宣化热电#1、#2机组低氮燃烧器改造

张立权,李　洁,王胜军（河北建投宣化热电有限责任公司,河北　宣化　075100）

宣化热电#1、#2机组低氮燃烧器改造

张立权,李洁,王胜军
（河北建投宣化热电有限责任公司,河北宣化075100）

河北省环保厅根据申奥工作需要下发了新的环保要求，张家口地区燃煤电厂烟气氮氧化物自2015年11月1日必须达到50mg/m3以下的排放要求。河北建投宣化热电有限责任公司2×300MW机组改造前NOx排放量控制在100mg/m3以下，不能满足50mg/m3以下的新排放标准，需对燃烧系统进行低氮燃烧改造，实现更加深度的分级燃烧，达到降低NOx排放值的目的。

环保指标；NOx排放；50mg/Nm3，燃烧系统改造

1　项目简介

河北建投宣化热电有限责任公司2×300MW机组是北京巴布科克•威尔科克斯有限公司提供的亚临界参数、自然循环、前后墙对冲燃烧方式、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、紧身封闭、全钢构架的∏型汽包炉。锅炉原脱硝入口设计NOx在450mg/m3，脱硝出口90mg/Nm3，效率为80%，经过脱硝后机组氮氧化物排放稳定在70～80mg/m3。由于环保要求提高，现需要将脱硝出口排放降低到50mg/Nm3，原有脱硝系统已不能满足要求，必须对原锅炉系统低氮燃烧改造。

2　NOx排放值高的原因分析

2.1NOx的生成机理

NOx有三种生成机理：第一种为热力型，系由空气中的氮与氧在较高温度下反应生成，该反应一般在1500℃以上进行，其生成量与温度、在高温区停留时间以及氧的分压有关；第二种为燃料型，为煤中的有机氮氧化生成，其生成量与温度关系不大，生成温度低于热力型，但与氧浓度关系较密切，煤粉与空气的混合过程也对其有显著影响；第三种为瞬发型（或称快速型），系由燃料中烃基化合物在欠氧火焰中与气体中氧反应生成氰化物，其中一部分转化为NO，其转化率与化学当量及温度有关。煤粉燃烧所生成的NOx中，燃料型NOx比例较大，约为60%～80%以上，热力型约占总量的20%，而瞬发型反应生成的NOx只占很小比例。

2.2影响NOx产物生成的主要因素

从NOx的形成机理可以看出，煤粉在燃烧过程中产生的NOx主要是燃料型NOx，其次是热力型NOx，瞬发型（或称快速型）NOx所占比例较小不超过5%，在设计中一般不予考虑。因此影响NOx产物生成的主要因素是：燃烧区域温度、提供的氧量大小、反应时间及燃料中的氮含量。任一因素的增长将直接导致氮氧化物生成的增加。

根据以上原理分析可知，分级燃烧是降低NOx的关键。越深度的分级燃烧对降低NOx越有利，富燃料状态持续时间越长，NOx排放越低。如果希望将#1、#2机组NOx排放值降低到250mg/Nm3以下，需要将更多的风作为燃尽风从燃烧器区上方分级送入炉膛，并将原燃尽风系统上移，增加煤粉欠氧燃烧的时间。然而，欠氧燃烧势必对燃烧系统的稳定性产生不利的影响，燃烧器区风量越少，煤粉燃烧越困难，火焰越不稳定。直接带来的负面影响是飞灰、炉渣含碳量增高，导致锅炉经济性变差；另外大量的风从燃烧器区上方送入，煤粉在此高度燃烧更加剧烈，炉膛内火焰中心将有上移的趋势，会造成屏底及尾部受热面结焦加重、减温水量增加、金属壁温超温等现象。因此，在降低NOx排放的同时，如何维持锅炉经济性以及运行安全性的原有水平就成为了低氮燃烧改造技术是否成熟、改造结果是否成功的关键。

3　低氮燃烧系统改造方案

3.1对原OFA系统进行优化

锅炉原燃烧系统设有OFA系统，位于最上层燃烧器上方4500mm位置，前后墙各5只OFA喷口；主燃烧器区化学当量约为0.9左右。根据燃烧烟煤的其他锅炉OFA系统可知，本工程主燃烧器区化学当量取值过于保守，OFA喷口高度不够，空气分级程度低，不利于减少NOx的生成。根据此情况，本次改造将主燃烧器区化学当量定位0.8～0.85左右，并将OFA喷口标高上移1500mm，由5只改为6只，前后墙共12只OFA喷口。

3.2更换原燃烧器

锅炉原设计采用DRB-XCL燃烧器，由于燃烧效率及空气利用率的影响，很难使主燃烧器区的化学当量控制的更低。根据现有经验和计算，AireJet型超低NOx双调风旋流燃烧器结合DRB-4Z燃烧器再配合使用OFA喷口对降低NOx和防止结焦效果最好，故本次改造对原有除前后墙最下层以外的12只燃烧器进行更换，采用美国B&W公司研制的AireJet型超低NOx双调风旋流燃烧器替代原有燃烧器；对前后墙最下层的8只燃烧器进行更换，采用美国B&W公司研制的DRB-4Z燃烧器代替原有燃烧器。为了使锅炉断面热负荷更加均匀、留出煤粉后期燃尽时间，需将后墙最上层燃烧器移至后墙中层。

AireJet燃烧器仍旧采用B&W公司传统的双调风的宏观结构，但与以往各型燃烧器燃烧器不同的是在一次风筒内增设了中心风筒（见图1），这样的结构设计是基于与以往不同的低氮燃烧理念而成的。总的来说，中心风的引入，使煤粉气流处于中心风与内二次风之间的圆环中，煤粉气流受到热二次风的加热，由于加热面积大大增加，有利于煤粉中的挥发分更快、更多的析出，有利于煤粉快速地着火；燃烧迅速而剧烈能快速消耗氧，不但使煤粉的燃尽时间相对延长，有利于降低飞灰含碳量；煤粉被内、外两股强烈的二次风气流包裹住，很难从中逃脱出来，也避免了煤粉刷墙的问题。因此，AireJet燃烧器不但具有超低NOx排放能力，而且具有着火迅速、低负荷稳燃能力强、燃烧效率高、抗结焦性能好和煤种适应性强等方面的特点。

由于前墙最下层燃烧器采用等离子点火，后墙最下层也需要增加等离子点火系统，。而Airejet燃烧器存在中心风，无法安装等离子点火设备。故本次改造将前后墙最下层燃烧器更换为DRB-4Z燃烧器。

DRB-4Z燃烧器的特点：DRB-4Z燃烧器共分为四个区域（见图2）：第一个区域为一次风和煤粉混合物的流通区域，第二个区域为环绕在一次风外围的过渡区，第三和第四区域分别为内、外二次风。燃料的初始燃烧阶段发生在燃料相对富集的燃烧器喷嘴附近，处于过渡区域的空气作为燃料富集区和内二次风之间的缓冲区。由于过渡区为直流，因而过渡区的二次风气流可推迟外围旋转气流过早与一次风中的煤粉接触，并向核心部分卷吸高温烟气。在这个过程中，由于缺氧，析出的挥发份氧化后会产生还原性物质，抑制了NOx的生成量。随着燃烧过程的推进，内外二次风按一定的比例通过调风器进入燃烧器，由于内外二次风是旋流的，具有一定的旋流强度，通过卷吸高温烟气，提供煤粉着火和稳燃需要的热量，并及时补充煤粉燃烧需要的氧量，有利于煤粉的燃尽，同时在此过程中，前期还原性物质的存在，能将燃烧形成的NOx还原成氮气（N2），进一步降低NOx的生成量。

3.3其他附属设备的改造

由于需要将更多的风从燃烧器上方送入炉膛，新设计的燃烧器喉口尺寸将会变小，因此原水冷壁开孔也将同时更换；OFA喷口的上移，也需将原OFA水冷壁开孔进行更换。水冷壁开孔采用膜片形式安装，最大限度地减小现场安装工作量。

由上述分析可知，在降低主燃烧器区化学当量的情况下，由于新燃烧器在分级燃烧方面的先进性，结合OFA喷口的上移，省煤器出口NOx排放比改造前能够降低30%以上。并且由于新燃烧器在着火稳燃上的先进性，低氮改造后并不会对原锅炉效率和运行安全性产生影响。故改造后能将锅炉NOx排放值控制在250mg/Nm3以下，并且锅炉效率、飞灰含碳量及炉渣含碳量能够保持在改造前的水平。

4　低氮燃烧系统改造经济性分析

为降低电厂的NOx排放，大体有两种相对经济的方案可供选择：

（1）对锅炉燃烧器进行改造。

（2）脱硝加装一层催化剂。

对于运行成本，催化剂的更换是关键问题,3+0层催化剂（即直接添加一层）的寿命管理分析如下：在初装3层运行3年后、催化剂活性达不到90%情况下，采用催化剂更换的手段，取出劣化程度最高的旧催化剂，替代以新催化剂；此时的旧催化剂活性仍比较高，仍有80～90%的活性，一方面对旧催化剂是种很高的浪费，另一方面添加的新催化剂对整体活性增加有限，催化剂在运行很短的时间（大概一年）后，催化剂又需要更换；催化剂的平均更换周期也是1年、催化剂的使用率偏低、催化剂运行成本很高。以10年计，需更换8层催化剂。以3万/m3计（同上），8层催化剂按每层130m3计，价值3120万元，平均每年312万元。

对于氨耗量，方案一的一台锅炉氨耗量为112kg/h，方案二的氨耗量为178kg/h，以每年6500小时运行，液氨3000元/吨计，10年间，方案一氨耗量成本2184万，方案二氨耗量成本3471万。运行成本（以10年跨度折算到每年）对比如下：1）方案一氨耗量218.4万元；方案二催化剂更换费用312万元、氨耗费用347.1万元，合计659.1万元。综上，以10年计，方案一低氮燃烧器改造的总投资为2880+2184=5065万元；方案二脱硝改造总投资为1510+6591=8101万元，总投资方案一比方案二节约3036万元。

5　结论

低氮燃烧技术是根据氮氧化物的生成机理，主要通过采用空气分级燃烧、燃料分级燃烧和低氮燃烧器等方法降低煤粉燃烧过程中氮氧化物的生成量的技术。这类技术具有相对简单，投资、运行费用较低等特点，是经济、有效的技术措施，对部分煤种如果优化设计或改造效果良好，则无需对原脱硝系统进行增容改造。河北建投宣化热电有限责任公司2×300MW机组目前运行状况良好，本次低氮改造本着尽量减少原系统变化的原则，对OFA系统，燃烧系统进行了升级优化，能够降低脱硝系统入口30%NOx排放量，并且不会对锅炉经济性和运行安全性进行影响。如果改造后能够达到改造目标，将会大幅度降低污染排放量以及电厂运行成本。

张立权，从事生产管理工作，工程师。