燃煤锅炉低氮燃烧器改造浅谈

1燃煤锅炉低氮燃烧器改造浅谈李建东闫青刘继成黄志勇大唐国际张家口发电河北张家口075133Coal-firedboilerburnerswithlownitrogentransformationOnLIJian-dongYANQingLIUJi-chengHUANGZi-yongDatanginternationalzhangjiakoupowerplant，Zhangjiakou075133，HebeiprovinceABSTRACT:ToreducetherunningcostsofSCRDeNOx,ZhangjiakouPowerPlantNo.3boilerburnerfortransformationaftertransformation,theburnerwillreducethecoalcombustionprocessinthefurnaceofNOxgeneration.Thisarticlefocusesontheboilerburnerswithlownitrogentransformationprograms,combinedwiththe3rdZhangjiakouPowerPlantboilerburnerandeffectthetransformationoftheactualsituation,Onthemechanismofcoal-firedunitsgenerateNOxboilersandburnersforNOxgeneratedcontrol.KEYWORD:RetrofitNOxBoiler摘要：为降低脱硝SCR的运行费用，张家口发电厂对3号锅炉燃烧器进行改造，改造后的燃烧器将降低燃煤在炉膛燃烧过程中NOx的生成量。本文重点介绍锅炉低氮燃烧器改造的方案，并结合张家口发电厂3号锅炉燃烧器改造的实际情况及效果，浅谈燃煤机组锅炉NOx生成机理和燃烧器对NOx生成的控制。关键词：锅炉燃烧器改造NOx1概况1.1脱硝的必要性在国家“十二五”规划中，对火电发电企业大气污染物排放作出了严格的规定。其中，京津唐地区要求NOx排放量小于100mg/Nm³。机组烟气脱硝改造在降低烟气NOx含量的同时，高昂的脱硝运行费用又使发电企业不堪重负。于是，为了减少SCR入口处NOx含量，降低脱硝运行费用，低氮燃烧器的改造已逐渐成为火力发电企业降低烟气NOx含量的重点改造之一。在今后火力发电机组的脱硝改造中，“先降后脱”的方案必然是大势所趋。1.2氮氧化物的形成煤燃烧过程中氮氧化物的生成量和排放量与煤的燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件有关。研究表明，在煤的燃烧过程中生成NOx的主要途径有三个：a热力型NOx是空气中的氧(O2)和氮(N2)在燃料燃烧时所形成的高温环境下生成的NO和NO2的总和，其总反应式为：N2+O2←→2NONO+O2←→NO2当燃烧区域的温度低于1000℃时，NO的生成量很小，而温度在1300～1500℃时，NO的浓度大约为500～1000ppm，而且随着温度的升高，NOx的生成速度按指数规律增加。因此，温度对热力型NOx的生成具有决定作用。b快速型NOx主要是指燃料中的碳氢化合物在燃料浓度较高区域燃烧时所产生的烃与燃烧空气中的N2分子发生反应，2形成的CN、HCN，继续氧化而生成的NOx。因此，快速型NOx主要产生于碳氢化合物含量较高、氧浓度较低的富燃料区，多发生在内燃机的燃烧过程。而在燃煤锅炉中，其生成量很小。c燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃烧过程中氧化反应而生成的NOx。燃煤电厂锅炉中产生的NOx中大约75～90%是燃料型NOx。在一般情况下，燃料型NOx的主要来源是挥发份N，其占总量的60～80%，其余为焦炭N所形成。在氧化性环境中生成的NOx遇到还原性气氛时，会还原成N2，因此，锅炉燃烧最初形成的NOx，并不等于其排放浓度，而随着燃烧条件的改变，生成的NOx可能被还原，或称被破坏。燃料型NOx的生成和破坏过程不仅和煤种特性、燃料中的氮化合物受热分解后在挥发份和焦炭中的比例、成分和分布有关，而且其反应过程还和燃烧条件（如温度和氧）及各种成分的浓度等密切相关。这三种类型的NOx，其各自的生成量和煤的燃烧温度有关，在电厂锅炉中燃料型NOx是最主要的，其占NOx总量的75～90%，热力型其次，快速型最少。1.3方案确定低氮燃烧器正是在煤燃烧时，通过调整燃烧环境（风与煤的比例）减少煤在燃烧过程中NOx的生成量。改造的基本方案是在锅炉燃烧器上方增加燃尽风设备（燃尽风率一般为0.25～0.35），以降低主燃烧器（原燃烧器）区域内的空气量，控制过量空气系数小于1；图1燃烧器喷口布置图燃尽风提供过量空气助燃未燃尽的可燃物，控制燃尽率（飞灰可燃物）。这样，从整体设计上，低氮燃烧器不但因为控制主燃烧器区域内的过量空气系数小于1，降低了燃料型NOx的生成量，还因为增加燃尽风机构使炉膛内燃烧的最高温度有所降低，同时降低热力型NOx的生成量。张家口发电厂3号锅炉为东方锅炉厂设计制造的亚临界、中间再热、燃煤自然循环汽包炉，锅炉型号为DG1025/18.2-II4，改造前锅炉省煤器出口处NOx含量为600～700mg/Nm³。制粉系统为正压直吹式制粉系统，每台炉配备6台HP803型磨煤机。燃烧器为东锅生产设计的四角切圆直流式，在炉膛中心形成700与500的两个假想切圆，燃烧器火嘴为摆动可调式，摆动幅度30°（喷口水平为0°）。每角分上、中、下三组，上中下三组可同时摆动或单组摆动，每组由3层二次风喷口和2层一次风喷口组成。一次风和二次风间隔布置，每一组的中间层二次风喷口内装有一只油枪（3层油已废弃）。第1层燃烧器后改造为HRPFQK-159-Ⅰ型组合式油燃烧装置（小油枪）。大唐国际发电股份有限公司张家口发电厂在2011年3月至5月进行的3号机组A级检修中对3号锅炉进行了低氮燃烧器改造。32工程概况结合3号锅炉情况，项目承包方制定了改造的技术方案：采用双尺度燃烧技术及双尺度分区优化调试方法组合技术，更换主燃烧器，调整射流方向，采用贴壁风技术，采用节点功能区，同时增加高位燃尽风，进行低NOx燃烧器综合改造。改变原主燃烧器分组布置，采用双尺度节点功能区布置，同时调整一二次风射流方向，下端部风及一次风采射流方向为顺时针方向，二次风为逆时针方向，一二次风综合作用效果为炉内最终切圆旋转方向为逆时针方向。风量重新合理分配，并调整主燃烧器区一二次风喷口面积，部分二次风喷口增设贴壁风组件。在原主燃烧器上方约5～6米处布置4层分离SOFA喷口，通过大风箱向上延伸，可分配足量的SOFA燃尽风量，SOFA燃尽风喷口可同时做上下左右摆动。适量的高位燃尽风量将对炉内火焰中心位置及炉膛出口烟温偏差带来影响，通过将燃尽风喷口设计成上下左右摆动燃烧器，可以同时实现炉膛出口温度及烟温偏差同时调整，还可强化飞灰可燃物燃尽。保证改造后是在高效、稳燃、防渣防腐的基础上实现低NOx排放。图2燃烧器区域俯视图2.1燃烧器区域水冷壁管屏燃烧器区域水冷壁管屏从标高为18600mm至35962mm，分为主燃烧区域水冷壁管屏（18600～28800mm）、中间连接区域（28800～31300mm）燃尽区域水冷壁管屏（31300～35600mm）三段。主燃烧区域水冷壁管屏包括标高18600mm位置至标高28800mm位置的水冷壁管屏，总高10200mm，全部进行重新加工并更换。水冷壁开孔位置为标高19327mm～28097mm，用于安装一次风喷口、二次风喷口、贴壁风喷口等设备。燃尽区域水冷壁管屏包括标高31300mm位置至标高35600mm位置的水冷壁管屏，总高4300mm，全部进行重新加工并更换。冷壁开孔位置总高2665mm，用于安装燃尽风喷口。中间连接段水冷壁管屏包括标高28800mm位置至标高31300mm位置的水冷壁管屏，总高2500mm，起到连接主燃烧器水冷壁与燃尽风水冷壁的作用。2.2煤粉燃烧器每角燃烧器分为主燃烧器和燃尽风燃烧器。主燃烧器区域布置有6层一次风喷口，6层二次风喷口，2层大油枪喷口和4层贴壁风喷口。除第一层带小油枪的煤粉燃烧器保持和改造前的结构一样，剩余5层煤粉燃烧器改造为垂直浓淡分离煤粉燃烧器，并在一次风管内设置了浓淡分离器（导流板），一次风管保留其抽出式设计，以方便检修和更换喷嘴。煤粉喷嘴改造为垂直浓淡分离、上下摆动结构，运行中只允许整体上下摆动±20°。喷口的摆动机构及气动执行器全部更换为新设备，每个角的主燃烧器上下摆动执行机构统一由一个气缸带动，即每角执行机构可同时带动6层一次风、6层二次风和2层大油枪喷口（贴壁风不参与摆动）。在距离最上层一次风喷口中心线6000mm左右，布置了4层SOFA燃尽风喷4口，这4层燃尽风喷口既可垂直摆动，也可以水平摆动。每角的SOFA燃尽风喷口垂直摆动可通过一组气缸实现；水平摆动为手动调节，待调试完成后锁定。2.3主燃烧器风箱、风道利用原二次风箱，将原燃烧器的三层二次风道连接，连接风箱的位置从标高19392mm～28032mm，主要为主燃烧器区域的二次风喷口、周界风喷口和贴壁风喷口供风。主燃烧器区域共14层风道，各层风道的风量分配是通过调节各层风道入口处的风门挡板的开度来实现的。图3主燃烧器风箱2.4燃尽风风箱、风道从原燃烧器二次风箱顶部开孔，向上延伸二次风箱形成燃尽风箱，具体位置从标高19392mm～28032mm，主要为4层燃尽风喷口供风。每层燃尽风风道的风量分配通过各层燃尽风道入口处的挡板进行调节。图4燃尽风风箱2.5摆动执行机构主燃烧器每角采用1组摆动执行机构，带动全部主燃烧器区域14层喷口，进行垂直摆动。燃尽风燃烧器每角采用1组摆动执行机构，带动4个SOFA燃尽风喷口，进行垂直摆动。SOFA燃尽风喷口的水平摆动为手动调节，调试完成后锁定，运行期间不允许随意摆动。其它如火检、油枪、煤粉管道和吊挂装置等都进行相应的移位、改造。项目施工完成后，进行了冷态动力场试验及热态调试工作，总结出低氮燃烧器运行期间调整指导手册（配风卡）。氧量控制风门开度风门名称风门开度（%）200MW以上200MW以下SOFA4100100SOFA3100100SOFA2100100SOFA1100100OFH100100OFG10060F3010EF1010E3010DE1010D3010CD6010负荷（MW）300~240240~160160以下氧量（%）3.03.54.05C3010BC1030B3010AB3010A3010AA100100图5冷态动力场试验一次风射流图6冷态动力场试验辅助风测流情况3总结机组启动运行后，华北电力科学院于6月8日～10日对锅炉省煤器出口处NOx含量进行测试，测试结果如下：（标态、O26%）工况参数单位数值备注300MWNOxmg/Nm³226.79240MWNOxmg/Nm³192.66169MWNOxmg/Nm³226.87从实验数据中可以看出，3号锅炉完成低氮燃烧器改造后，NOx的排放量明显降低。不但改善了张家口地区的空气质量，还节约了排污费用，降低了SCR的运行成本，实现了经济效益和环境效益的双丰收，同时为我国“十二五”期间节能减排目标的实现做出积极地贡献。收稿日期：2011年6月份作者简介：李建东（1964-），男，河北张家口，本科，高级工程师，张电生产厂长，电厂化学。闫青（1968-），男，河北张家口，本科，高级工程师，热动专业。刘继成，男，河北张家口，本科，国际工程师，热动专业。黄志勇，男，河北张家口，工程师，热动专业。