侯益銘

(山西國(guó)際能源集團(tuán)有限公司，山西 太原 030002)

某電廠2臺(tái)100 MW機(jī)組鍋爐日常運(yùn)行中氮氧化物(NOx)排放量偏大，由于在爐膛上部?jī)H裝設(shè)SNCR脫硝噴氨裝置，無(wú)法滿(mǎn)足新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，因此進(jìn)行低氮燃燒器改造是必要的。降低爐膛出口NOx濃度，既減少氨水的消耗量，又降低脫硝成本。對(duì)于100 MW鍋爐低氮燃燒器改造，爐膛高度不足、成熟經(jīng)驗(yàn)較少，首次采用不同尺寸固定高度的撞擊式濃淡分離等技術(shù)，改造工程量小、費(fèi)用低、運(yùn)行調(diào)整簡(jiǎn)單。改造后，NOx排放指標(biāo)滿(mǎn)足國(guó)家不大于200 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)、干基、6%O2，以下同)的要求，減輕了水冷壁高溫腐蝕和結(jié)焦，減少了鍋爐受熱面吹灰次數(shù)。

1 設(shè)備概況

某電廠1號(hào)和2號(hào)100 MW機(jī)組鍋爐是北京巴威公司制造的B&WB-410/9.8M型單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、自然循環(huán)汽包爐。燃燒設(shè)備為四角布置，切向燃燒。每角燃燒器共布置8層噴口，包括有3層一次風(fēng)噴口，4層二次風(fēng)噴口，1層三次風(fēng)噴口，從下到上分別為Ⅱ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅰ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅱ-Ⅲ，排序?yàn)?-2-3-4-5-6-7-8。燃燒器最上層一次風(fēng)噴口中心線(xiàn)標(biāo)高14 585 mm，距離屏式過(guò)熱器下沿12 915 mm。

煤粉燃燒器設(shè)計(jì)一次風(fēng)速為29 m/s，二次風(fēng)速為43 m/s，三次風(fēng)速為30～37 m/s。燃燒器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 燃燒器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

為了滿(mǎn)足GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]新的NOx排放指標(biāo)，同時(shí)降低脫硝成本和解決氨逃逸造成的腐蝕、堵塞問(wèn)題，進(jìn)行爐內(nèi)低氮燃燒器改造降低爐膛出口NOx濃度是必要的。

雖然低氮燃燒器改造技術(shù)較為普遍和成熟，但100 MW小機(jī)組改造只采用鍋爐低氮燃燒器改造+SNCR脫硝技術(shù)滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求先例較少[2]。與大型機(jī)組相比，100 MW鍋爐爐膛高度不足，致使鍋爐的最上層燃燒器和屛式過(guò)熱器下沿的高度差嚴(yán)重不足。因此，該廠低氮燃燒器改造既沒(méi)有成功經(jīng)驗(yàn)參考，又沒(méi)有充裕的改造空間位置，改造難度很大。

2 低氮燃燒器改造

本次低氮燃燒器改造對(duì)燃燒器各參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)重新分配各燃燒器噴口風(fēng)率，得出一、二、三次風(fēng)以及燃盡風(fēng)噴口面積和設(shè)定出口風(fēng)速，見(jiàn)表2。

表2 核算后燃燒器數(shù)據(jù)

本次改造，增加燃盡風(fēng)噴口，燃盡風(fēng)率為11%，二次風(fēng)率相應(yīng)降低11%，一次風(fēng)率和三次風(fēng)率保持不變。

2.1 一次煤粉燃燒器改造

改造前，煤粉燃燒器布置如圖1所示。經(jīng)燃燒器噴入的煤粉與二次風(fēng)不能形成良好的風(fēng)包粉效果，使得水冷壁側(cè)的煤粉濃度比較高，容易造成水冷壁結(jié)焦，水冷壁側(cè)氧量不夠造成高溫腐蝕。同時(shí)生成的NOx濃度比較高。

圖1 煤粉燃燒器改造前布置圖

一次風(fēng)煤粉燃燒器改造采用固定高度撞擊式水平濃淡分離燃燒技術(shù)，利用撞擊塊使煤粉濃淡分離，濃側(cè)煤粉向著火焰中心，淡側(cè)煤粉向著水冷壁，同時(shí)在噴口水平中分面用隔板分離，使?jié)獾瓊?cè)分離明顯。為了使?jié)獾瓊?cè)的風(fēng)壓保持恒定，在隔板上設(shè)計(jì)一定數(shù)量的平衡孔。煤粉燃燒器改造后布置如圖2所示。

圖2 煤粉燃燒器改造后布置圖

由于每臺(tái)煤粉燃燒器一次風(fēng)道彎頭到鍋爐水冷壁之間的距離不等，距離較遠(yuǎn)的彎頭基本上失去了自身濃淡分離的作用。因此，根據(jù)各層、各角煤粉燃燒器入口一次風(fēng)道彎頭距水冷壁的距離和煤粉濃淡分離要求，計(jì)算撞擊塊插入風(fēng)道深度見(jiàn)表3。

表3 各臺(tái)煤粉燃燒器一次風(fēng)道內(nèi)撞擊塊插入深度計(jì)算結(jié)果 mm

2.2 燃盡風(fēng)改造

燃盡風(fēng)改造，在主燃燒器上方增設(shè)1組分離燃盡風(fēng)，分為2層噴嘴，噴口尺寸為400 mm×160 mm。噴口設(shè)計(jì)水平擺動(dòng)15°，可向右擺動(dòng)10°，向左擺動(dòng)5°，不能垂直擺動(dòng)。主燃燒器最上層一次風(fēng)噴口中心線(xiàn)標(biāo)高為14 585 mm，低位燃盡風(fēng)標(biāo)高為19 660 mm，高位燃盡風(fēng)標(biāo)高為20 510 mm，最上層燃盡風(fēng)噴口上沿標(biāo)高為20 585 mm，距離分隔屏下沿6 915 mm。

從鍋爐左右側(cè)二次風(fēng)主風(fēng)箱頂部各引接2個(gè)燃盡風(fēng)風(fēng)道，風(fēng)道截面尺寸500 mm×700 mm。每個(gè)燃盡風(fēng)道經(jīng)金屬膨脹節(jié)后一分為二，分上下2層為燃盡風(fēng)噴口配風(fēng)，2層燃盡風(fēng)道截面尺寸均為500 mm×350 mm。每個(gè)角上下2層燃盡風(fēng)共用1臺(tái)手動(dòng)擋板門(mén)，調(diào)節(jié)燃盡風(fēng)量。

割除燃盡風(fēng)噴口設(shè)計(jì)位置處水冷壁切角管，設(shè)計(jì)制作如圖3所示水冷套管。水冷套管、燃盡風(fēng)噴口安裝必須與主燃燒器中心線(xiàn)重合，確保爐內(nèi)假想切圓直徑600 mm。

圖3 水冷套管結(jié)構(gòu)圖

2.3 二次風(fēng)噴口改造

將從下往上數(shù)第2、3層二次風(fēng)右側(cè)加堵20%，第4層二次風(fēng)加堵50%，為了不影響大渣含碳量、二次風(fēng)箱壓力，底部第1層二次風(fēng)噴口不進(jìn)行改造，噴口截面積不變。二次風(fēng)噴口改造后，既保證了二次風(fēng)速，還形成了偏置二次風(fēng)的效果，防止煤粉沖刷水冷壁，避免水冷壁結(jié)焦及高溫腐蝕[3-4]。

3 改造效果

3.1 NOx排放

a.改造前后習(xí)慣運(yùn)行工況對(duì)比

2號(hào)機(jī)組80 MW與75 MW習(xí)慣運(yùn)行工況下，改造前NOx排放量分別為550 mg/Nm3和590 mg/Nm3，改造后NOx排放量分別為320 mg/Nm3和390 mg/Nm3，相對(duì)于改造前明顯降低。

b.燃盡風(fēng)擋板開(kāi)度、氧量對(duì)NOx生成的影響

在同一個(gè)負(fù)荷下，保持氧量基本不變，隨著燃盡風(fēng)擋板開(kāi)度從60%～100%增加，NOx生成量逐漸減少，但是開(kāi)度從80%～100%變化時(shí)，NOx生成量減少幅度變小。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，考慮二次風(fēng)箱壓力和煤粉的燃燒效果，綜合飛灰和大渣含碳量等一系列因素影響到鍋爐效率，燃盡風(fēng)開(kāi)度在70%時(shí)運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)。

在相同負(fù)荷下，固定燃盡風(fēng)擋板開(kāi)度，隨著氧量的降低，NOx生成量減少，但變化幅度較小。左側(cè)NOx濃度最高是390 mg/m3，最低是330 mg/m3，右側(cè)NOx濃度最高是380 mg/m3，最低是320 mg/m3。

3.2 安全性

低氮燃燒改造后，煤粉氣流經(jīng)燃燒器后形成水平濃淡分離，二次風(fēng)噴口加堵后，形成偏置二次風(fēng)效果，使?fàn)t膛中心欠氧燃燒，而水冷壁近壁處富氧燃燒，可大幅降低水冷壁近壁煙氣中強(qiáng)還原性氣體CO濃度，有效抑制H2S和HCl等酸性腐蝕性氣體生成[5]。以2號(hào)爐為例，當(dāng)燃用高硫分、低熔點(diǎn)煤種時(shí)，維持爐膛出口氧量3.5%左右，鍋爐兩側(cè)的CO濃度都在50 mg/L以?xún)?nèi)，水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的幾率較小，同時(shí)結(jié)焦量也會(huì)隨著減少，這樣吹灰的次數(shù)減少，水冷壁被吹損減薄的概率也減小。

3.3 經(jīng)濟(jì)性

通過(guò)自主設(shè)計(jì)及安裝鍋爐低氮燃燒器改造，2臺(tái)鍋爐改造費(fèi)用僅用100多萬(wàn)元。低氮燃燒器改造后，設(shè)計(jì)22只氨水噴槍的SNCR脫硝系統(tǒng)只需投入18只噴槍?zhuān)憧梢詫t膛出口NOx濃度降到180 mg/Nm3左右，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)小于200 mg/Nm3的要求，減少了25%的氨水消耗量。

低氮燃燒改造，使?fàn)t內(nèi)燃燒向后推移，導(dǎo)致Ⅰ、Ⅱ級(jí)減溫水在相同負(fù)荷下都明顯增加，分別是7 t/h和18 t/h，主汽溫度為538 ℃，在可控范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

鍋爐低氮燃燒器改造后，鍋爐習(xí)慣運(yùn)行工況下?tīng)t膛出口NOx濃度由改造前的570 mg/m3降至355 mg/m3，降低了脫硝運(yùn)行成本；煙氣再通過(guò)SNCR脫硝裝置，可使NOx排放達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)；水冷壁發(fā)生高溫腐蝕幾率減小，同時(shí)結(jié)焦量減少，鍋爐安全性提高；雖然爐內(nèi)燃燒后移，火焰中心升高，但在主汽溫度在可控范圍內(nèi)，改造達(dá)到預(yù)期效果。