500t/h塔式炉低氮燃烧器改造效果分析

吴宝海

国电吉林热电厂 吉林 吉林 132021

0 引言

国电吉林热电厂(以下简称吉热厂)10号炉为俄罗斯西伯利亚动力机械制造有限公司生产的型号为E-500-13.8-560КΤ 锅炉。锅炉采用超高压参数膜式水冷壁、单汽包自然循环、固态排渣、中间储仓式制粉系统、四台钢球磨煤机、乏气送粉塔式炉。该塔式炉原配有12台直流水平浓淡燃烧器和两台等离子点火燃烧器,燃烧器采用二次风口包裹一次风喷口周界风型式,12台直流水平浓淡燃烧器分两层布置,每层各6个、呈正切布置在炉膛水冷壁上,按燃烧器轴线煤粉气流形成直径为1200mm 切圆；其中在下层NO.1和NO.4号燃烧器下部各布置一台等离子点火燃烧器,称为NO.13和NO.14号燃烧器,用于锅炉点火和稳燃。1、2号制粉系统共用1号煤粉仓,3、4号制粉系统共用2号煤粉仓,其中1号制粉系统对应上层NO.7、NO.9、NO.11号燃烧器,4号制粉系统对应上层NO.8、NO.10、NO.12号燃烧器,2号制粉系统对应下层NO.1、NO.3、NO.5、NO.13号燃烧器,3号制粉系统对应下层NO.2、NO.4、NO.6、NO.14号燃烧器。2015年7月10号炉首次改造是将锅炉原12只直流水平浓淡燃烧器改为直流低NOx浓淡燃烧器,并在距最上层一次风燃烧器中心线3750mm 处两侧墙各布置2组SOFA 燃烧器,原锅炉燃烧器布置参见图1,2015年燃烧器改造前后对比图见图2。10号炉燃烧器改造投产后,SCR 入口烟气NOx浓度达不到设计值450mg/Nm3,SCR 入口NOx浓度超过原设计值450 mg/Nm3的时段较多,实际运行SCR 入口浓度基本可控制在700 mg/Nm3以内。经分析,SCR 入口烟气NOx浓度超过设计值的情况主要原因为锅炉燃烧器低氮改造效果不佳所致。因SCR 入口NOx浓度基数较高,为响应国家“节能减排”号召,吉热厂决定对10 号炉进行低NOx 燃烧系统二次改造,为后续进行烟气超低排放改造创造条件。

图1 原锅炉燃烧器平面布置图

1 吉热厂10号炉燃烧器二次改造整体布置说明

本次改造更换原燃烧器一次风、二次风和燃烬风组件,改造后的直流煤粉低氮燃烧器采用均等配风型式,一次风喷口采用上下浓淡组合方式,一次风率与原设计参数基本一致,对二次风喷口面积进行缩减,每个角二次风联箱采用两端同时供风设计。

1.1 燃烧器平面布置 在水平断面上,AA 二次风、一次风、BB二次风射流在炉内形成φ800的顺时针切圆,AB 二次风射流与一次风射流偏置4°,具有防结渣及降低烟气NOx 排放功能。改造后锅炉燃烧器平面布置参见图3。

1.2 燃烧器纵向布置 主燃烧器由下至上依次为AA 层二次风、A层一次风、AB层二次风、B层一次风、BB 层二次风(加装贴壁风),并将A层NO.1和NO.4燃烧器更换为等离子点火燃烧器,取消原NO.1和NO.4燃烧器下部的NO.13和NO.14号等离子燃烧器,在粉仓内部对NO.13、NO.14号小粉斗进行封堵；A 层一次风标高不变,B 层一次风标高下移1150 mm；一次风采用浓淡形式的射流形式,一次风喷口加装周界风和波纹形稳燃顿体,波纹形稳燃顿体后缩10mm,加大烟气回流量；在主燃烧器上部四角、距B层一次风标高4649mm 处加装三层燃烬风,燃烬风喷口采取垂直水平摆动形式,垂直摆动采取远端控制形式,水平摆动为就地手动。主燃烧器布置在前后墙及侧墙,燃烬风均布置角区,2017年燃烧器改造前后对比图见图4。

图2 燃烧器改造前后纵向对比图

图3 改造后锅炉燃烧器平面布置图

图4 燃烧器改造前后纵向对比图

1.3 改造后的10号炉燃烧器布置分析 A 层一次风标高不变、B层一次风标高下移1150 mm、在主燃烧器上部四角并距上一次风标高4649mm 处加装三层燃烬风、均等配风的二次风喷口面积进行缩减、假想切圆缩减至800mm、一次风喷口周围设置周界风的燃烧器改造设计,即构建出高度和截面空间尺度优化,又使煤粉在改造后主燃烧区处于低氧燃烧状态,同时也构建出足够高度的NOx还原空间和煤粉燃烬空间,完成了煤粉燃烧过程尺度优化,符合双尺度低氮燃烧器技术理念。

2 吉热厂10号炉燃烧器采用双尺度低氮技术改造优点分析

2.1 烟气NOx浓度降低明显 双尺度燃烧器构建改造目的之一是降低烟气NOx浓度,改造后实测烟气NOx 浓度数据见表1,可知烟气NOx浓度降低明显,达到了改造预期目标。

表1 10号炉改造后实测烟气NOx浓度

2.2 改造后锅炉燃烧稳定性增强

2.2.1 A 层一次风喷口标高不变,B 层一次风喷口标高下移1150 mm,一次风喷口布置集中,煤粉着火集中,增强了锅炉燃烧稳定性；

2.2.2 本次改造将一次风管和燃烧器喷口设计为无变径的一个喷口,改变了原燃烧器一个一次风管在燃烧器喷口前变径分成上下两个喷口而造成的一次风沿程阻力大、使给粉机落粉管与一次风管接口处处于微正压状态、给粉机落粉阻力增加、导致给粉机下粉不畅、锅炉燃烧稳定性不强、主汽压力变化频繁的缺点,使改造后的燃烧器一次风沿程阻力减小,在给粉机落粉管与一次风管接口处形成负压状态,促进给粉机下粉顺畅,锅炉燃烧稳定性得到了很好的改变；

2.2.3 一次风喷口加装周界风和波纹形稳燃顿体,波纹形稳燃顿体后缩10mm,加大烟气回流量,高温烟气回流促进一次风携带的煤粉升高到着火温度时间缩短,强化了煤粉燃烧过程。

2.3 锅炉受热面结焦风险降低 改造后双尺度低氮燃烧器主燃烧区煤粉低氧不完全燃烧,使炉膛整体温度相应降低,间接促进了受热面结焦风险的降低,炉膛温度实测见表2；在主燃烧器BB层二次风布置贴壁风喷口,缺氧燃烧时向水冷壁表面补充适量的空气,也具有防结渣防腐蚀功能。

表2 10号炉改造后实测炉膛温度

3 吉热厂10号炉燃烧器采用双尺度低氮技术改造存在的问题分析及改进建议

3.1 锅炉采用等离子点火升温升压难度增加。本次10号炉燃烧器改造后首次点火(锅炉点火前已投入蒸汽推动11小时,汽包壁温已加热到110℃左右)至达到汽机冲转条件历时6小时,比本次燃烧器改造前多3小时左右,分析主要原因如下:

原NO.13和NO.14号等离子点火燃烧器布置在NO.1和NO.4号燃烧器下部,由2、3号排粉机带出,用NO.13、NO.14号等离子点火燃烧器点火升温1.5小时后即可顺利将NO.1或NO.4号燃烧器煤粉引燃,然后利用NO.13和NO.1号燃烧器引燃NO.6号燃烧器煤粉,用NO.14和NO.4号燃烧器引燃NO.3号燃烧器煤粉,相当于用2个燃烧器去引燃相邻燃烧器煤粉,易实现且安全性较高。而本次10号炉燃烧器改造为构建出双尺度高度空间,取消了原NO.13和NO.14号等离子点火燃烧器,在NO.1和NO.4号燃烧器安装等离子点火器,在点火升温1.5--4小时多次尝试用NO.1号和NO.4等离子点火燃烧器分别引燃NO.6号和NO.3号燃烧器煤粉均未成功,最后尝试启动4号排粉机,用NO.4号等离子点火燃烧器引燃NO.10号燃烧器煤粉成功,但锅炉燃烧稳定性变差(因点火初期进入炉内冷风增多),未燃烬煤粉增多,锅炉爆燃或尾部受热面再燃烧风险增加。建议将NO.2和NO.5号燃烧器改造成等离子点火燃烧器,这样一台炉有四台等离子点火燃烧器,即可实现锅炉冷态点火顺利升温、升压,同时也能提高锅炉冷态点火安全性。

3.2 煤粉未完全燃烧损失增大1.5%左右。分析原因之一为双尺度低氮燃烧器设计理念为主燃区低氧燃烧、煤粉燃烧过程延长、整体炉温降低等为其主要技术特点,而这些特点均不利于煤粉完全燃烧,导致飞灰可燃物含量增大；原因之二为设计人员过于强化降低煤粉燃烧过程生成NOx量,将二次风喷口面积缩减稍多、主燃区供氧不足所致。解决措施是进行煤粉细度校核对比试验,适当降低煤粉细度,并做好制粉系统爆破风险和受热面结焦风险评估,选取安全经济煤粉细度。煤粉细度降低利于煤粉燃烬,降低不完全燃烧损失,提升锅炉效率。

3.3 主汽温度降低10--15℃。分析原因为A 层一次风喷口标高不变,B层一次风喷口标高下移1150 mm,一次风喷口布置集中,煤粉着火集中,锅炉燃烧稳定性增强等综合因素使炉膛火焰中心降低所致。建议尝试在锅炉燃烧稳定的条件下做进一步降低主燃烧区氧量试验,目的是推迟煤粉燃烧、提升火焰中心和主汽温度,同时综合对比观察锅炉燃烧稳定性、主汽温度升高幅度、飞灰可燃物变化和受热面结焦情况。

3.4 相同负荷和炉膛出口氧量相近时送风机电耗增大0.30k W.h/t左右。分析原因为设计人员为强化降低煤粉燃烧过程生成NOx量,将二次风喷口面积缩减稍多；同时二次风联箱采用两端同时供风设计,导致送风流通风阻增大所致。建议在后续改造中优化二次风喷口面积缩减量与降低烟气NOx浓度关系,二次风联箱采用单侧供风设计,将有利于减低送风机电耗。

4 结束语

综上,通过对国电吉林热电厂10号炉燃烧器采用双尺度低氮技术改造存在的优缺点进行分析,得出该型号500t/h锅炉还存在继续优化改造可行性,希望能为该型号的500t/h锅炉继续优化改进提供技术改进方向。