摘要：按照国家环保要求，阜康能源热电厂540t/h#1、#2号锅炉SCR入口NOx>300mg/Nm3以上，在SCR脱硝效率在80%的前提下，为保证SCR出口NOx≤50mg/Nm3以内，必须保证SCR入口NOx≤250mg/ Nm3以内，考虑波动值则必须保证SCR入口NOx≤230mg/ Nm3。如果不进行低氮燃烧器改造工作，则对SCR脱硝压力较大，同时由于喷氨量大，也会造成氨逃逸量偏大，容易生成硫酸氢铵，极易堵塞空预器，且降低锅炉的运行经济性。为满足国家环保要求，对锅炉进行低氮燃烧器改造。
关键词：SCR入口NOx;低氮燃烧器
0 引言
本改造工程锅炉为超高压，四角切圆燃烧、单锅筒自然循环、∏型、一次中间再热、紧身封闭，平衡通风，固态排渣，全钢构架双排柱悬吊结构，锅炉所采用的制粉系统为制粉系统为中速磨冷一次风直吹式制粉系统，磨煤机型号：ZGM65G-Ⅱ。每台炉配置4台中速磨煤机。
1 锅炉运行现状及存在的问题
根据现场锅炉运行情况，并与相关低氮改造厂家人员的沟通，经过我们的详细研究论证，并结合电厂提供的锅炉现状分析资料，认为原燃烧系统存在以下几点问题：
（1）、当前磨煤机选型偏小，导致碾磨出力较低，影响锅炉带负荷能力。
（2）、由于空预器堵塞严重，空预器效率较低。且磨煤机入口冷风门全关情况下，入口混合风温比空预器出口一次热风温度低20℃左右。我方怀疑一次风冷风门漏风严重，导致一次风温较低。
建议大修期间对空预器进行清灰疏堵，同时检修一次风冷风管道关断门，或者在管道上安装插板门。通过以上两项措施可以适当提高一次风风温。
2 CEE燃烧系统优化改造思路
针对本厂锅炉所存在的问题进行CEE燃烧系统技术优化改造降低氮氧化物排放，并解决上文中所提到存在的部分问题。
2.1 需要电厂进行优化的部分
在大修期间应当对空预器进行除灰疏堵，提高空预器的热效率。对一次风冷风管段的关断门进行检修，或者新增插板门，减小冷风段漏风提高一次风风温。
2.2 防止增大大渣含碳量的措施
为减小大渣含碳量，我方本次设计的托底风喷口（最下层二次风喷口）保留其较大的喷口面积设计。以起到托粉的效果，我方承诺改造后的大渣含碳量低于改造前实际运行值。
3.3 防止飞灰含碳量升高的设计
通过电厂的优化处理，如果能提高一次风风温，则配合我方有效的对置丘体式水平浓淡煤粉燃烧器，使浓煤粉在向火侧进入炉膛，优先接触高温烟气，这样不但降低了煤粉的着火热，还增大了煤粉在高温区的停留时间，有利于煤粉的燃尽，可以确保改造后低于改造前。
由于目前锅炉实际运行减温水量低、且SCR入口烟温偏低，因此取消原来方案中的下倾设计，所有燃烧器均为水平进入炉膛。
3.3 对降低NOx排放的措施
在保证锅炉安全和经济的前提下，设计在离顶一次风标高5000左右新增2层共计8只燃尽风喷口。两层燃尽风布置在标高为27400的刚性梁下边。把炉膛纵向空间分为主燃区、还原区和燃尽区，且燃尽风喷口设计成“扁平”式预置反切10°设计，可以有效降低NOx排放。
在水平截面区域，则对一次风燃烧器设计成我方的对置丘体式水平浓淡煤粉燃烧器。
3.4二元矢量喷口的应用
本次#1、2炉的低氮改造设计中，设计对主燃区除油喷口及OFA外所有二次风喷口更换成二元矢量喷口。二次风喷口在运行中可以对其面积进行调整。这样可以增加一个调节手段。当由于煤质的变化引起二次风喷口风速偏低时，可以调小二次风喷口面积，这样可以保证二次风喷口风速达到设计值。
4 CEE燃烧系统优化改造内容
4.1 燃尽区域改造
增加燃尽风、建立还原区域，主要开展以下2方面工作：
（1）增加二层燃尽风喷口(四个角共8个喷口)，燃尽风喷口在锅炉四角布置，燃尽风风率为25%左右，燃尽风风速设计45m/s左右，新设计的分离燃尽风喷口预置反切10°，同时可垂直摆动，垂直摆动上下各20度，为执行器操作；解决了燃尽风无还原区域，且调节手段单一的问题。并实现炉膛燃尽风位置的有效覆盖，可根据锅炉运行状况（燃尽、NOx排放、过热器汽温偏差等）进行喷口角度的适当调整，用以减小高温烟气残余旋转，调节烟温偏差和汽温偏差，并保证过热器管壁不出现超温问题。燃尽风布置位置处于两层刚性梁之间，即24900和27400之间，靠近27400刚性梁位置。
（2）增加低阻力的燃尽风风道，优化设计燃尽风风道，采取从原大风箱顶部引进燃尽风，现场的步道平台、及支撑平台的钢梁需要拆掉，吹灰器主管路需要改向，同时左右侧墙需要各拆掉一个吹灰器，以方便燃尽风风道的布置。减少弯头数量降低阻力，入口位置增加强制倒流装置，能够满足其降低NOx排放功能的充分发挥。
大空间分级预制反切的SOFA喷嘴（图3）具有垂直摆动功能，风速高贯穿性强，有效保证消旋和混合，相应的延长未燃尽可燃物停留时间，飞灰可燃物燃尽率高，炉膛出口烟温均匀，能够保证消旋效果和燃尽效果，保证锅炉安全经济运行，同时SOFA高度提升后，NOx还原空间和时间相应延长，相同条件下NOx还原更充分。经过对多个改造案例的数值模拟分析及实际改造结果发现，能够保证改造后，NOx排放浓度大幅下降，炉膛出口烟温不升高，高温受热面壁温不超温，有效防止结焦和高温腐蚀。
图1 预制反切SOFA射流示意图
燃尽风的设置是为了降低烟气中的未燃尽物质。一般燃尽风与主燃烧器之间设置有还原区，此距离的设置目的是为了降低烟气中的NOx浓度。理论上，此距离越大，则欠氧条件下烟气的停留时间越长，烟气中已经生成的NOx和还原性物质可以充分反应，可以不考虑化学反应动力学的限制，从而烟气出口中NOx排放浓度越低。但是，由于锅炉最上层一次风燃烧器距离大屏底部的距离一定（本锅炉为13050mm），因此，当还原区越大时，燃尽区则越小，且随着水冷壁吸热量的增加，烟气温度降低，未燃尽物质在可燃温度范围内的停留时间越短，因此则会导致飞灰含碳量增加。
4.2 一次风燃烧器改造
为提高锅炉的煤种适应性，同时防止出现水冷壁结焦、结渣及高温问题，对本锅炉燃烧系统进行主燃烧区煤粉燃烧器重新优化设计改造。不改变原一次风燃烧器后端接口位置。将原煤粉燃烧器更换为我方的对置丘体式水平浓淡煤粉燃烧器（除A层等离子燃烧器），增大背火侧（淡侧）周界风量，在主燃烧区水平截面形成连续的 “浓淡风”的“风包粉”燃烧空气动力场，不仅强化煤粉的着火稳燃，且防止煤粉颗粒刷墙贴壁，达到防结焦、结渣的目的，同时通过控制煤粉燃烧初期的氧量极大地抑制了NOx的生成，且使挥发份析出生成大量的含氮基元，为大空间的NOx还原提供还原剂。
图2 对置丘体水平浓淡一次风煤粉燃烧器
为了防止锅炉运行中出现煤粉燃烧器磨损的问题，采用防磨损、可更换并起导流作用的对置丘体结构，以及耐高温防磨损的燃烧器喷嘴（ZG40Gr24Ni9Si2TiRe）。根据原设计的煤粉燃烧器的设计特点，喷嘴钝体的作用除了其本身的稳燃作用之外，还有对一次风进行导流进入炉膛的作用，不仅要承受煤粉颗粒的撞击磨损，而且接受炉膛燃烧火焰的高温辐射，工作环境恶劣，容易出现钝体磨损、烧穿的问题。本公司研究、开发、优化的对置丘体高效浓缩水平浓淡煤粉燃烧器很好地解决了这个问题，利用一次风风筒内布置的对置丘体对浓侧煤粉进行导流反切进入炉膛，而钝体仅作分隔浓、淡一次风之用，这样钝体就不会受煤粉颗粒的撞击磨损，大大增加了钝体的工作寿命；另外，本公司独有的丘体导流块有着磨损余量大、回流区小、阻力低等特点（见数值模拟部分）。
本次低NOx燃烧系统改造项目中的煤粉燃烧器将采用防磨损、防高温的材料，对容易磨损的丘体采用整体陶瓷结构，且设计成抽取可更换的法兰固定结构，保证在实施改造后一个A级检修周期(6年)内燃烧器不发生因磨损、高温等原因造成的任何部件的更换，并不发生因磨损等原因造成的煤粉泄漏。
4.3 二次风喷口
所有二次风喷口更换，除油喷口及OFA外所有二次风喷口采用我方的二元矢量喷口（能够实现出口截面积可调）。
托底风具有较大的通流面积，以保证托粉效果。
图3 二元矢量喷口
为了保证SOFA风量，达到降低氮氧化物的效果，同时保证飞灰含碳量和防止锅炉水冷壁高温腐蚀及结焦状况。对所有的二次风喷口依据配风需要重新核算后进行更换，更换为我公司新开发设计的二元矢量喷口。二元矢量喷口的出口截面积通过摆动机构是可调的，二元矢量喷口的作用是当锅炉因负荷变化或煤种变化而引起风量改变时，对应调整喷口出口截面积从而改变出口风速，保证合适的二次风动量和刚性，达到最优动力场效果。
当二次风喷口风速偏离设计值时，二次风与煤粉混合强度减弱。这时为了强化主燃烧区域燃烧条件，相对欠氧燃烧的主燃烧区域存在过氧的可能，部分还原介质CO燃烧，不参与NOx的还原反应，导致NOx的排放量高，而二元矢量喷口正好弥补了这个缺点，通过调整喷口面积保证二次风速，既能使燃料燃烧充分，又能达到降低氮氧化物的效果。
在低负荷时，由于二次风风速降低，远离了设计风速，因此导致实际切圆偏大，增大了水冷壁的对流换热，而由于动量的不足，导致一二次风的混合不够，虽然增大了煤粉停留时间，运行氧量也较高，但是飞灰含碳量不会有明显的降低，相反可能还会升高。切圆的变大实际上也是降低了火焰中心。
可调矢量喷口技术在低负荷时通过调整喷口截面积，使二次风风速达到设计值，保证了一二次风的及时混合的同时，实际切圆满足设计值，不会使火焰中心偏离，因此也可以调节汽温作用。
（1）实施改造后，保证锅炉在低负荷到BMCR负荷满足NOx排放值小于230 mg/Nm3。
（2）改造后锅炉效率不低于原锅炉效率设计值，同时保证飞灰维持原水平，CO排放浓度不高于100µL/L。
（3）实施改造后，锅炉汽温可控，保持正常范围内。
（4）改造后的锅炉运行必须具备安全性、经济性及可操作性，燃烧系统能够扩大煤种适应性，确保燃烧稳定性，同时防止结渣与高温烟气腐蚀。
（5）改造后锅炉的控制模式基本维持不变。
（6）实施改造后，不发生包括燃烧器区域在内的锅炉结焦和炉膛的高温腐蚀。
（7）实施改造后，不发生由于燃烧器改造而引起的受热面金属管壁超温或水冷壁爆管。
（8）实施改造后一个大修周期（5年）内燃烧器本体、弯头等不发生因磨损、高温等原因造成的任何部件的更换。
5 结语
通过低氮燃烧器改造后达到了国家环保要求NOx≤50mg/Nm3 。
参考文献:
[1] 浅谈低氮燃烧器技术及其改造方法-《科技创新与应用》
[2]华西能源锅炉说明书
[3]低氮燃烧器改造标准及规范
[4]低氮燃烧器改造及运行调整方法探讨-《华北电力技术》
论文作者:闫泽卫
论文发表刊物:《电力设备》2018年第9期
论文发表时间:2018/7/3
标签：锅炉论文; 喷口论文; 燃烧器论文; 燃尽论文; 煤粉论文; 炉膛论文; 磨损论文; 《电力设备》2018年第9期论文;