发电技术

国内首台 600 MW 对冲燃烧锅炉低 NOX技术改造

屠小宝1， 胡伟锋1， 徐 良1， 徐仲雄1， 戴成峰1， 应明良2
（1.国电浙江北仑第一发电有限公司， 浙江 宁波 315800；2.浙江省电力试验研究院， 杭州 310014）

为将锅炉低 NOX技术改造可能产生的负面影响减至最小， 在燃烧器改造设计中， 采用较大的主燃烧区化学当量比，降低对主燃烧区低化学当量比的依赖度和敏感度，并采取了调整受热面和加装磨煤机动态分离器等配套措施。 改造后锅炉总体性能良好， NOX减排幅度达到 50%， 实现了预期目标。

600MW； 对冲燃烧；锅炉；低 NOX； 技术改造

0 引言

火电厂大气污染物排放控制问题已越来越受到世界各国的关注和重视。 我国在“十二五”期间将推行新的更加严格的火电厂大气污染物排放标准，并将氮氧化物列为重点控制的污染物。应用低氮燃烧技术和 SCR（烟气尾部脱硝装置）是国内外新建电厂降低 NOX排放浓度的主要手段。 但国内火电厂早期投运锅炉采用的低氮燃烧技术相对落后，NOX排放浓度普遍较高， 烟煤锅炉 NOX排放浓度通常在 600mg/Nm3以上。

火电厂早期投运锅炉受现场条件的制约，增设 SCR 的改造难度和工作量较大， 且减排成本较高。而低氮燃烧器改造则是一种经济、有效的减排方法。根据国际经验，通过低氮燃烧器改造使燃煤锅炉 NOX排放浓度降低 30%～50%是可行的。 即使需要进一步降低 NOX排放浓度而增设SCR， 为降低减排成本， 预先或同步进行低氮燃烧器改造，也是发达国家首选的技术路线。

为顺应国家对火电厂大气污染物排放控制的要求， 北仑电厂 2 号锅炉于 2008 年机组大修期间实施并完成了国内首台 600 MW 对冲燃烧锅炉低 NOX技术改造。改造后，锅炉总体性能良好，NOX平均排放浓度低于 300 mg/Nm3，比改造前降低约 50%， 达到了国际同类电站锅炉低 NOX燃烧技术改造的领先水平。

1 设备概况

北仑电厂 2号锅炉为加拿大 B&W 公司设计制造的 600 MW 亚临界、 自然循环、 前后墙对冲燃烧锅炉， 原设计共配备 36 只 DRB 双调风旋流燃烧器，在前/后墙分三层对称布置， 各层燃烧器中心间距为 4.875m， 设计煤种为晋北烟煤。 锅炉于 1994 年投运， 改造前 NOX平均排放浓度为600～650mg/Nm3。

锅炉主要设计参数为： 蒸发量（BMCR）2 026 t/h； 炉膛宽度 19.51 m； 炉膛深度 17.37m； 炉膛容 积 热 负 荷 98.3 kW/m3； 燃 烧 器 区 壁 面 热 负 荷1.66 MW/m2； 上层燃烧器至屏底距离 19.15m。

改造的目标是锅炉 NOX排放浓度降低至 400 mg/Nm3以下；炉膛出口飞灰含碳量不大于 3%，锅炉效率不低于基准试验值；锅炉不发生明显结渣和高温腐蚀；锅炉总体性能无明显影响。

2 改造方案

改造后设计煤种采用日常燃用煤种，按大同优混煤 ∶平朔混煤为 3∶2 和 2∶3 进行掺配， 煤质数据见表1。

表1 日常燃用煤质数据

在确定改造方案时，根据锅炉原设计结构参数选取合适的主燃烧区化学当量比是至关重要的。 较低的主燃烧区化学当量比有利于抑制 NOX的生成，但会产生较大的负面影响。由于锅炉原设计炉膛燃尽高度不足，因此在改造方案设计时采用了较大的主燃烧区化学当量比，并注重对主燃烧器分级燃烧的优化。

主燃烧器优化改造方案如下：

将原 B&W 公司 DRB 旋流燃烧器更换为东方锅炉厂低 NOX双调风旋流燃烧器，燃烧器数量和布置位置不变。在前、后墙上层燃烧器上方4.25m 处各增设 6 只燃尽风（OFA）喷口， 燃尽风占总风量的比例为 20%。 炉膛出口过量空气系数为 1.16， 主燃烧区化学当量比为 0.928。 OFA 主要由直流风、 旋流风、 调风器及壳体等组成， OFA总风量通过风箱入口风门挡板调节，在每层燃尽风风道上配置风量测量装置。

东方锅炉厂低 NOX燃烧器结构见图1， 其主要特点是采用径向煤粉浓缩器，获得外浓内淡的煤粉气流，一次风喷口设有稳焰齿环及一、二次风导向扩锥，在喷口附近获得环型回流区和较高的一次风湍动度，以实现焰内还原并提高燃烧器的低负荷稳燃性能。

图1 东方锅炉厂低NOX燃烧器结构示意图

为了在较大主燃烧区化学当量比条件下达到优良的低氮燃烧性能，对东方锅炉厂低 NOX燃烧器和原设计进行了优化改进。通过主燃烧器分级燃烧优化，降低抑制 NOX生成对主燃烧区低化学当量比的依赖度和敏感度，从而达到良好的燃烧性能和低 NOX排放的综合优化。 优化改进主要内容有：燃烧器喷口通流面积和扩锥角度优化及煤粉浓缩器优化改进。此外，为提高燃烧器运行的可靠性和使用寿命，增设了一次风喷嘴冷却风系统，并对一次风喷口材料作了改进。

在现场试验基础上，进行了6个方案的数值模拟计算（见表2）， 通过计算、 分析和比较， 在综合考虑燃烧器出口流场分布、回流区分布和燃烧器内外二次风阻力的基础上，最终选取方案3进行主燃烧器优化改进。

优化改进后， 一次风扩锥角从 45°改为 30°，二次风扩锥角从 45°改为 35°， 浓缩器整体后移1 000mm， 一、 二级浓缩器拉开 250mm， 二次风喷口通流面积比原设计增加约 20%。 方案3 数值计算流场分布如图2所示。燃烧器出口一次风与二次风之间有明显的回流区，燃烧器出口中心线距喷口 1.8 m 处最大风速达到 29.7m/s， 并 迅速衰减， 有利于抑制燃烧初期 NOX生成及煤粉的稳燃和燃尽。

表2 数值模拟计算方案

图2 方案三数值计算流场分布

3 低氮燃烧可能产生的负面影响及改进措施

3.1 可能产生的负面影响

锅炉低 NOX技术改造是一项系统工程， 不仅涉及燃烧系统本身，还必须对改造后可能产生的负面影响进行全面系统的分析评估，并采取相应的技术改进措施。

根据相关文献报导，低氮燃烧可能产生的负面影响有：

（1）由于主燃烧区缺氧燃烧， 煤粉无法燃尽，飞灰含碳量上升， 未完全燃烧损失增加[1]。

（2）主燃烧区的氧量减少， 产生还原性气氛，导致炉膛水冷壁结焦及高温腐蚀[2]。

（3）由于分级燃烧，火焰中心上移，锅炉减温水量增加[3]。

3.2 改进措施

针对锅炉原设计炉膛高度不足、过热器和再热器受热面不匹配、飞灰含碳量不稳定等情况，在实施低 NOX技术改造时，采取了相应的技术改进措施。

3.2.1 部分低温过热器置换为省煤器

锅炉原设计存在过热器受热面过盈而再热器受热面不足的问题。在额定工况下，过热器侧烟道挡板关至低限、再热器侧烟道挡板全开时，过热器减温水量仍达 100～150 t/h， 而再热汽温则较低。低氮燃烧器改造后，炉膛火焰中心上移、燃烧器区域沾污性增强，加之在水冷壁上增设OFA 喷口并拆除部分吹灰器后， 炉膛有效吸热面积减少，对流受热面吸热量增加，过热器受热面过盈问题更加突出。

为了使过热器减温水量保持在适当水平，对锅炉原受热面进行了调整：将锅炉尾部烟道部分低温过热器置换为省煤器，置换面积为 4 735m2。制定置换方案时需关注省煤器出口水温欠饱和问题，防止汽化。根据置换改造后的数据分析，在300～600 MW 工况时， 省煤器出口欠饱和温差为20～40℃， 仍有一定的安全裕度。 部分低温过热器置换为省煤器后，过热器减温水量比置换前下降了 50 t/h 左右。

3.2.2 磨煤机增装动态分离器

锅炉低氮燃烧器改造采用分级燃烧技术，煤粉燃烧初期处于缺氧燃烧状态，着火和燃尽时间推迟，通常会造成锅炉飞灰含碳量上升。为提高煤粉细度和均匀性，使飞灰含碳量保持原有水平，又增装了磨煤机动态分离器。

增装动态分离器后，在煤质和运行条件相同的情况下，磨煤机产出的煤粉细度和均匀性系数提高， 150 μm 以上的大颗粒明显减少。 煤粉细度为R75、 R90、 R150、 R300的含量分别由原来的37.28%、26.99% 、 5.50% 、 0.24% 变 为 30.84% 、 20.38% 、2.24%、 0.05%； 煤粉均匀 性系数 n 由 1.6 提高到1.66。

3.2.3 二次风量控制策略改进

为保证在不同负荷工况下主燃烧区化学当量比的稳定性，对二次风控制策略作了改进。将总风量控制改为二次风箱压力控制，增加锅炉氧量控制对二次风箱压力设定值的修正；根据燃烧调整试验，确定最佳二次风箱压力与负荷以及燃尽风门开度与负荷的关系曲线，并实现闭环控制。机组负荷与二次风箱压力和主燃烧区化学当量比控制曲线见图3。

图3 机组负荷与二次风箱压力和主燃烧区化学当量比控制曲线

4 改造前后的性能比较

实施改造前和改造后分别进行了锅炉性能试验，额定工况下的试验结果数据见表3。

表3 改造前、后性能试验结果数据

完成改造 2年来的实际运行情况表明：低NOX燃烧技术改造后， 锅炉总体性能良好； 在不同负荷工况下，主汽和再热汽温度均能达到设计值；飞灰含碳量和锅炉效率与改造前持平，飞灰含碳量平均值为 3%以下， CO 含量平均值为 250 mg/Nm3以下； NOX平均排放浓度在 300mg/Nm3以下， 比改造前降低了 50%左右， 且在各种工况下 NOX排放浓度波动幅度均不大， 低氮燃烧性能稳定；锅炉除燃烧器区域有少量碎渣外，无明显结渣情况；煤种适应性与改造前基本相同；停炉检查水冷壁无明显减薄和凹陷等高温腐蚀情况。

5 结论与建议

（1）实施低氮燃烧技术改造时， 要对锅炉结构特点、煤质、运行情况、现场条件、可选取的技术改造方案有充分认识，并借鉴国内外同类锅炉低氮燃烧器改造经验，在综合分析的基础上确定合理的 NOX减排目标值。

（2）设计改造方案时要注重主燃烧器分级燃烧优化，并采用较大的主燃烧区化学当量比，降低对主燃烧区低化学当量比的依赖度和敏感度，将低氮燃烧可能带来的负面影响降至最小。

（3）锅炉增设燃尽风喷口是低氮燃烧技术的主要手段之一。要充分考虑锅炉在不同负荷工况下燃烧器与燃尽风配风比例的变化及配风的均匀性，并有一定的调节余地。

（4）对燃烧器改造后可能产生的负面影响要进行分析和评估，并采取相应措施。必要时需同步或分步实施受热面调整、磨煤机增装动态分离器等配套措施。

（5）煤质特性对锅炉 NOX排放和性能影响较大。在燃烧器改造前，要选取合适煤种进行基准试验，以获得锅炉基准性能数据。试验煤种应具有代表性，并将其作为燃烧器改造的设计依据。

[1]朱 懿 灏 ， 夏 杰.1 025 t/h 亚 临 界 一 次 中 间 再 热 锅 炉 低NOX燃 烧 技 术 改 造[J].上 海 电 力 ，2010（2）∶146-150.

[2]周新雅.大型燃煤电站锅炉低氮燃烧技术分析及应用策 略[J].华 东 电 力 ，2003（10）∶6-12.

[3]孟 建 国 ， 元 怀 全 ， 卢 存 河 ， 等.600 MW 电 站 锅 炉 过 热 器减 温水治理 策 略 及 效 果[J].华 北 电 力 技 术 ，2008（6）∶30-34.

（本文编辑：龚 皓）

Low NOXTechnical Retrofit of First 600MW Cross-firing Boiler in China

TU Xiao-bao1， HUWei-feng1， XU Liang1， XU Zhong-xiong1，DAICheng-feng1， YINGMing-liang2
（1.Guodian Zhejiang Beilun No.1 Power Generation Co.， Ltd，Ningbo Zhejiang 315800， China；2.Zhejiang Electric Power Test and Research Institute,Hangzhou 310014， China）

In order tominimize the negative effect resulted from low NOXtechnical retrofit of the boiler，the high stoichiometric ratio in themain burning area is used and the dependence on and sensitivity to low stoichiometric ratio in themain burning area are lowered in the design of burner retrofit.The supportingmeasures are adopted such as adjusting heating surface and installing dynamic classifier for the coal pulverizer.The overall performance of the boiler is desirable after retrofit.NOXreduction rate reaches 50%and the goals are achieved.

600MW； cross-firing； boiler； low NOX； technical retrofit

TK223.2

： B

： 1007-1881（2011）06-0024-04

2011-03-03

屠小宝（1949-）， 男， 浙江宁波人， 硕士研究生，教授级高级工程师，长期从事锅炉燃烧技术研究工作。