高温区的滞留时间，以达到最大限度抑制NOx生成的目的。太钢于2013年7月至9月期间对2#300 MW机组锅炉进行了低氮燃烧技术改造。

3.1 改造前状况

(1)锅炉状况

太钢300 MW机组锅炉为东方锅炉（集团）股份有限公司生产的亚临界、中间再热、燃煤自然循环汽包锅炉，型号为DG1080/17.4－Π4。燃烧设备为四角布置，切向燃烧，百叶窗式水平浓淡直流摆动式燃烧器，风、粉气流从炉膛四角喷进炉膛，喷口中心线与炉膛中心两个假想切圆相切，假想切圆直径分别为Φ772和Φ681。

燃烧器上一次风喷口中心到屏底距离为17.36 m，下一次风喷口中心到冷灰斗拐点距离为4.306 m。每角燃烧器共布置15层喷口，包括有6层一次风喷口，1层顶二次风(OFA)喷口，8层二次风喷口，(其中3层布置有燃油装置)。一次风喷口四周布置有偏置周界风，见图1。

燃烧器风箱被隔成15层风室，各层风室分别向对应的一次风喷口（周界风）、二次风喷口和顶二次风(OFA)喷口单独供风。各层风室之间的风量分配是通过调节各层风室入口处的风门挡板的开度来实现的。总体上仍为均等配风布置，无较大的还原区，低NOx措施有限。

(2)锅炉燃用煤质

锅炉燃用煤以太原西山煤为主，灰份约29%，挥发份约33%，发热量约1.2 MJ/kg，灰份高，挥发份和发热量低。

(3)NOx排放情况

在现有煤质运行情况下，在300 MW负荷内，脱硝装置(SCR)入口NOx浓度680～890 mg/m3(O2= 6%)左右，通过SCR脱硝处理，锅炉排放烟气NOx浓度控制在130 mg/m3左右，脱硝效率为85%，再提高脱硝效率，脱硝出口氨逃逸率则会升高，有造成空气预热器堵塞危险。

3.2 改造方案

根据锅炉运行现状及燃用煤质特点，确定采用立体分级强稳燃、高效的水平浓缩煤粉燃烧技术对锅炉进行改造，主要采用以下技术措施：

(1)采用分级送入的高位分离燃尽风系统，燃尽风喷口双向摆动，有效控制气温及其偏差。

在距离最上层一次风燃烧器（F层）大约5000 mm至7000 mm处，四角增设4层共16只燃尽风（SOFA）喷嘴，见图2。每个SOFA喷嘴均为摆动式喷嘴，可以垂直和水平方向摆动，水平方向可摆动± 10°，垂直上下摆动±15°，热态运行时可根据锅炉运行状况（燃尽、NOx排放、烟温偏差及过热器汽温偏差等）对燃尽喷口摆动角度进行适当调整，有效进行烟气消旋，减少炉膛出口烟温偏差，并保证过热器管壁壁温正常。各个燃尽风的供风风道均由各角二次风主风道引出，由单独燃尽风道向各燃尽风喷口供风，保证供风阻力小。

(2)采用水平浓淡风煤粉燃烧技术，并采用喷口强化燃烧措施，保证高效燃烧，降低飞灰可燃物含量。

将B层至F层的一次风燃烧器更换为水平浓淡分离燃烧器，喷口周围保留适当喷口面积的周界风，采用扳边方式推迟周界风向一次风内的混入。燃烧器内安装有高浓缩比百叶窗式煤粉浓缩器，一次风煤粉气流在流经百叶窗浓缩叶片后被分离，形成两股煤粉浓度不同的煤粉气流（见图3），其中高浓度煤粉气流，含一次风粉中大部分煤粉，位于向火侧，形成内切圆，另一股淡煤粉气流以空气为主，位于背火侧形成外切圆。浓一次风煤粉气流着火后，淡一次风煤粉气流逐渐混入，有利于煤粉粒的燃烬。淡一次风煤粉气流和侧二次风在背火侧喷入，在炉膛水冷壁附近形成氧化性气氛和较低的温度环境，可以防止结渣。

(3)采用高浓缩比、低阻力新一代煤粉浓缩技术，确保煤粉及时着火，加强燃尽效果。煤粉浓度的提高，可以降低着火点的温度，减少着火热，火焰传播速度加快，有利于稳燃。

(4)采用延迟混合型一、二次风以及带侧二次风的周界风喷口设计，确保氮氧化物浓度大幅降低。

对所有二次风喷嘴进行改造，风口全部采用收缩型结构，增加一、二次风喷口之间的间距，推迟一二次风的混合。

3.3 改造后的锅炉性能测评

在进行低氮燃烧技术改造过程中，不仅更换了原有的燃烧器，同时还增设了SOFA风喷口，改变了锅炉结构，势必对炉内空气动力场、燃烧状态及锅炉效率等产生影响，因此需要对改造后的锅炉性能进行综合测评，测评采用ASME PTC4.1-1998标准

(1)测算方法

燃烧产生的NOx质量浓度、CO体积分数的计算需将烟气中NOx、CO测量值折算为标准状态、O2体积分数为6%，干烟气的工况下，即：

式中：ρNOx：标准状态，6%氧体积分数、干烟气下NOx质量浓度，mg/m3；

VNO（μL/L）：实测干烟气中NO体积分数%；

VO2：实测干烟气中O2体积分数%；

0.95 ：经验数据（在NOx中，NO体积分数）；

2.05 ：从NO的体积分数到NOx的质量浓度的转换系数。

式中：VCO：标准状态，6%氧体积分数、干烟气下CO体积分数%；

V＇CO：实测干烟气中CO体积分数%；

VO2：实测干烟气中O2体积分数%。

η=100-（XΒ+LUC+LG+Lmf+LH+LmA+LR+Lun）

式中：η——锅炉热效率，%；

XΒ——辐射损失百分数，%；

LUC——未燃碳热损失，%；

LG——干烟气热损失，%；

Lmf——燃料水分热损失，%；

LH——氢生成的水的热损失，%；

LmA——空气中水分热损失，%；

LR——辐射和对流热损失，%；

Lun——不可测量热损失，%。

(2）性能评价

锅炉在满负荷（300 MW）运行状况下，SCR装置入口前NOx浓度低于350 mg/m3；CO排放不高于30 ppm；锅炉效率约92%；飞灰及灰渣中可燃物质量分数低于4.5%，上述指标均高过锅炉原设计值。

4 结束语

根据性能测试结果显示，太钢300 MW机组锅炉采用立体分级强稳燃、高效的水平浓缩煤粉燃烧技术进行改造后，各项指标良好，其中炉内NOx生成较改造前减少约60%，极大地减轻了SCR装置的运行压力，降低了锅炉运行成本，实现了经济效益和环境效益的双提高。

[1]戴成峰，应明等.600MW机组四角切圆燃烧锅炉低氮燃烧改造及其效果分析[J].中国电力，2012，45（4）：54-58

[2]刘永江，高正平，韩义等.燃烧机组低NOx燃烧技术现状与发展前景[J].内蒙古电力技术，201—29（5：94-97.）

Performance Evaluation and Technical Transformation of Low NOx Combustion of 300 MW Unit Boiler

Yan Xiaoyan
（Planning&Development Department of Taiyuan Iron and Steel(Group)Co.,Ltd.,Taiyuan，Shanxi 030003,China）

In order to protect environment and reduce operation cost of the boiler, Taiyuan Steel carried out low-NOx transformation to its No.2 300MW boiler unit adopting stereo-staged strengthened combustion-stabilizing and high-efficiency horizontal concentrated pulverized coal technology.Test and operation results after the transformation showed that NOx emissions from the furnace have greatly reduced and the boiler efficiency,combustible content in fly ash and CO emission index were all significantly improved.

boiler;low NOx technical transformation;NOx concentration;performance evaluation

TK229

B

1006-6764（2015）01-0037-04

∶2014-09-30

闫晓燕（1974－），女，大学本科学历，热能动力工程师，现在太原钢铁（集团）有限公司规划发展部从事能源管理工作。