白山热电公司#1炉低氮燃烧器改造及调试研究
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【摘 要】 目前，全世界日益重视对环境的保护，我国也不例外，因此，对氮氧化物NOx排放量的要求也越来越严格。在这样的背景下，我国的火力发电厂迫切需要采用新技术来降低氮氧化物的排放。为了响应我国所提倡的“绿色环保”、“节能减排”，并最终达到并实现减少我国电厂NOx排放量的目的，本文首先对国内外低氮燃烧技术进行总结和分析，并在此基础上，通过对白山热电公司的现状分析和锅炉改造的必要性分析，并根据白山热电公司的实际情况，确定在白山热电公司锅炉改造的方案，其中包括锅炉烟气脱硝改造、燃烧器改造以及调试。
【关键词】 锅炉改造 氮氧化物排放 烟气脱硝 低氮燃烧器
【Abstract】 With the increasing worldwide demand for improvement of environment， China's NOx emission standards are also stringent increasingly.In response to the national call of "green" and "energy saving"， and to reduce NOx emissions from power plants， this paper first summarized and analyzed the low NOx combustion technology， and on this basis， through the analysis of the current situation and the necessary of Baishan power plant of boiler， and on the actual situation of Baishan power plant， the reform programs for Baishan power plant boiler had determined， including the transformation of the boiler flue gas denitrification and burner modifications.
【Key words】 NOx emission， transformation of boiler， gas denitrification
氮氧化物NOx是大气污染的主要污染物之一，对人体的健康具有重大威胁，因此，世界各国对NOx的排放均有严格的限制[1]。燃料一般都含有氮元素，在其的燃烧过程中，所产生的氮氧化物（NOx）主要由NO、NO2和N2O等气体混合而组成，且NO是其中的主要组成气体，在通常燃烧的情况下，所得到的NOx中NO的含量将高达90%～95%甚至更多。电站锅炉是成为主要的大气污染固定排放源之一，据统计，我国火电厂氮氧化物的排放量约占全国氮氧化物排放总量的35～40%[2]。虽然在新时期下，我国的各大火电厂均采取了一系列措施来控制并减少氮氧化物的排放量，但到目前为止，降低我国电厂的氮氧化物排放量的任务仍然任重而道远。
在世界越发提倡“环保”这一理念的大背景下，燃煤在发电过程中会排放大量的氮氧化物越发显得不合时宜。
白山热电公司2×300MW锅炉在正常运行过程中，NOx排放浓度为600mg/Nm3（标态，干基，6%氧量），已不能达到国家颁布《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）提出的100 mg/Nm3（标态，干基，过剩空气系数1.4）的氮氧化物排放限值。因此有必要对白山热电公司的2×300MW机组开展脱硝改造，以降低氮氧化物的排放，基于此目的，本文对白山热电公司2×300MW锅炉进行改造。
1 电厂概况
白山热电公司2×300MW机组锅炉系上海锅炉厂有限公司生产的单炉膛平衡通风、中间一次再热、亚临界参数、自然循环汽包锅炉。锅炉设计为通化地区劣质烟煤，锅炉燃烧制粉系统采用钢球磨中间储仓式热风送粉系统，四角切圆燃烧方式。锅炉采用露天布置，固态连续排渣。
2 白山热电公司低氮燃烧器改造的必要性
随着出台《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）规定：火力发电锅炉NOx最高允许排放浓度值需达到100mg/Nm3以下。为了达到环保部门规定排放要求，需要增加一套脱硝装置，从未脱除的NOx污染物；且整个项目脱除效率至少不低于85%，才能满足达标排放的要求。因此，对白山热电公司2×300MW机组工程锅炉机组进行加装脱硝装置和对相应设施进行改造是十分迫切和必要的。
对白山热电公司2×300MW机组工程锅炉进行烟气脱硝装置工程的改造，对企业来说，对白山热电公司工程（2×300MW）进行烟气脱硝装置工程的改造，使其脱硝装置能够满足燃煤烟气NOx的排放量达到最新环保要求标准，脱硝装置总体脱硝率不低于85%，利用率不低于98%，从而保证白山热电公司的可持续发展，以达到改善生产、生活环境、保护自然生态的目的，落实国家环保部门NOx排放控制要求具有重要的实际意义，实施技改工程是必要的。
3 白山热电公司工程锅炉低氮燃烧器改造方案
我国燃煤锅炉主要采用低氮燃烧的技术控制NOx的排放量，是国家环境保护部相关政策，推荐低氮燃烧技术作为锅炉控制氮氧化物首选技术，在NOx排放浓度还不达标或不满足总量要求时，再因地制宜、因煤制宜、因炉制宜地选择技术成熟、经济合理及便于实施的脱硝技术，这也为脱硝改造提供了指导性意见。
现代低氮燃烧将制粉系统、煤质、燃烧器、二次风等参数综合比较，以低氮燃烧器和空气分级燃烧为重点，在炉膛内部改变燃烧、温度和滞留时间，使煤粉能够迅速低氧燃烧，利用燃烧过程生成的氨基中间产物来控制或还原已经生成的氮氧化物，以降低氮氧化物的含量。
目前，国内三大锅炉厂都拥有了低NOx燃烧技术，除此之外，哈尔滨工业大学、国电科环、西安热工研究院等公司也研发了具有自主知识产权的低NOx燃烧技术。这些技术具有一定的共性：
（1）低NOx直流燃烧器。燃烧器首先是燃烧，浓淡偏差稳燃措施也有助于控制NOx。在煤粉喷嘴前，通过偏流装置（弯头、百叶窗、挡块）使煤粉浓缩分离成浓淡两股。喷嘴设扰流钝体，一方面可卷吸高温烟气回流，另一方面使浓相煤粉在扰流时偏离空气，射入高温回流烟气区域。这样，在燃烧器钝体下游，可形成高浓度煤粉在高温烟气中的浓淡偏差欠氧燃烧，从而有效控制燃烧初期的NOx生成量。
（2）炉内径向空气分级。一次风粉射流切圆相对较小或者将水平浓淡燃烧器的浓相煤粉小角度反切，二次风射流角度偏离一次风或者设置贴壁风。一、二次风的这种射流方式，可使煤粉集中到炉膛中央，绝大部分的煤粉在炉膛中央欠氧燃烧，极少量的煤粉在大切圆附件燃烧，水冷壁表面附件为氧化气氛，形成炉内径向空气分级浓淡偏差燃烧。即在控制NOx的同时，有效防止水冷壁结渣或高温烟气腐蚀。
（3）炉内轴向空气分级。为增加浓相煤粉欠氧气氛区域的停留时间，提高燃烧过程中的NOx自还原能力，部分二次风通过顶层燃烧器上部的一层或多层高位燃尽风喷口送入炉膛，在炉膛轴向形成大范围的空气分级燃烧。即，燃烧器区域过剩空气系数小于0.8～0.9，并通过燃尽风完成焦炭、CO及其它中间产物的燃尽。
对于烟煤等低挥发份煤产生的NOx采用燃烧修正技术所能控制的程度是有限的。白山热电公司1、2号锅炉将旋风分离式燃烧器和直流缝隙式燃烧器两者结合起来，一次风和煤粉的旋风分离确保在还原区域煤粉开始析出挥发分（并释出燃料中的氮），在引入一次风和二次风时无旋流，延迟了混合时间，使缺氧的时间延长，此外在灰斗结合处引入10%（0～20%）的三次风，形成适当的分级燃烧，从而将NOx控制在所要求的燃烧效率相一致的水平上。1、2号锅炉在最早的设计上，其NOx排放浓度为600mg/Nm3（标态，干基，6%氧含量）。
白山热电公司已经更换低氮燃烧器，锅炉设计NOx排放浓度为400 mg/Nm3（标态，干基，6%氧含量），经现场摸底试验，锅炉实际NOx排放浓度为550mg/Nm3（标态，干基，6%氧含量），有时NOx排放浓度650mg/Nm3以上，平均值NOx排放浓度为600mg/Nm3，严重偏离了原低氮燃烧器的设计值，效果不明显。
通常对于挥发分含量较低的贫煤切圆燃烧锅炉，常采用上下分组布置燃烧器和集中送风的方式来强化煤粉的着火与稳燃。但这种高温富氧燃烧方式在解决煤粉燃尽的同时，附带生成了大量NOx污染物，2005年没有设置燃尽风的切圆燃烧锅炉的NOx排放浓度基本在800～1400mg/Nm3，如表3-5所示。以淮阴二期和辛店三期锅炉为例，两者均于2007年投运，采用高位燃尽风SOFA实施炉内空气分级低氮燃烧后，锅炉NOx排放浓度可控制在600～700mg/Nm3。而河南禹州电厂2×660 MW机组经上海锅炉厂和哈尔滨工业大学联合进行低氮燃烧改造后，NOx排放浓度约400 mg/Nm3。河南安阳电厂2×350 MW贫煤机组在实施燃烧改造解决煤粉燃尽时，在没有分级燃尽风的情况下，控制锅炉NOx排放浓度低于600mg/Nm3。
3.1 低氮燃烧器改造的整体设计
根据实际情况，对白山热电公司工程锅炉低氮燃烧器进行改造，主要针对NOx的生成途径进行控制。选取的燃烧方式是空气分级燃烧方式。
其中，燃烧角保持不变，燃烧器二次风箱保持不变，一次风输送煤粉管路设备不变。燃烧器及二次风风口整体更换，在最上端增加一套SOFA高位燃尽风，SOFA高位燃尽风有3层喷口，原OFA风喷口做为低位混合SOFA风低位SOFA2层喷口。其中A、B、C、D为一次风喷口，B为微油燃烧器，E、F为三次风喷口。一次风采用水平浓淡技术，主燃烧区各喷口风量根据新的风量配比原则进行分配，所有一次风采用新型强化燃烧喷口。按照分级燃烧理论，A、B、C三层一次风形成下部燃烧区，D层一次风形成上部燃烧区。AB层、BC层及CD层二次风为分量偏置二次风。SOFA风采用上下左右摆动喷口结构。原燃烧器AB、BC层点火油枪系统、微油系统、火检、执行器回用。CD层油枪及油火检拆除。
3.2 具体改造措施
（1）一次风管的改造。煤粉燃烧器采取整体更换的办法，包括喷燃器喷嘴、煤粉浓缩器、煤粉弯头。煤粉燃烧器采用水平浓淡式煤粉燃烧技术，以提高锅炉低负荷运行的能力，水平浓淡煤粉燃烧器是利用煤粉进入燃烧器一次风喷嘴体后，经百叶窗的分离作用，将一次风气流分离成浓淡两部分；两部分之间用垂直隔板分开，燃烧器出口处设有带波纹形的稳燃钝体。浓相气流的煤粉浓度高着火特性好，即使在低负荷情况下，浓相气流的风煤比仍可保持在较合适的范围内，使着火特性不会明显恶化[3]。钝体形成的高温烟气回流区又充分为煤粉着火提供了热源，这两者的结合为低负荷稳燃提供了保证。
百叶窗和弯头部分采用粘贴耐磨陶瓷进行防磨。一次风耐热喷口采用摆动式新型强化燃烧喷口（偏置周界风）。B层微油点火层不变。
（2）二次风喷口的改造。为了避免采用分级燃烧后主燃烧区风量减少带来的动力场变化，所有的二次风喷口依据新的配风要求进行更换。由于主燃烧区处于还原气氛，为了防止发生水冷壁结焦、高温腐蚀事故，AB层、BC层、CD层喷口改为偏置二次风喷口；为了控制水冷壁周围富氧区域的NOx以及由于混合不均匀残留在主燃烧区的NOx进入燃尽区，顶部两层二次风反切作为低位SOFA风，改善主燃烧区的混合状况[4]。二次风喷口采用耐高温材质制造，材质为稀土合金ZG40Cr24Ni9Si2NRe，满足锅炉运行的需要，喷口的使用温度大于1200℃。
（3）高位燃尽SOFA的改造。高位燃尽风喷口与燃烧器的距离决定了烟气在还原区域内的停留时间。还原气氛程度越深，停留时间越长，越有利于控制NOx的生成和煤粉的充分燃烧。本次改造中在最上层一次风喷口往上9m左右增加一组高位SOFA，一组三层喷口，喷口可以实现上下20度，左右10度的摆动。上下摆动采用自动控制，水平摆动采用手动。风量大约占总风量的20%。具体标高位置在34100mm处。布置原则以尽量避开水冷壁刚性梁，减少平台改动、方便维护人员操作为原则，水冷壁进行相应的开孔[5]。高位SOFA燃烧器采用法兰连接形式直接固定在水冷壁上。增加流量测量装置，信号进入DCS。
（4）水冷壁的改造。主燃烧区域水冷壁不改变，高位燃尽风附近水冷壁根据燃尽风位置情况布置开口，水冷壁在厂内弯制，整体出厂。水冷壁采用与原有设备相同材质和规格的产品。在出厂前进行100%涡流探伤，所有对接焊缝进行100%射线探伤，水压试验之前进行通球试验。
（5）燃尽风风道的改造。从锅炉二次风风箱入口的主风道上引出风道，再分给各SOFA喷口，管路上增加膨胀节并设置差压测量装置。
（6）控制系统的改造。燃烧器改造所引起新增加的仪表与控制系统均纳入机组DCS系统控制，DCS控制板件及其附件型号、执行器、电缆等与现有设备一致；压力/差压变送器采用进口罗斯蒙特3051系列智能型变送器。喷口摆动气动执行器可实现层控和独立控制，所有控制电缆直接接DCS。
4 改造结果分析
（1）NOx排放浓度基本达到改造预期目标。当电负荷为300 MW时，在完全燃烧印尼煤时，NOx的排放浓度为189mg/m3，小于保证值200mg/m3；在电负荷为225MW时，完全燃烧印尼煤时，NOx的排放浓度为229mg/m3，小于保证值240mg/m3。
（2）基本解决了炉膛之前一直存在的结焦问题。当负荷为额定负荷的75%～100%时，过热蒸汽温度和再热蒸汽温度均能达到标准要求，即可以达到其额定值540.0±5℃，且过热器和再热减温器水均可以满足蒸汽温度调节需要。
（3）在燃烧相同煤质时，与改造前相比，锅炉效率得到了保持。在燃烧适烧煤种时，锅炉效率达到目标值91.85%以上。
（4）在电负荷为300MW时，空气预热器漏风率基本达到预期改造要求，其中，漏风率A侧为5.19%，B侧为5.99%。
值得注意的是，只有在燃烧适烧煤种时，锅炉的效率才能达到目标值，如当当锅炉电负荷为300 MW时，完全燃烧印尼煤，实测锅炉效率为92.68%，高于保证值92.00%，未燃碳热损失为0.39%，低于改造的保证值1.70%。但是，同样情况下，即锅炉的电负荷为300 MW，燃烧不同燃煤时，锅炉效率和未燃碳热损失并不相同。
经改造后，白山热电公司锅炉改造工程大幅降低了氮氧化物的排放浓度，并解决了炉膛的结焦问题，锅炉效率并未降低，空气预热器漏风率也基本达到预期改造要求，说明整个锅炉改造工程是成功的。
参考文献：
[1]肖红光，安欣，吴丽梅，邬凯.浅谈电站锅炉节能减排[J].黑龙江科技信息，2012（11）：05.
[2]钟勇.华能井冈山电厂300MW锅炉低氮燃烧改造研究[D].河北：保定.华北电力大学，2012.
[3]苏国缍.贫煤中储式制粉系统锅炉低NOx优化[D].北京华北电力大学（北京），2010.
[4]赵红雨，刘纪福，李长兴，汪永强.白山热电1号锅炉低氮燃烧器改造[J].资源节约与环保，2014（11）：25.
[5]朱全利，聂明局，曾汉才.大型燃用贫煤和烟煤锅炉NOx排放特性的研究[J].电力环境保护，1998，（4）：1-3.