锅炉低氮燃烧改造实际应用

李永峰刘文政

摘要：针对在本文详细江苏阚山发电有限公司锅炉运行状况，锅炉运行中实际存在的问题，改造方案的介绍，说明了锅炉低氮燃烧改造后取得的经济效益和社会效益。

关键词：锅炉运行；存在问题；低氮燃烧

0前言

随着“十二五”计划的不断深化，国家环保部对于大气污染物的考核力度及排放标准也在不断提高。燃煤电厂作为环境污染物排放的重要控制对象，已然站在了节能减排战线的前沿。2014年10月，国资委及环保部办公厅联合印发了《关于进一步加强中央企业节能减排工作的通知》，要求各中央企业要进一步强化对所属单位节能减排工作的考核力度，严格落实问责制度，并对重大环保违法违规事件实行“一票否决”。为了顺利达成这个目标，保证燃煤锅炉氮氧化物达标排放，进行机组进行低氮燃烧改造显得尤为必要。

本文所介绍的锅炉低氮燃烧改造技术，针对江苏阚山发电有限公司超超临界直流锅炉在运行中存在的问题，改造后的锅炉运行具备安全性、经济性及可操作性，燃烧系统能够扩大煤种适应性，防止结渣与高温烟气腐蚀。

1设备概况

阚山600MW超超临界锅炉采用CUF墙式切圆燃烧大风箱结构，全摆动燃烧器，整个燃烧器与水冷壁固定连接，并随水冷壁一起向下膨胀，燃烧器共24组，布置于四面墙上，形成一个大切圆。燃烧器共6层煤粉喷口，每层与1台磨煤机相配，主燃烧器采用低NOX的PM型煤粉燃烧器，每只煤粉喷嘴中间设有隔板，以增强煤粉射流刚性，在主燃燃烧器的上方为OFA喷嘴，在距上层煤粉喷嘴上方约5.0m处有四层附加燃烬风A-A（AdditionalAir）喷嘴，角式布置，它的作用是补充燃料后期燃烧所需要的空气，同时既有垂直分级又有水平分级燃烧达到降低炉内温度水平，抑制NOX的生成，此A-A燃尽风与OFA风一起构成MACT低NOX燃烧系统。

在燃烧器高度方向上，根据燃烧器可摆动的特点，考虑到燃烧器向下摆动时，保证火焰充满空间和煤粉燃烧空间，从燃烧器下排一次风口中心线到冷灰斗拐角处留有较大的距离7429.8mm，为了保证煤粉的充分燃烧，从燃烧器最上层一次风口中心线到分隔屏下沿设计有较大的燃烬高度19453mm。

阚山电厂原有燃烧器采用PM煤粉燃烧技术，煤粉经过PM煤粉分离器以后，分成了浓淡两相煤粉，这两相煤粉又分别进入浓煤粉燃烧器和淡煤粉燃烧器。在这两种煤粉燃烧器煤粉喷嘴体内设导向板用以分隔PM煤粉分离器分离后形成的浓相煤粉气流和淡相煤粉气流，在燃烧器喷口内设置有波形钝体，该钝体与喷嘴体内导向板一起使浓、淡相煤粉气流一直保持到燃烧器出口。在出口处针对浓淡煤粉燃烧器配置不同的助燃风，使浓淡两相煤粉及时合理地配风燃烧，有效地控制了NOX排放量。同时，在波形钝体出口处，形成一个稳定的回流区，回流区中的烟气使得每个煤粉燃烧器初燃段浓淡两相得到相对分离，并使火焰稳定在一个较宽的负荷变化范围内，有利于保证及时着火及燃烧稳定，确保及时燃尽，能有效抑制NOX排放，保证锅炉效率。煤粉喷嘴处设置的波纹钝体使得在煤粉气流下游产生一个负压高温回流区，在此负压区中存在着高温烟气的回流与煤粉/空气混合物间剧烈的扰动和混合，这一点满足了锅炉负荷在较宽范围变化时对煤粉点火和稳定燃烧的要求。

2、机组运行现况

根据2016年阚山电厂1#锅炉SCR入口氮氧化物的检测数据来看，2016年全年平均SCR入口氮氧化物为291.289mg/Nm3，最高达到468.15mg/Nm3。从氮氧化物排放的平均值来看，锅炉氮氧化物排放基本达到设计值，但全年运行情况来看，低氮燃烧器运行效果不理想，超设计值的时段较多。

阚山电厂在2014～2015年进行了SCR烟气脱硝技术综合改造，在设计煤种及校核煤种、锅炉最大工况(BMCR)、处理100%烟气量条件下，脱硝效率不小于80％，脱硝层数按2＋1设置。

脱硝改造投产后，SCR装置正常运行，根据环保部门关于阚山电厂氮氧化物排放检测数据来看，在两层催化剂投运的情况下，脱硝效率在80%左右，基本达到设计值。

3、原燃烧器设计运行中的问题

阚山电厂锅炉原设计采用PM燃烧器，PM燃烧器与国内与其他公司所采用的燃烧器一样，采用较大的A-A风量（约占总风量的20~30%）来降低NOx的排放，实际运行中的结果也是如此。但由此带来以下几点负面影响：

3.1锅炉燃烧效率降低。由于主燃烧器区域氧量偏低，锅炉燃烧不完全，特别是SOFA送入时燃烧温度有所降低，因此锅炉的飞灰含碳量及大渣含碳量均有所上升，造成锅炉效率降低；

3.2由于主燃烧器区域氧量偏低，锅炉上排燃烧器到SOFA之间的区域还原性气氛非常强烈，造成锅炉的高温腐蚀强烈，严重的电厂曾发生过水冷壁腐蚀严重造成爆管现象；

3.3PM燃烧器的着火方式为一次风卷吸高温烟气，使得煤粉气流在高温烟气的热辐射作用下，在一次风的外围面上开始燃烧，而煤粉气流内部则相对处于一个较低的温度，这样造成了燃烧火炬外围着火而其内部还是高温煤粉的现象。虽然在主燃烧区域内，整体处于一个还原性氛围，但是煤粉气流在外围着火后，由于二次风的混入，使得该煤粉气流在一定区间段内还是处于氧化气氛下，因此在此区间段内，煤粉燃烧会生成大量的NOx，燃烧器本身产生的NOx也随之升高；

3.4由于主燃区是负氧燃烧，故从主燃烧器区域到SOFA之间是还原性气氛，因此在还原气氛区域，NOx被还原较为强烈，此处NOx较低，但随着SOFA风量的加入又形成了再氧化的过程，造成NOx的整体排放偏高的现象；

3.5PM燃烧器由于将煤粉气流分为浓、淡两股煤粉气流经浓、淡煤粉风室送入到锅炉炉膛中，锅炉在燃烧器布置以及煤粉管道布置方面存在一定的困难，同时也会增加锅炉的重量以及在维修方面的困难。

4、改造方案介绍

哈锅引进的三菱公司的新型MPM燃烧器与以往早期的低NOx燃烧器的基础原理相同，均是采用分级燃烧的原理，但由于其煤粉气流着火方式及着火过程的不同，使得其可以在主燃区较高的氧量下，在保证较高的燃烧效率的同时，也达到了较低的NOx的排放水平。具体如下：

4.1在主燃区，运行氧量较高的情况下，达到较低的NOx的排放效果；

MPM燃烧器在经过喷嘴体后，形成了中心浓、外围淡的煤粉气流。MPM燃烧器在喷嘴的设计上采取了先进的措施，使煤粉的点火由原先早期传统燃烧器的热烟气卷吸热烟气点燃煤粉外围的方式改为平行于喷口的面式点火，浓煤粉气流内部也开始着火，即煤粉进入炉膛后一定距离全部点火，整个煤粉气流基本处于一个还原性氛围下，除了外围二次风的混入有部分氧化外，其他的部位均是还原性氛围。因此燃烧器喷口煤粉着火过程中NOx的生成量将会减少；

4.2在燃尽区，A-A风的风量降低，后期煤粉燃尽过程中氧化生产的NOx量也随之降低；

a)由于MPM燃烧器区域设计的氧量高于其余传统的燃烧器，其燃尽区的氧量要较传统的低氮燃烧器要低。在燃尽区，随着A-A风量的加入，煤粉燃尽，但再氧化过程也同时发生，由于MPM燃烧器中所配备的A-A风风量较低，再氧化产生的NOx也较少，使锅炉整体的NOx排放水平大幅降低。

b)同时，我们还可以根据现场运行中出现的锅炉高温腐蚀的现象，在MPM燃烧器处设置一定量的辅助偏置风，增加近水冷壁侧的氧量，进一步缓解锅炉运行中因水冷壁处于高温还原性氛围下而出现的高温腐蚀现象。

4.3该燃烧器改造后具有以下特点：

4.3.1更加宽泛及有效的着火区域保证了煤粉的良好着火。

4.3.2根据煤质特性选取最佳的二次风选取。

4.3.3M-PM燃烧器煤粉分布呈现出中心浓，外围淡的整体趋势，浓相煤粉在着火时火焰被整体控制在一个还原性区域内，因此降低了从挥发分及煤焦粒子中析出的NOx。

4.3.4合理的二次风选取保证了煤粉火焰处于一个相对低的温度及氧量氛围内，更进一步的降低了NOx的生成。

5、经济及社会效益分析

该工程实施并竣工后，达到煤粉燃烧器NOX排放浓度，最大程度满足锅炉燃烧要求，避免一次风粉屡次磨漏和磨穿一次风管，减少因燃烧器喉口易挂焦或结焦最终导致掉大焦对下部水冷壁及捞渣机的威胁。

5.1节约氮氧化物排污费

#1锅炉满负荷工况下机组烟气量为2300t/h，按照年运行5000h计，改造前平均NOx排放浓度为380mg/m3(O2=6%)，改造后平均NOx排放浓度为210mg/m3(O2=6%)，则锅炉每年向大气排放的NOX改造前为3361t，改造后为2018.94t，改造后每年NOX减排量为1342.06t。按照现行大气污染物排污费为0.6元/kg计算，则进行改造后，#1锅炉每年少缴的氮氧化物排污费为80.537万元。

5.2当采用液氨作为脱硝剂

如果用液氨作为脱硝剂（液氨按每吨2800元），单台锅炉脱除这些NOx，每年消耗液氨量：0.4×1342.06=536.82吨，采购液氨的费用为：536.82×2800=150.31万元

每1吨液氨需要消耗1吨蒸汽（每吨按33元），折合每年的费用为：536.82×33=1.77万元。

所以，当锅炉低氮燃烧改造完成后，每年可以节约成本费用至少为：80.537+150.31+1.77=232.617万元

6、总结

江苏阚山发电有限公司锅炉低氮燃烧改造方式采用MPM燃烧器，实际操作过程中改造工程量小，工期短，投资少。目前#1机组改造完已投运，在机组相应的负荷段，完全达到了低氮燃烧改造的目标和效果，且改造后减少NOX排放量，社会效益也很可观的，对现运行机组提效改造及新建机组实现超净排放有较好的借鉴价值。

参考文献

【1】《哈尔滨锅炉厂HG-1792-YM1型锅炉设计说明书》哈尔滨锅炉厂有限公司2006

【2】《600MW超超临界机组集控运行规程》江苏阚山发电有限公司2015

【3】《阚山电厂锅炉低氮燃烧器改造项目燃烧说明书》哈尔滨锅炉厂有限公司2015