600 MW四角切圆锅炉深度分级配风低NOx燃烧系统的改造分析

袁宏伟， 余岳溪, 李方勇

(1. 广东红海湾发电有限公司， 广东汕尾 516600; 2. 广东电网有限责任公司电力科学研究院， 广州 510080)



600 MW四角切圆锅炉深度分级配风低NOx燃烧系统的改造分析

袁宏伟1， 余岳溪2, 李方勇2

(1. 广东红海湾发电有限公司， 广东汕尾 516600; 2. 广东电网有限责任公司电力科学研究院， 广州 510080)

为研究深度分级配风低氮燃烧技术对锅炉环保性、经济性及安全性的影响，结合一台600 MW四角切圆锅炉改造实例，分析了对锅炉NOx减排、锅炉热效率、汽温及金属壁温的影响。结果表明：改造后NOx减排效果明显，锅炉热效率提高；但锅炉汽温上升，减温水投用增大，以及热负荷上移引起的受热面金属壁温上升，在300～600 MW负荷段容易导致过热器和再热器部分管壁超温。

锅炉； 燃烧器； 深度分级配风； 效率； 超温

深度分级配风及低氮燃烧技术，因其可以在现有燃烧器上进行改造，且改造成本低，因此是目前应用最广泛的低氮燃烧改造技术。通过将燃烧所需的空气分级送入炉内，降低锅炉主燃烧区的氧气浓度，使其过量空气系数小于1，使该区域的燃烧速度和温度水平相应降低，从而降低主燃烧区NOx的生成量；而完全燃烧所需的其余空气，则由主燃区的其他部位引入，与主燃烧区生成的烟气混合实现完全燃烧。这样，燃料的燃烧过程在炉内分级分阶段地来进行，从而控制燃烧过程中NOx的生成反应，降低锅炉NOx的排放浓度。这种深度分级配风的方法可将氮氧化物排放质量分数降低45%～60%[1-4]。张春华等[5]对300 MW切圆锅炉的低氮燃烧器改造进行了分析，通过改造，不仅NOx质量分数降低了30%，锅炉经济性也有所提高。高鹏等[6]对国华台山电厂600 MW机组锅炉的低氮燃烧器改造和中试试验研究表明，采用两段SOFA进行深度分级配风可降低NOx排放质量分数60%左右。另外，双尺度低氮燃烧技术在锦州热电厂的改造应用使得锅炉NOx排放质量浓度从700 mg/m3降低到了200 mg/m3[7]。

基于深度分级配风低氮燃烧系统的NOx减排原理，采用深度分级配风低氮燃烧系统改造之后，炉膛烟气侧的温度场分布将会发生较大变化，主要表现为主燃区温度降低，火焰中心上移[8-9]。而如果未对锅炉受热面进行改造，则锅炉工质侧的水动力学特性并未发生太大变化，因此，烟气侧温度场及流场的变化是否会与工质的水动力学特性相匹配，是值得关注的问题。如果两者不匹配，则会对锅炉的安全运行带来危害，比如受热面超温、锅炉结焦等。笔者以一台600 MW亚临界四角切圆锅炉的深度分级配风低氮燃烧系统改造为例，分析深度分级配风低氮燃烧系统对锅炉安全性的影响。

1 锅炉改造

1.1 设备概况

某厂1号锅炉为中间再热、强制循环、单炉膛、悬吊式燃煤锅炉。该锅炉设计煤种为神华煤，燃烧器四角布置，制粉系统配6台直吹式中速磨煤机。机组于2000年正式投入商业运行，其主要设计参数见表1，设计煤种煤质数据见表2。

表1 锅炉主要设计参数

表2 锅炉设计适用煤种参数

1.2 改造方案

为适应国家对NOx排放质量浓度限值的要求，该厂对锅炉进行了燃烧器改造，尽量降低锅炉出口的NOx排放浓度，以减轻SCR脱硝系统的NOx减排压力和降低成本，以实现NOx排放质量浓度满足标准规定的目标。该锅炉低氮燃烧器改造主要包含两个方面，分别为燃烧器改造和空气分级系统改造，与已有的中速直吹式制粉系统组成低氮燃烧器+空气深度分级燃烧系统的NOx减排系统。

燃烧器本体改造是将传统燃烧器改成PM低氮燃烧器(最底层燃烧器除外)，改造后的A-PM燃烧器具有较低NOx排放特性及良好的着火特性；配风系统的改造是将之前的配风系统进行深度分级。在原有燃烧器的燃尽风上部，每个角各增加了两层AA风门，即Lower AA与Upper AA，从而将助燃空气进行深度分级后送入炉膛，炉膛被分成的三个区域分别为：主燃区、NOx减排区及燃尽区，使燃料的燃烧过程沿炉膛轴向分级分阶段进行。改造后的性能指标见表3。

表3 深度分级配风低氮燃烧系统改造的性能保证值

2 改造分析

2.1 改造效果分析

低氮燃烧器及配风系统改造后，进行了锅炉NOx排放质量浓度及锅炉热效率的测试，试验结果见图1、图2。

图1 改造前后锅炉NOx排放质量浓度对比

图2 改造前后锅炉热效率对比

可以发现，燃烧器改造后，通过合适的燃烧器的摆角及配风设置，可以将NOx的排放质量浓度降低到性能保证值以下，尤其是在100%ECR时，锅炉NOx排放质量浓度仅为113 mg/m3，远远低于性能保证值(180 mg/m3)，与低氮燃烧器改造前的346 mg/m3相比，降低了67%。由此可见，该深度分级配风低氮燃烧系统的改造对锅炉的NOx减排效果相当明显。另外，改造后锅炉热效率较改造前相比有所提高，均能达到性能保证值。

2.2 改造带来的问题分析

2.2.1 对锅炉汽温的影响

锅炉的过、再热汽温是机组运行的重要参数，对机组的安全、经济运行至关重要。根据深度分级配风低NOx燃烧技术对NOx的减排原理，改造后将炉膛划分为主燃区、NOx减排区及燃尽区，主燃区温度降低及火焰中心上移将影响炉膛出口烟温及各受热面热负荷，进而改变锅炉的过、再热汽温特性。有学者研究了空气分级低NOx燃烧技术中SOFA风门开关对炉膛烟温的影响，结果表明：SOFA风门开工况相对于SOFA风门关工况，屏底烟温温升大于80 K，过热器减温水增加80 t/h左右[10]。

低氮燃烧器及配风系统引起的炉内温度场变化对炉膛出口烟温及汽温特性的影响可能会带来两方面的结果[10]：(1)分级配风改造后，煤粉燃烧推迟，炉膛火焰中心上移，引起炉膛出口烟温上升，导致过、再热汽温上升；(2)分级配风改造造成主燃区缺氧，对应区域温度有所下降，水冷壁的结渣情况得到改善，吸热增强，引起炉膛出口烟温下降，锅炉的过热汽温、再热汽温下降。

哪个因素的影响占主导地位取决于锅炉的设计情况。而根据该锅炉实际运行情况观察，锅炉进行低氮燃烧器及配风改造前后水冷壁的结焦情况良好，因此，影响锅炉汽温的因素主要是第一方面。改造前后锅炉主汽温、再热汽温的变化见图3、图4。

图3 改造前后锅炉主汽温的变化

图4 改造前后锅炉再热汽温的变化

可以发现，进行深度分级配风低NOx燃烧系统改造后，在达到NOx的减排效果的情况下，锅炉主、再热汽温都比改造前有所提高。另外，在300～600 MW负荷段，在保证设计的主汽温、再热汽温时，改造后2号锅炉的主蒸汽、再热蒸汽的减温水投用量明显增多，如在负荷350 MW(50%ECR)和负荷525 MW(75%ECR)时，其中350 MW时过热器减温水投用量最高达94.5 t/h(一级减)和134.8 t/h(二级减)，而525 MW时过热器减温水投用量最高达87.8 t/h(一级减)和114.6 t/h(二级减)，可见减温水投用量相对较大。由此可见，低氮燃烧系统的改造，可能会引起锅炉汽温增加，减温水投用量加大。

2.2.2 对受热面金属壁温的影响

进行深度分级配风低氮燃烧器改造后，在300～600 MW负荷段，锅炉过热器及再热器金属壁温较改造之前同负荷段偏高，且部分金属壁温出现超温报警的情况，且在改造后机组运行一段时间后曾出现三次过热器爆管事故。

对于锅炉受热面的不同金属材料，如常见的T23、T22、T91及T92等，都有随着管内不同的工质压力对应的金属壁温报警值。正常情况下，当锅炉受热面的辐射或对流热负荷能通过金属管壁被管内工质吸收带走，金属管壁就会处于正常的运行状态，其壁温在正常范围内。当受热面热负荷过高，或工质不足以吸收、带走受热面辐射或对流热量时，就会出现金属管壁超温的情况。受热面金属管壁超温轻则影响机组的寿命，重则导致管壁爆裂，造成更严重的经济损失。

引起金属管壁超温的原因主要有：(1)烟气侧受热面热负荷过高；(2)管内工质流量不足；(3)金属管壁结焦。深度分级配风低氮燃烧器改造后，燃烧区域的变化导致了炉膛火焰中心的上移，炉膛出口及以后烟气侧热负荷有所提高。而锅炉受热面并未进行改造，在锅炉负荷一定的情况下，各受热面管内工质的水动力情况基本不变。而改造前后锅炉的炉膛结焦情况良好，因锅炉的结焦特性引起炉膛吸热量变化，导致炉膛出口烟温变化的影响因素较小。因此，锅炉炉膛出口及以后烟气侧增加的热负荷必然会导致汽温的上升，金属管壁温度也会随之上升。金属管壁温度变化是有一定限度的，如果受热面烟气侧热负荷过高，其热量不足以被管内工质吸收带走时，就可能会引起金属管壁的超温，更严重的则会导致受热面爆管。

由此可见，尽管燃烧器深度分级配风改造可以有效地降低NOx的排放浓度，提高锅炉热效率；但是由于分级配风改造改变了锅炉炉内烟气侧热负荷的分配情况，如果锅炉受热面不进行相应改造，可能会引起部分管屏超温，给机组运行带来安全隐患。

3 结语

结合某电厂600 MW亚临界锅炉的深度分级配风低氮燃烧系统改造实例，分析了深度分级配风低氮燃烧系统改造对锅炉NOx减排、锅炉热效率、汽温及金属壁温的影响，得出：

(1) 改造后锅炉NOx减排率达到67%，且锅炉热效率均有所提高，达到性能保证值。

(2) 改造也会引起锅炉汽温上升，减温水投用增大。

(3) 改造引起热负荷上移会带来受热面金属壁温上升，在300～600 MW负荷段，容易引起过热器、再热器部分管壁超温。

[1] 杨华. 大型电站锅炉氮氧化物排放控制措施的技术经济比较[D]. 杭州: 浙江大学, 2007.

[2] 张晓辉, 孙锐, 孙绍增, 等. 燃尽风与水平浓淡燃烧联用对NOx生成的影响[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(29): 56-61.

[3] 吕太, 闫晨帅, 刘维岐. 300 MW煤粉锅炉燃烧器优化改造数值模拟分析[J]. 热力发电, 2014, 43(7): 56-60, 65.

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[5] 张春华, 王士娇, 刘峰. 300 MW机组切圆燃烧锅炉低氮燃烧改造[J]. 热力发电, 2015, 44(3): 124-128.

[6] 高鹏, 高明, 张建文, 等. 600 MW机组锅炉低氮燃烧器改造试验研究[J]. 热力发电, 2013, 42(4): 43-46, 49.

[7] 赵晓军, 张宝红, 易智勇, 等. 双尺度低氮燃烧技术在锦州热电厂的应用[J]. 热力发电, 2013, 42(6): 69-71, 100.

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Retrofit and Analysis on Deep Air Staging Low NOxCombustion System of a 600 MW Tangentially-fired Boiler

Yuan Hongwei1, Yu Yuexi2, Li Fangyong2

(1. Guangdong Red Bay Generation Co., Ltd., Shanwei 516600, Guangdong Province, China; 2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, China)

To study the effect of deep air staging low NOxcombustion technology on the pollutant emission, economy and safety of a power plant boiler, based on the deep air staging low NOxcombustion retrofit practice for a 600 MW tangentially-fired boiler, the influence of the retrofit on the NOxemission, boiler efficiency, steam temperature and metallic wall temperature was analyzed. Results show that after retrofit, the NOxemission is greatly reduced and the boiler thermal efficiency is increased; however, the boiler steam temperature is increased simultaneously, which leads to the rise of desuperheating water consumption, and to the rise of metallic wall temperature caused by the moving up of heat load, where the tubes of superheater and reheater are easy to be overheated, especially in the load range of 300～600 MW.

boiler; burner; deep air staging; efficiency; overheating

2016-06-08；

2016-07-17

袁宏伟(1981—)，男，工程师，从事火力发电厂运行技术管理工作。E-mail: ffyy_1314forever@163.com

TK223.2

A

1671-086X(2017)03-0196-04