超高压锅炉低氮燃烧系统改造和性能考核试验简析

董建（山东电力工程咨询院有限公司，山东济南250013）

超高压锅炉低氮燃烧系统改造和性能考核试验简析

董建
（山东电力工程咨询院有限公司，山东济南250013）

介绍了某电厂采用复合空气分级燃烧技术对超高压锅炉进行低氮燃烧系统改造的案例。经性能考核试验证实，改造后降低污染物NOx排放超过50%，保持锅炉效率基本不变，为同类锅炉的改造提供了可借鉴的经验。

超高压锅炉；低氮燃烧系统；复合空气分级燃烧技术

目前，大气环境污染的形势越来越严峻，国家环保部于2011年发布了《火电厂大气污染物排放标准》[1]，该标准规定燃煤锅炉排放的烟尘、二氧化硫、氮氧化物（NOx）将逐步在重点地区执行20mg/m3、50 mg/m3和100mg/m3的标准。环保标准的提高，对于现役机组必须进行技术改造。

本文重点关注NOx减排的问题，目前电站锅炉主要的NOx减排技术包括：低氮燃烧技术、选择性催化还原技术（SCR）和非选择性催化还原技术(SNCR)。其中低氮燃烧技术是通过对燃烧过程中的燃料和空气进行优化配置达到从源头减少NOx产生的目的；而后两种是采用氨水或者尿素作为还原剂，在合适的温度窗口将烟气中的NOx还原成N2，这两种技术由于消耗还原剂，尤其是SCR技术要采用昂贵的催化剂，运行成本比较高。因此为了降低运行成本，一般电厂首先都要进行低氮燃烧改造，然后再配置SCR或SNCR技术，以达到最佳的经济、环保指标。在低氮燃烧改造过程中经常遇到的技术难题是不能兼顾锅炉效率，有的锅炉改造后达到了降低NOx排放的目的，但同时也降低了锅炉效率。本文介绍一个兼顾降低NOx排放又不影响锅炉效率的改造案例。

1　锅炉基础情况

某电厂#4号机组锅炉系上海锅炉厂有限公司制造的超高压中间再热自然循环锅炉，型号为SG-420/13.7-M753，平衡通风，π型炉膛布置，四角切圆燃烧，固态排渣方式。炉膛宽9600mm，深9323mm。该锅炉自投运以来，省煤器出口NOx排放浓度一直维持在700mg/Nm3(O2=6%)左右，无法满足最新的环保排放标准。为降低NOx排放，计划加装SCR脱硝设备配合进行低氮燃烧器改造，本文重点介绍该锅炉低氮燃烧器改造的情况。

锅炉燃烧系统基本情况：制粉系统采用中间储仓、乏气送粉式制粉系统。燃烧器采用正四角布置，切向燃烧。一次风喷嘴分四层布置。一、二次风喷嘴均由耐热耐磨铸钢及不锈钢板制成，除最上的喷嘴用手轮摆动，下二次风及下一次风的喷嘴不摆动外，其余喷嘴有电动执行器驱动可作整组摆动。四个角上同一层喷嘴的摆动角度一致，保证炉内有稳定的空气动力工况。

2　低氮燃烧器改造

2.1改造目标

本次改造后保证在燃用目前运行煤种条件下，经过改造后，可达到以下性能指标。

（1）在50%～100%ECR工况下，NOx排放浓度在省煤器出口小于350mg/Nm3（以NO2计，折算O2=6%），锅炉效率不小于91.8%。

（2）锅炉改造后，通过适当的燃烧调整，可使CO排放浓度不大于100μL/L，飞灰可燃物不高于2%，炉渣含碳量不大于5%。

（3）燃烧器改造后主蒸汽、再热蒸汽温度保持设计值，减温水不超过设计值，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。

2.2改造方案

改造采用复合空气分级低NOx燃烧技术，可充分降低锅炉的NOx排放且兼顾锅炉效率，具体改造方案制定如下。

（1）将主燃烧器的一、二次风喷嘴进行更换，更换一次风喷嘴周界风、二次风喷嘴的通流面积，保持一定的二次风风速，炉内合理的空气动力场。外部接口与原主燃烧器的外部接口相同，原有主燃烧器箱壳及水冷套、大风箱、刚性梁、火检装置、油系统基本不变。需增加以下设备：在每个角4只一次风/煤粉喷嘴、5只二次风喷嘴上装设9只热电偶固定装置。

（2）在主燃烧器上部区域增加一段分离燃尽风（AGP），布置三层喷嘴，燃尽风量占总风量的30%。这样使得主燃烧器区域形成了还原性气氛，抑制氮氧化物的生成。三层AGP喷嘴可通过一个调节机构作水平方向±15°的调节（左右摆动），这种左右摆动调节是手动的机械调节，可以在燃烧器组件外部进行而无需停机或停燃烧器层，用于消除炉内烟气的残余旋转，降低炉膛两侧的烟温偏差。

（3）更换全部二次风门挡板：采用上锅新型二次风门挡板，实现各段风量的精确控制。

改造方案的示意图如图1所示；改造后的B-MCR工况下的过量空气系数的分布如图2所示。

图1　改造后燃烧器布置示意图

图2　改造后B-MCR工况下的过量空气系数的分布

2.3改造原理分析

煤粉燃烧过程中，氮氧化物生成途径主要有以下3种：（1）空气中的氮气被高温氧化而生成的热力型NOx；（2）燃料中的含氮化合物在燃烧过程中进行热分解继而进一步被氧化而成的燃料型NOx；（3）空气中的氮和燃料中的碳氢离子团等反应生成的快速型NOx。本文案例中的锅炉燃烧温度低于1500℃，产生的主要是燃料型NOx。控制燃料型NOx的主要原则为：降低过量空气系数和氧气浓度，使煤粉在缺氧条件下燃烧。燃料型NOx的形成主要集中于燃料的着火阶段，这时煤粉热解产生大量的挥发成分，如果氧气充足，它们将迅速生成NOx；如果氧气不足，则氮气的形成得到强化，NOx的形成受到抑制。而这一原则与煤粉炉降低飞灰含炭量，提高燃尽率的原则相矛盾，所以在对锅炉进行改造时，应综合全面考虑[2]。

炉内空气分级燃烧就是根据这一原理，通过改变送风方式，控制炉内空气的分布，使煤在着火阶段缺氧，即在燃烧器出口和燃烧中心区域造成还原性气氛，从而降低NOx的生成量，未燃尽的炭粒将在炉膛上部的燃尽区与燃尽风混合并完全燃烧，其中燃尽风由主燃空气分流而来，并通过炉膛上部燃尽风喷口喷入燃尽区。如图2所示，本改造方案在主燃区的过量空气系数为0.815，营造了缺氧的还原性气氛，可有效降低燃料型NOx的生成；在主燃区上部设置的燃尽区补入缺少的空气，使整体的过量空气系数达到1.25，确保燃料的燃尽，避免降低锅炉效率。

3　改造后的性能测试结果

为了验证改造的效果，该电厂委托具备资质的机构在2014年7月对该锅炉进行了低氮燃烧器改造后的性能考核试验。试验期间的煤质与设计煤种相差不大，如表1所示，改造后经过调试确定的风门开度如表2所示，主要试验结果如表3所示。

表1　试验期间的煤质情况

表2　试验期间风门开度

表3　主要试验结果

从表3所示的考核试验结果来看，锅炉的NOx排放浓度达到了低于350mg/Nm3的改造目标，实现了高于50%的脱硝效率，达到了此次改造的主要目标。机组发电负荷和锅炉主蒸汽流量可达到设计出力；在确保主蒸汽温度保持设计值的情况下，减温水未超量，再热蒸汽温度也达到了改造目标；代表化学未完全燃烧损失的CO浓度和代表机械未完全燃烧损失的飞灰可燃物和炉渣可燃物含量都达到了预期的目标，说明主燃烧风和燃尽风的配置合理，燃料完全燃烧；锅炉效率高于预期目标，说明此次改造在确保降低NOx排放的同时，锅炉燃烧、炉内换热等保持正常状态，达到了预期目标。

［1］GB13223-2011.火电厂大气污染物排放标准［S］.

［2］董利，李瑞扬.炉内空气分级低NOx燃烧技术［J］.电站系统工程，2003，19（6）：47-49.

(编辑：王智圣)

Low NOxCombustion Transformation of an Ultra High Pressure Boiler and the Performance Appraisal Test

DONG Jian
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan250013，China）

A case of low NOxcombustion system transformation on an ultrahigh pressure boiler using the classified combustion technology is introduced in this paper.The performance testconfirmed that the reduction ofNOxemissions reached more than 50%after transformation，and the boilerefficiency maintained the same.This case can provide the experience for the improvement of the same typeboiler.

ultrahigh pressure boier；low NOxcombustion system；classified combustion technology

TK22

A

1009－9492(2015)06－0154－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.045

2015－01－07

董建，男，1978年生，山东肥城人，大学本科，工程师。研究领域：电站锅炉性能试验与调试。已发表论文2篇。