元宝山电厂600 MW褐煤锅炉燃烧器低氮改造及垂直浓淡煤粉燃烧技术研究与应用

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

0 引言

燃煤火电(煤电)是我国发电装机容量的主要组成部分，占到总发电量的70%左右，煤燃烧中会产生大量污染物质，如氮氧化物、硫氧化物和粉尘等。电力行业NOx排放量大于全国氮氧化物排放总量的50%以上，其主要源自于各种燃煤锅炉。火电厂排放的NOx一直未进行有效地控制，且目前排放总量在随火电机组容量的增加而增加。所以控制NOx的排放量已经成为电力工业发展所面临的一大课题[1-2]。

电站锅炉煤粉燃烧生成的氮氧化物主要分为热力氮、快速氮和燃料氮[3]，其中热力氮来源于空气中的氮，在一般的煤粉燃烧工况下，热力氮和快速氮占比较少，大部分属于燃料氮，而燃料氮来源于煤中的氮含量，因此对于煤粉燃烧，低氮燃烧主要是控制燃料氮[4-6]。电站锅炉采用低NOx燃烧技术是一项投入少 、见效快并且适合我国国情的控制NOx排放量有效措施，它包括低NOx燃烧器技术、炉内低过量空气系数运行、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术和烟气再循环技术等[7-8]，同时要综合考虑锅炉运行经济性、安全性与NOx脱除效率的最优结合。其中，空气分级和燃料分级低NOx燃烧技术即是将煤粉燃烧反应过程化学当量比控制在较低水平，并尽量降低煤粉火焰温度，可以形成较低温度、强还原性气氛的煤粉着火燃烧环境，有效减少煤中氮元素向NO转化率并降低热力型NO生成量[9]。

目前为了满足我国大气污染物排放严格的排放标准，实现超低排放，各种低氮燃烧技术在我国已经广泛采用，但其基本原理都是通过空气分级和燃料分级的方式，实践证明效果显著且技术可靠[10]。

1 改造前锅炉概况

1.1 锅炉概况

3号机组所配锅炉由哈尔滨锅炉厂设计制造，为HG-2008/18.2-HM3型亚临界压力一次中间再热控制循环、单炉膛、П型布置、平衡通风、固态排渣煤粉炉。炉膛截面尺寸为20.19 m(宽)×20.05 m(深)，炉膛容积25 950 m3，炉截面积热负荷15.8 MJ/m2·h，炉容积热负荷237.8 MJ/m3·h。上排煤粉喷口至屏底高度24.245 m。

1.2 燃烧器概况

锅炉采用四角布置的摆动式燃烧器，采用CE传统的大风箱结构，由隔板将大风箱分隔成若干个风室，在各风室的出口处布置数量不等的燃烧器喷嘴。

1.3 燃用煤质(见表1)

表1改造燃用煤质

名称及符号设计煤种校核煤种1校核煤种2工业分析收到基全水分 Mar/[%]25.2823.7020.76收到基灰分Aar/[%]26.3930.0025.60收到基挥发分Var/[%]21.1923.1523.17收到基低位发热量Qnet,ar/kJ·kg-113 20711 80014 682哈氏可磨系数 HGI57.66060元素分析收到基碳Car/[%]36.3032.6039.73收到基氢Har/[%]2.352.402.61收到基氧Oar/[%]8.519.99.28收到基氮Nar/[%]0.470.400.52收到基全硫St,ar/[%]0.71.001.5

2 垂直超浓淡风煤粉燃烧技术原理

2.1 高浓缩比浓淡风煤粉燃烧技术原理

新一代的高浓缩比浓淡风煤粉燃烧技术，是在一次风管道内采用经过详细研究和优化的百叶窗式煤粉浓缩器，使煤粉气流在流经百叶窗时产生不同程度偏转，煤粉与气流惯性分离，经分流隔板后分别形成两股浓、淡煤粉气流，同时在背火侧布置有刚性强的偏置周界风喷口。这种布置方式不仅起到了稳燃和降低NOx生成的作用，同时还避免了形成还原性气氛，防止水冷壁高温腐蚀现象发生。浓煤粉具有着火温度低、火焰温度高的特点，保证了煤粉火焰的良好稳定性。

由于浓淡煤粉气流分别在远离煤粉燃烧化学当量比条件下燃烧，对于浓侧煤粉气流由于处于还原性气氛下燃烧，气流中氧含量小，煤粉挥发物中的含氮基团可将NO还原为N2，使NO产生量降低；对于淡侧煤粉气流，由于煤粉浓度较小，含氮基团析出量小，这样与氧反应生成NO的量较小，综合总体效应的结果，使浓淡分离后一次风产生NO排放量比普通型直流燃烧器少得多。采用垂直浓淡煤粉燃烧器后，可以有效改善着火阶段煤粉气流的供风，使煤粉在偏离化学当量比环境中着火，这样降低了NOx生成量，可以大幅度降低NOx排放水平。

2.2 炉内垂直空气分级降低NOx排放

空气分级燃烧是目前使用最为普遍的低NOx燃烧技术之一。空气分级燃烧的基本原理为：将燃烧所需的空气量分成两级送入炉膛，使主燃烧区内过量空气系数在0.8～0.92，燃料先在富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，延迟了燃烧过程，在还原性气氛中大量含氮基团与NOx反应，提高了NOx向N2的转化率，降低了NOx在这一区域的生成量。将燃烧所需其余空气通过布置在主燃烧器上方的燃尽风喷口(OFA)送入炉膛，在供入燃尽风以后，成为富氧燃烧区。此时空气量虽多，但因火焰温度低，且煤中析出的大部分含氮基团在主燃区已反应完成，最终NOx生成量不大，同时空气的供入使煤粉颗粒中剩余焦炭充分燃尽，保证煤粉的高燃烧效率，最终炉内垂直空气分级燃烧可使NOx生成量降低30%～40%。

空气垂直分级燃烧和浓淡燃烧技术相结合，使主燃烧器区还原性气氛得以强化，更有利于NO与还原性含N基团反应，提高NO还原率，可以更好的发挥浓淡燃烧技术降低NOx排放的性能；同时浓煤粉气流使煤粉气流着火提前，煤粉颗粒在高温燃烧区域提留时间增加，有利于保证煤颗粒中焦炭充分燃尽；保证了在主燃烧区虽然保持了燃烧总体过量空气系数小于1的还原性气氛，但在易出现结渣和高温腐蚀的炉膛近水冷壁区则为氧化性气氛，提高近壁区内灰颗粒的熔点，并有效减少近壁区烟气中腐蚀性气体的浓度，有利于防止炉膛结渣和水冷壁高温腐蚀。

研究表明，煤粉着火初期的挥发分析和燃烧出过程对消减整个NOx排放量至关重要，但挥发分析出和反应时间很短，大约只占煤粉颗粒在炉内整个停留时间的1/10，因此在着火初期减少供入的氧量形成强还原性气氛非常重要。采用高浓缩比浓淡燃烧方式，使煤粉初期挥发分析出阶段氧量大幅度减少，形成强还原性气氛，极大促进NOx还原为N2，且浓缩率越高降低NOx排放浓度的效果越好，因此高浓缩率的煤粉着火初期浓淡分离技术是低NOx燃烧技术的关键。

3 元宝山#3炉改造方案及改造效果

3.1 改造目标

(1)在300～600 MW工况下，锅炉省煤器出口(指尾部脱硝设备入口)的烟气NOx排放浓度值(指折算到过剩空气系数为1.4的条件下)：≤350 mg/Nm3，同时，CO≤100 ppm。锅炉效率不低于设计值。

(2)飞灰可燃物含量不高于改造前的运行值Cfh≤1%，大渣可燃物含量不高于改造前的运行值Cdz≤1%。

(3)改造后锅炉最低不投油稳燃负荷不高于改造前的锅炉设计值30%MCR。

(4)在锅炉BMCR负荷、额定负荷、75 %负荷，锅炉主蒸汽参数、再热蒸汽参数在保证受热面金属管壁不超温的前提下，能够达到设计值并稳定运行，左右两侧主再热汽温偏差<8℃。

(5)在锅炉额定负荷下，各级减温水流量在可调节的范围内：过热减温水≤120 t/h，再热减温水量基本不使用。

(6)锅炉额定负荷时修正后排烟温度不得高于设计值。

(7)改造后去除排烟温度对锅炉效率的影响，即将改造后实际排烟温度高于设计值对锅炉效率的影响部分去除后， 锅炉效率BMCR工况不得低于改造前设计值91.77%、ECR工况不得低于改造前设计值91.9%。

(8)额定负荷、75%额定负荷、50%额定负荷CO均≤100 ppm。

(9)燃烧器改造后应具有良好的煤种适应性，在常规燃煤范围内，保证锅炉不发生结焦和腐蚀现象。

3.2 改造方案

采用哈博深的“分拉垂直亲和浓淡煤粉燃烧技术”对元宝山发电厂#3锅炉进行改造，在原有燃烧系统的基础上，做如下改动：

(1)取消原有的燃尽风燃烧器，采用分级送入的高位分离燃尽风系统，重新布置四层燃尽风燃烧器，为了控制汽温及其偏差，燃尽风喷口设计成垂直方向和水平方向双向摆动；

(2)燃尽风系统采用独立风箱结构，直接由热二次风道上取出，利旧改造原来燃尽风风道，设置主燃尽风系统调节挡板门，保证燃尽风配送的流量控制和输送均等性；

(3)由于主燃烧器区喷口标高不变，喷口管屏不需要改造；

(4)一、二次风燃烧器重新设计布置，采用均等配风方式，保证还原时间和煤粉燃烬高度，确保NOx最大幅度减排；

(5)保持一、二次风原有的垂直摆动形式，使其能够有效的调节再热汽温和防止锅炉气温偏差过大；

(6)采用先进的垂直超浓淡风煤粉燃烧技术，并采用喷口强化燃烧措施，有效降低NOx排放，强化劣质煤的燃烧稳定性，保证高效燃烧，并拓宽燃料适应性，防止结渣和高温腐蚀；

(7)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，燃料适应性变宽；

(8)上下两组主燃烧器中部高温区二次风燃烧器喷口偏置，减少高温区结渣倾向；

(9)采用延迟混合型一、二次风以及周界风偏置的喷口设计，钝体+稳燃齿，确保NOx大幅度减排；

(10)采用一次风燃烧器高温耐磨浓淡燃烧技术，保证燃烧器的超长稳定运行周期；

(11)更换A层燃烧器为垂直浓淡煤粉燃烧器(哈博深专利技术)，等离子及微油点火系统利旧使用。对等离子风道加热室点火系统进行改造，保证低NOx排放的同时，节约大量燃油，满足节能环保的要求。

3.3 改造效果

3.3.1 技术分析

哈博深公司对元宝山#3锅炉进行低氮改造后，对其进行了冷、热态调试试验，现锅炉已安全稳定运行一年有余，NOx排放指标平均在270 mg/Nm3左右，锅炉效率不降低，各项指标都达到了保证值，完全实现了预期的改造目标。

3.3.2 改造效果

总体来说，经过低氮燃烧技术的改造，大幅度降低了NOx排放水平，在300 MW负荷下折算后省煤器出口NOx排放浓度为345.6 mg/Nm3；在450 MW负荷下，折算后省煤器出口NOx排放浓度为221.5 mg/Nm3；在600 MW负荷下，折算后省煤器出口NOx排放浓度为230 mg/Nm3。达到了预期的改造目的，取得了明显的环境效益。同时，减少了炉外脱销改造催化剂的投入，实现了经济效益(据计算：燃煤机组锅炉每降低NOx排放量100 mg/Nm3，可节约200～300万元的脱硝催化剂的费用)，获得了节能减排的综合效果。

表2锅炉热效率试验主要结果

序号项目300 MW450 MW600 MW1排烟温度/℃117.4124.71362空预器出口O2体积百分含量/[%]8.66.65.53空预器出口CO2体积百分含量/[%]10.8312.5913.564排烟中CO体积百分含量/[%]0005干烟气热损失/[%]6.6125.9455.5546总干灰渣中未燃烬碳的热损失/[%]0.2640.0820.1787入炉燃料中水分引起的热损失/[%]0.3360.3320.3108氢燃烧生成水分引起的热损失/[%]0.2940.3240.3459空气中水分引起的热损失/[%]0.0860.0910.11210生成一氧化碳造成的热损失/[%]0.0000.0000.00011辐射和对流热损失/[%]0.260.230.1812不可测量热损失/[%]0.350.350.3513实测锅炉效率(低位发热量)/[%]91.8092.6492.9714修正后排烟温度/℃128.2134.5141.715修正后干烟气热损失/[%]6.3065.6835.39316修正后入炉燃料中水分引起的热损失/[%]0.3400.3240.39117修正后氢燃烧生成水分引起的热损失/[%]0.2820.2690.32518修正后空气中水分引起的热损失/[%]0.1460.1330.12619修正后锅炉热效率(低位发热量)/[%]92.0392.9293.05

表3锅炉省煤器出口NOx、CO排放浓度主要数据及结果

序号名称300 MW450 MW600 MW1锅炉省煤器出口O2含量/[%]5.53.93.42锅炉省煤器出口CO含量/ppm0003锅炉省煤器出口NOx含量/ppm1751231324实测过量空气系数1.351.231.195规定过量空气系数1.41.41.46折算后NOx排放浓度/mg·Nm-3345.6221.5230

4 结论

实践表明，垂直超浓淡风煤粉燃烧技术能够减少着火初期供入的氧量以及强化还原性气氛，进而最终控制NOx的生成。结合空气分级燃烧技术，可以在保证锅炉运行及效率不受影响的情况下大幅降低锅炉NOx的排放。该新型燃烧器能够在燃烧系统小改动量的前提下，取得良好的改造效果。预计该技术在国内大容量机组改造及新建工程中有着非常广阔的应用前景。