于會(huì)泳，張繼武

（金川集團(tuán)有限公司，甘肅 金昌 737100）

1 簡(jiǎn)述

近年來(lái)，伴隨著國(guó)家對(duì)燃煤電廠煙氣排放物控制標(biāo)準(zhǔn)的提高，新建火電機(jī)組在設(shè)計(jì)之初即采用了低氮燃燒技術(shù)的燃燒設(shè)備，但一些早期投產(chǎn)的機(jī)組鍋爐采用的燃燒系統(tǒng)設(shè)備在氮氧化物控制方面能力較差，特別是在單機(jī)容量在150MW以下所配鍋爐，或鍋爐蒸發(fā)量在420t/h左右的鍋爐，金川公司熱電廠兩臺(tái)150MW機(jī)組始建于2004年，投產(chǎn)于2008年，這兩臺(tái)機(jī)組鍋爐在設(shè)計(jì)中采用了第一代低氮燃燒技術(shù)，能夠降低20%的氮氧化物生成，盡管在投產(chǎn)之初能夠滿足國(guó)家環(huán)保部門(mén)的要求，但按照國(guó)家最新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，2014年7月1日之后，要實(shí)現(xiàn)煙氣總出口氮氧化物100mg/m3的新排放標(biāo)準(zhǔn)。為此，金川公司熱電廠在2013年8月-10月分別對(duì)兩臺(tái)機(jī)組鍋爐實(shí)施了鍋爐內(nèi)部低氮燃燒改造，本文重點(diǎn)分析兩臺(tái)鍋爐原有結(jié)構(gòu)方面存在的不足和改造工程在低氮燃燒技術(shù)方面采取的措施。

2 鍋爐結(jié)構(gòu)概況

金川集團(tuán)股份有限公司熱電公司熱電二車(chē)間 DG480/13.7-II10 型鍋爐是東方鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的 2×150MW 燃煤機(jī)組超高壓鍋爐。鍋爐為一次中間再熱π型布置、超高壓自然循環(huán)汽包爐、單爐膛、燃燒器四角布置、切圓燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、采用回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器、露天布置、 爐頂大包、緊身封閉、全鋼結(jié)構(gòu)、雙排布置。

2.1 鍋爐基本尺寸

表1 鍋爐基本尺寸

2.2 設(shè)計(jì)燃煤成分及特性

表2 煤質(zhì)資料

2.3 燃燒系統(tǒng)

圖1 燃燒器切圓布置圖

表4

制粉系統(tǒng)為鋼球磨中間儲(chǔ)倉(cāng)制乏氣送粉系統(tǒng)，每爐配兩臺(tái)磨煤機(jī)，磨煤機(jī)型號(hào)：MTZ3258，設(shè)計(jì)煤粉細(xì)度 R90=20.20%。燃燒設(shè)備為四角布置，切向燃燒，百葉窗式水平濃淡燃燒器，采用切圓布置方式，假象切圓直徑為Φ641。每角燃燒器共布置 10 層噴口，其中有四層一次風(fēng)（A、B、C、D）噴口，一層頂二次風(fēng)（OFA）噴口，五層二次風(fēng)噴口，（AA、AB、BC、CD、DD，其中 AB、CD 層布置有燃油裝置）。一次風(fēng)噴口布置有周界風(fēng)。燃燒器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 噴口布置圖

表3 燃燒器主要設(shè)計(jì)參數(shù)（設(shè)計(jì)煤種，BMCR 工況）

2.4 鍋爐現(xiàn)狀及分析

2.4.1 入爐煤種

鍋爐原始設(shè)計(jì)煤種收到基全水分在 18.3%左右，空干基水分在 1.87%左右。煤的可燃基揮發(fā)分約為 31%，收到基灰分約 21%左右，灰的軟化溫度 T2 在 1103℃左右，熱值約 21000 kJ/kg。實(shí)際燃用煤種見(jiàn)表4。

2.4.2 燃燒器設(shè)計(jì)邊界條件分析

（1）煤質(zhì)條件

根據(jù)電廠設(shè)計(jì)煤質(zhì)、校核煤質(zhì)及現(xiàn)有煤質(zhì)分析結(jié)果，現(xiàn)從煤質(zhì)的著火、燃盡和結(jié)渣三個(gè)方面，對(duì)熱電二車(chē)間兩臺(tái)鍋爐使用燃煤進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

①燃料著火特性

表5 著火穩(wěn)燃特性判別指標(biāo)

燃盡特性判別范圍：F z 傅張指數(shù) 判別范圍及結(jié)論F z≤0.5 極難燃盡0.52.0 極易燃盡設(shè)計(jì)煤質(zhì) F z= 4.3 極易燃盡校核煤質(zhì) F z= 3.4 極易燃盡燃料結(jié)渣特性結(jié)渣特性判別范圍：S T 軟化溫度 結(jié)論>1 3 9 0 輕微1 3 9 0>S T<1 2 6 0 中等<1 2 6 0 嚴(yán)重

②爐膛參數(shù)及燃盡高度條件分析。鍋爐的爐膛容積為2856.3m3，爐膛容積熱負(fù)荷與截面積熱負(fù)荷分別為131KW/m3（ 對(duì) 應(yīng) 113×103KCal/M3H） 與 4.349MW/m2（ 對(duì) 應(yīng) 3.74×106KCal/M2H）。與同類(lèi)型鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)邊界條件對(duì)比表中相比，容積熱負(fù)荷偏大，斷面熱負(fù)荷適中。在低氮改造方案中應(yīng)充分考慮熱負(fù)荷偏高情況，采取有效的分區(qū)燃燒措施。

表6 爐膛主要參數(shù)

3 解決原有鍋爐燃燒系統(tǒng)易結(jié)焦問(wèn)題及抑制氮氧化物生成措施

3.1 燃料分級(jí)

圖3 鍋爐低氮噴燃器冷態(tài)煙花示蹤照片

由于鍋爐原有燃燒系統(tǒng)采用均等配風(fēng)方式、一般水平濃淡分離技術(shù)，在燃燒熱值較高揮發(fā)份偏大煤種時(shí)，會(huì)導(dǎo)致煤粉在噴口周?chē)磳?shí)現(xiàn)迅速燃燒，均等配風(fēng)方式又導(dǎo)致在噴燃器附近大量空氣被送入，最終致使在四角切圓的切向點(diǎn)，因溫度偏高在水冷壁周?chē)纬山Y(jié)渣；根據(jù)對(duì)鍋爐原有系統(tǒng)的分析，本次改造采用燃料分級(jí)技術(shù)，通過(guò)噴燃器噴口結(jié)構(gòu)改變，在噴燃器出口利用多重分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)分成濃淡兩股，濃相在內(nèi)，更靠近火焰中心；淡相在外，貼近水冷壁。濃相在內(nèi)著火時(shí)，火焰溫度相對(duì)較高，但是氧氣比相對(duì)較少，故生成的氮氧化物的幾率相對(duì)減少；淡相在外，氧氣比相對(duì)較大，但由于距火焰高溫區(qū)域較遠(yuǎn)，溫度相對(duì)較低，故氮氧化物的生成也不會(huì)很多。

燃料分級(jí)送入鍋爐爐膛，并且在噴燃器邊界采用了偏置5度角的偏置風(fēng)來(lái)冷卻水冷壁表面溫度，以此來(lái)減輕水冷壁結(jié)渣。同時(shí)，這樣的結(jié)構(gòu)也可使得燃料中的氮氧化物由于在噴燃器出口缺氧而延遲生成，從而抑制氮氧化物的生成。

3.2 燃燒分區(qū)

根據(jù)對(duì)鍋爐容積熱負(fù)荷和斷面熱負(fù)荷計(jì)算數(shù)據(jù)分析結(jié)論可知，為了減少由于容積熱負(fù)荷偏高造成鍋爐上部爐膛出口容易因熱容沒(méi)有被吸收造成在水平煙道形成結(jié)渣，本次改造中采用了總體降低主燃燒區(qū)的分區(qū)燃燒設(shè)計(jì)，將四層煤粉噴燃器噴口分層降低，最高層降低900mm，并且減小每層間距離，由原來(lái)間距1100mm減少為550mm的間距，大大降低了主燃燒區(qū)的高度；而在原有鍋爐二次大風(fēng)箱頂部上移1750mm開(kāi)始設(shè)計(jì)了燃盡風(fēng)風(fēng)箱，利用這兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得在不改變整體鍋爐爐膛高度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了燃燒分區(qū)的設(shè)計(jì)理念。此種結(jié)構(gòu)由于在不同燃燒區(qū)送入的氧量不同，在主燃燒區(qū)基本維持缺氧燃燒，在燃盡區(qū)送入過(guò)量氧的方式，整體抑制氮氧化物在鍋爐爐膛內(nèi)的生成，并且由于主燃燒區(qū)缺氧燃燒，爐膛中心區(qū)溫度偏低，使得熱力型氮氧化物和瞬發(fā)型氮氧化物都難以生成，起到了良好地降低氮氧化物的效果。另一方面，由于主燃燒區(qū)的總體降低，使得該鍋爐在未改變爐膛受熱面的前提下，由于降低了主燃燒區(qū)的燃燒溫度，從而減輕了鍋爐結(jié)渣的可能性，也最終實(shí)現(xiàn)了鍋爐帶負(fù)荷能力的提升。

圖4 改造成主燃燒區(qū)和燃盡區(qū)鍋爐燃燒模擬圖

4 結(jié)論

通過(guò)本次改造工程，在分析原有兩臺(tái)煤粉鍋爐燃燒系統(tǒng)存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，應(yīng)用氮氧化物生成機(jī)理和鍋爐結(jié)渣原因分析，利用對(duì)原有燃燒系統(tǒng)總體高度的降低和噴燃器噴口結(jié)構(gòu)的改變，從而實(shí)現(xiàn)了抑制爐膛內(nèi)氮氧化物的生成，也解決了鍋爐原燃燒系統(tǒng)容易在水冷壁區(qū)域結(jié)渣的問(wèn)題提升了鍋爐出力，經(jīng)過(guò)改造后投入運(yùn)行檢驗(yàn)，效果較好。