國外幾種鍋爐低氮燃燒改造方案及業(yè)績考察

1、國外幾種鍋爐低氮燃燒改造方案及業(yè)績考察賈宏祿(江蘇利港電力有限公司,江蘇江陰214444摘要:介紹了美國FW 、美國ABT 及英國MBEL 幾家公司針對江蘇利港電力有限公司(以下簡稱利港電廠鍋爐降低氮氧化物、燃燒系統(tǒng)改造的幾種方案及降低氮氧化物的原理。通過考察,對這幾家公司成功改造或制造的低氮燃燒鍋爐實際運行情況進行了分析,根據(jù)利港電廠機組的基本情況,提出了美國低氮燃燒器存在的問題以及利港電廠低氮燃燒系統(tǒng)改造的基本要求。關(guān)鍵詞:鍋爐;燃燒;氮氧化物;低氮燃燒器;燃盡風;氧量中圖分類號:TK227.1文獻標識碼:B文章編號:1009-0665(200603-0081-04收稿日期:2005-12

2、-06;修回日期:2006-03-27科普園地Jiangsu Electrical Engineering2006年5月江蘇電機工程第25卷第3期為了降低氮氧化物排放水平,江蘇利港電力有限公司(以下簡稱利港電廠計劃進行鍋爐燃燒系統(tǒng)改造,2005年首先在1號爐上進行改造。為做好該項工作,利港電廠了解了美國FW 公司、美國ABT 公司、英國MBEL 公司鍋爐及燃燒系統(tǒng)改造的低氮燃燒技術(shù),并對這些公司改造過的電廠進行了考察。1幾家公司的改造方案和低氮燃燒改造原理1.1美國FW 公司的改造方案及原理FW 公司是利港電廠1、2號爐的原設(shè)計和制造公司,對1、2號鍋爐整體設(shè)計及運行情況清楚。FW公司的改造方

3、案是保持原有燃燒器數(shù)量和位置不變,將FW 的第1代低氮燃燒器更換為降低NO X 功能更強的第4代VS/SF 型分割火焰低氮燃燒器。并在前墻增加6只旋流式雙調(diào)風燃盡風(OFA 噴口,原則上保留原來在前、后墻和側(cè)墻的8路邊界風系統(tǒng)。另外,增加電荷轉(zhuǎn)換(ECT 煤粉流量測量系統(tǒng)和空氣分布測量(RADM 系統(tǒng),可以保證各燃燒器之間的煤粉和燃燒均勻,并進一歩降低NO X 和防止鍋爐效率下降。FW 公司降低NO X 對燃燒器改造的原理是典型的推遲煤粉著火、控制,并降低著火區(qū)的氧量。采用的主要方法是一次風分割火焰、二次風分級、外二次風軸向可調(diào)旋流、一次風和內(nèi)二次風軸向進入,在燃燒器區(qū)上部增加OFA 系統(tǒng)。1

4、997年FW 公司開發(fā)的VS/SF 型低氮燃燒器與利港電廠現(xiàn)有的CF 型、二次風雙調(diào)風低氮燃燒器相比,將一次風由原來的蝸殼進入改為通過彎頭軸向進入,一次風粉出口處噴口將煤粉氣流分割成4個橢圓型和一個環(huán)狀噴口噴出,一次風粉管中心有三次風筒,三次風筒可進行軸向調(diào)整,以實現(xiàn)在不改變一次風量情況下改變一次風速。內(nèi)二次風由原來的旋流葉片徑向可調(diào)改為無旋的,但增加了內(nèi)二次風量調(diào)整擋板,外二次風也由原來的徑向可調(diào)葉片改為軸向移動可調(diào)旋流套筒。改造后的內(nèi)、外二次風的調(diào)節(jié)機構(gòu)簡化,方便調(diào)整。OFA 噴嘴使用套筒調(diào)節(jié)其總風量,OFA 噴嘴分為內(nèi)外二級,外側(cè)風經(jīng)過軸向可調(diào)旋流套筒后旋流進入,內(nèi)側(cè)風量擋板可調(diào)節(jié)進入內(nèi)

5、側(cè)的風量。對OFA 噴口的布置和防止腐蝕問題,FW 公司準備采用計算機流體動力學分析系統(tǒng)(CFD 模擬后確定,認為通過燃燒器改造并增加OFA 系統(tǒng)能達到利港電廠要求的400mg/Nm 3NO X 排放要求。FW 公司建議加裝ECT 煤粉流量測量系統(tǒng)和RADM 系統(tǒng),它可測量煤粉和空氣并且自動調(diào)整空氣量使兩者相匹配,以保證各燃燒器的燃燒均勻,保持更低的NO X 排放和相對更高的鍋爐效率。如果加裝了ECT 和RADM 系統(tǒng)與VS/SF 型低氮燃燒器和OFA 相結(jié)合,預(yù)計NO X 排放可再下降10%,達到不大于360mg/Nm 3滿負荷下的NO X 排放水平。FW 公司認為通過對燃燒器和OFA 系統(tǒng)

6、的優(yōu)化,使通過鍋爐出口的氧氣和煙氣分布更加平衡。均勻的分布將會使溫度分布更好,過熱器和再熱器的出口溫度及金屬溫度分布將更均勻。1.2美國ABT 公司的改造方案及原理ABT 公司認為目前利港電廠NO X 排放量過高的原因是:目前使用的燃燒器技術(shù)和性能較落后,另外鍋爐原設(shè)計的降低NO X 措施也是針對所有的燃燒器即所有磨煤機(以下簡稱磨全部工作的情況下設(shè)計的,而機組正常運行中基本不采用4臺磨同時運行方式。所以解決問題的主要方法是:改進燃燒器二次風分布是解決針對利港電廠1、2號機組81現(xiàn)有問題的措施的一部分,改進風箱使進入燃燒器的空氣分布更加合理,使燃燒器采用分段多級送風,達到設(shè)計的最佳二次風速即可

7、減少NO X,并進一步提高了噴燃器的性能。另一個主要措施是利用ABT的現(xiàn)代Opti-Flow TM低NO X噴燃器使燃燒狀態(tài)達到最佳,減少氮氧化物的排放。新式的一次風進口彎管將包含一個燃料分布裝置來消除在煤粉管道形成的繞繩現(xiàn)象,使噴嘴出口處產(chǎn)生近乎均勻的燃料分布。減少噴嘴出口處的煤粉不平衡狀況,提高火焰的穩(wěn)定性、碳的完全燃燒以及對NO X的控制能力。另外,ABT公司分析再熱器管金屬溫度高、偏差大原因可能是因為二次風分布不平衡導致火焰和煙溫分布不均勻,加之現(xiàn)有燃燒器性能較差所致。通過以上燃燒系統(tǒng)改造將對緩解再熱器管金屬溫度高、偏差大問題有積極作用。ABT公司是專業(yè)從事燃燒器設(shè)計和燃燒系統(tǒng)改造的技

8、術(shù)性公司,在低氮燃燒器的升級上有較豐富的經(jīng)驗,能使氮氧化物的排放量降低,運行性能提高。改造方案是:原有燃燒器數(shù)量和位置不變,將鍋爐原來燃燒器更換為ABT公司具有低NO X功能的Opti-Flow TM燃燒器;在燃燒器上部增加4只OFA噴口(電動調(diào)節(jié),在上層燃燒器靠二側(cè)墻處增加2只防止高溫腐蝕的Wing Port噴口;對原來的大二次風箱經(jīng)過CFD優(yōu)化后進行加穩(wěn)流裝置的改造,以提高各層燃燒器及各燃燒器進口之間二次風壓的均勻性;一次風管由蝸殼式進入改為彎頭軸向進入,并在燃燒器進口處的一次風管彎頭上加裝均衡器,提高燃燒器一次風筒中煤粉分布均勻性;另外在磨煤機出口的一次風粉管加裝平衡閥以實現(xiàn)各煤粉管之間

9、的均衡分配。油槍改為從二次風處斜插入,該燃燒器特點是一次風阻力小,內(nèi)、外二次風量調(diào)節(jié)機構(gòu)簡單可靠。Opti-Flow TM燃燒器降低鍋爐NO X排放主要原理是:控制各燃燒器之間及燃燒器內(nèi)部煤粉的不均勻性,在燃燒器區(qū)不使其處于缺氧狀態(tài)下燃燒,增加OFA系統(tǒng)并適度投入OFA以實現(xiàn)充分燃燒和進一步提高NO X還原率,降低NO X排放。ABT燃燒器的主要特點是:一次風粉噴口為六瓣梅花狀并加有穩(wěn)燃器,一次風粉通過彎頭軸向進入,一次風粉筒內(nèi)沒有油槍和三次風套筒,減小了一次風阻力。外二次風為徑向調(diào)節(jié)旋流葉片,內(nèi)二次風設(shè)置了軸向移動的風量調(diào)節(jié)擋板,內(nèi)二次風旋流葉片角度固定不可調(diào)。OFA系統(tǒng)采用獨立的OFA風箱

10、,通過調(diào)節(jié)擋板可單獨調(diào)節(jié)每只噴嘴風量。OFA噴口是橢圓型,且是無旋的。這種設(shè)計能在噴口軸向處產(chǎn)生軸向流動區(qū)域,可增強空氣的穿透力,而且水平方向上的氣流能夠覆蓋相鄰兩列燃燒器之間的區(qū)域。從二次風箱直接引入防止高溫腐蝕的Wingport風噴口,噴口的風量以及風向可調(diào)節(jié)是ABT公司的獨特設(shè)計。可以通過CFD優(yōu)化OFA噴口和所有防腐蝕裝置的設(shè)置,以確定OFA噴嘴的最佳布置位置。1.3英國MBEL公司的改造方案及原理MBEL公司是利港電廠3、4號爐的原設(shè)計公司,是一家鍋爐設(shè)計、制造的公司,不但有鍋爐整體設(shè)計和制造的經(jīng)驗,而且對于鍋爐燃燒系統(tǒng)及整體改造也有很多非常成功的經(jīng)驗。MBEL公司認為目前利港電廠1

11、、2號機組鍋爐NO X排放量過高的主要原因是目前使用的燃燒器技術(shù)和性能較落后,且單只燃燒器的熱負荷過高,造成燃燒區(qū)域溫度高所致。其改造方案中,燃燒器將采用類似于利港電廠二期3、4號鍋爐采用的軸向調(diào)節(jié)旋流式低氮燃燒器替換1、2號爐上現(xiàn)有的CF型燃燒器,MBEL公司認為對利港電廠的改造方案需降低單只燃燒器的熱功率,將4×4只燃燒器改為4×6只燃燒器,形成與現(xiàn)有爐膛深度相適宜的低氮火焰。二次風分為二級,內(nèi)、外調(diào)風器均為軸向旋流套筒調(diào)節(jié),并增加燃燒器的層二次風量調(diào)節(jié)。一次風粉可以采用從切向進入或軸向彎管進入。MBEL公司認為低氮燃燒器會使火焰變得細長,長度增加后,如果單只燃燒器輸入

12、功率較大,而且爐膛尺寸較小,有可能影響后墻水冷壁管的壽命。MBEL公司的OFA噴口為圓形分二級,內(nèi)側(cè)風軸向進入并有一風量擋板可調(diào),外側(cè)OFA風有軸向調(diào)整旋流的套筒。在布置上,除在前墻安裝與燃燒器相同數(shù)量(6只的OFA噴口外,還在側(cè)墻安裝4只OFA噴口。MBEL公司降低NO X改造的原理是降低單只燃燒器的熱負荷,其低氮燃燒器機理是盡量提高燃料中揮發(fā)分的析出率以取得最大的揮發(fā)分生成量。二次風采用分級配風,在煤粉著火初始區(qū)域造成一個NO X還原區(qū)(缺氧區(qū),以盡量減少NO X的生成,同時又要使供氧量足以維持穩(wěn)定的火焰。優(yōu)化煤粉在還原性氣氛區(qū)域的滯留時間和溫度,提高已經(jīng)生成的NO X的還原反應(yīng),盡量減少

13、NO X生成。由燃燒器上方的OFA引入剩余風量使得燃料燃盡。2幾家公司低氮燃燒系統(tǒng)改造業(yè)績考察情況2.1FW公司制造、設(shè)計的幾家電廠情況(1美國Logan電廠1994年投產(chǎn)的225MW機組鍋爐由FW公司制造,燒煙煤(干基揮發(fā)分34%,江蘇電機工程82賈宏祿:國外幾種鍋爐低氮燃燒改造方案及業(yè)績考察前墻燃燒,4層燃燒器,每層3只。前、后墻各安裝了5只OFA噴口。OFA風量占總風量的15%,前、后墻OFA風量比大致是3:7。該廠2年前增加了煤粉流量在線測量系統(tǒng)ECT。目前NO X排放為455mg/Nm3,設(shè)計時鍋爐高度偏低,飛灰含碳量為15%20%。該廠安裝的ECT系統(tǒng)目前僅用于測量。為改善煤粉流量

14、的不均衡,在2臺磨的出口增裝了煤粉分配器?，F(xiàn)場觀察鍋爐燃燒器的著火和燃燒很好?？刂剖矣^察的參數(shù):負荷為210MW,氧量為3%, NO X為383mg/Nm3,CO為61184mg/Nm3。(2寧波臺塑電廠鍋爐為FW公司設(shè)計,臺塑重工生產(chǎn)、制造的配150MW機組的鍋爐,燃燒器采用FW的分割火焰燃燒器,鍋爐沒有再熱器,為前墻燃燒方式。前墻布置4層燃燒器,每層2個燃燒器。在后墻布置4只OFA噴嘴,OFA風量由風箱的風門控制。熱二次風從空氣預(yù)熱器出來沿鍋爐右側(cè)風道單側(cè)進入二次風箱。FW承諾NO X排放為410 mg/Nm3以下,機組調(diào)試期間NO X排放最低可降到328mg/Nm3,因飛灰含碳量達5%6

15、%,所以現(xiàn)在運行中控制NO X排放在410451mg/Nm3,飛灰含碳量為1.4%1.5%(以上數(shù)據(jù)均為在線儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)。2.2ABT公司改造的幾家電廠情況(1美國St.Johns river power電廠鍋爐1986年投產(chǎn),是FW公司制造的配700MW機組鍋爐,為前4后3的對沖燃燒方式,每層4只燃燒器。改造前NO X排放為738mg/Nm3,1997年開始摻燒石油焦,石油焦的揮發(fā)分只有8%左右,改造前存在摻燒石油焦穩(wěn)燃問題。改造方案為:保留燃燒器原有的二次風部分,只更換了一次風部分,從二次風道引出OFA,安裝了OFA風箱,增加了前后墻各4個OFA噴口和4個防腐蝕Wing port風口,并在

16、二次風箱內(nèi)增加了導流板。改造后,投用OFA時NO X排放達到430mg/Nm3,不投用OFA時NO X排放為492553mg/Nm3,達到了設(shè)計和保證值。改造后6臺磨運行可將負荷從100%降至50%不投油運行,鍋爐飛灰含碳量降低了50%左右,證明燃燒器的著火性和穩(wěn)燃性能很好。現(xiàn)場觀察鍋爐燃燒器的情況:煤粉著火點在噴燃口出口外,但著火穩(wěn)定、燃燒較好。集控室CRT 的實時參數(shù):負荷620MW,平均氧量3.3%,NO X排放為406mg/Nm3。為了滿足進一步降低排放的要求,該廠考慮增裝MBEL的NO X Star系統(tǒng)。(2美國H.W.Pirkey電廠機組容量為700MW,鍋爐為巴威(B&W

17、制造,為前3后4的前后墻對沖燃燒方式,56只燃燒器為雙調(diào)風低氮燃燒器,燃用多個煤礦的褐煤,煤種變化較大,改造前再熱器超溫、鍋爐結(jié)焦嚴重,NO X排放為492mg/Nm3。改造中將燃燒器全部更換為ABT的Opti-Flow 低氮燃燒器,同時在前、后墻增加了OFA風箱,各安裝8只OFA噴嘴和2只防高溫腐蝕的Wing port風噴口,OFA流量采用前墻風箱擋板調(diào)節(jié),后墻OFA 是單只噴口調(diào)節(jié)。改造后,NO X排放在OFA因調(diào)整再熱器超溫未全開情況下可達到203mg/Nm3,鍋爐結(jié)焦減少,再熱器溫度偏差減少,現(xiàn)場觀察煤粉著火和燃燒正常。(3Ghent電廠3號機容量為511MW,鍋爐為FW制造對沖燃燒方

18、式(前3后3,24只燃燒器為FW分割火焰噴嘴,原有OFA燃燒系統(tǒng),前、后墻的2個系統(tǒng)各裝在一個大風箱里。改造前再熱汽溫達不到額定值且結(jié)焦嚴重,飛灰含碳量為4%6%,NO X排放為779mg/Nm3。改造時在大風箱中加了均流板,對大風箱OFA部分進行分隔,保留原有的下部邊界風,只更換了燃燒器的一次風管和噴嘴,保留了原有的蝸殼,并改進了二次風的總風量調(diào)節(jié)。改造前鍋爐前、后墻各有4只OFA,改造后前、后墻仍各有4只OFA,但是各增加了2只Wing port風噴口。改造后,NO X排放降至369mg/Nm3。目前OFA基本關(guān)閉,但Wing port開度80%左右,飛灰含碳量6%8%,改造后鍋爐結(jié)焦減少

19、,并且主蒸汽溫度已達到設(shè)計值?，F(xiàn)場觀察燃燒器煤粉著火點近,火焰明亮,燃燒劇烈,湍流式火焰燃燒較好。CRT實時參數(shù):負荷為450MW,氧量為3.28%, SCR前NO X為355mg/Nm3。2.3MBEL公司改造的幾家電廠情況(1美國J.H.Campbll電廠3號爐為配820MW 機組,由FW制造的前、后墻對沖燃燒汽包爐,前、后墻各4層,每層6只燃燒器。改造更換了48只燃燒器為MBEL新型一次風切向進入的燃燒器,從二次風引出的前后墻OFA風箱,各安裝6只OFA噴口,前后墻分別用擋板進行風量調(diào)節(jié),每個OFA噴嘴可進行OFA風內(nèi)風量和外旋度的調(diào)整。改造前NO X排放為861mg/Nm3,改造后NO

20、 X 排放為406mg/Nm3。現(xiàn)場觀察燃燒器煤粉著火正常。集控CRT觀察參數(shù):負荷為737MW,NO X為395mg/Nm3,氧量為3%。(2美國Hometown Power電廠,機組容量是160MW,鍋爐為巴威(B&W制造。鍋爐改造的主要目的是為了燃用價格非常便宜的高揮發(fā)分、低硫低83氮、高水分、低熱值、易結(jié)焦的PRB 煤,同時要求滿足降低NO X 排放的要求。鍋爐改造的主要項目是:增加磨的出力,并安裝轉(zhuǎn)動分離器;增加1臺一次風預(yù)熱器和冷一次風機;增加初級過熱器和改造屏式過熱器;增加水吹灰系統(tǒng)和高溫過熱器出口的煙溫紅外測量裝置;加大燃燒器的一次風粉管直徑;在二次風箱上接出4只OFA

21、 噴嘴,2只在后墻,二側(cè)墻各1只。考察時鍋爐改造完成剛投入運行3周。改造前NO X 為553mg/Nm 3,改造后NO X 目前運行值為221258mg/Nm 3?，F(xiàn)場觀察燃燒器煤粉著火正常。集控CRT 觀察到的運行情況是:負荷165MW ,氧量3.9%,NO X 251mg/Nm 3。當時所有OFA 噴嘴的開度為36%。3利港電廠鍋爐基本情況、存在問題及改造要求利港電廠1、2號爐是FW 公司的亞臨界自然循環(huán)汽包鍋爐,為350MW 機組配套的20世紀80年代后期產(chǎn)品,每臺鍋爐各配有16只流量可調(diào)(CF 型、二次風雙調(diào)風燃燒器,16只燃燒器分4層,每層4只全部布置于前墻。每只燃燒器配有一電動的二

22、次風量調(diào)節(jié)套筒,內(nèi)、外二次風旋流角度設(shè)計運行中可在外部手動調(diào)節(jié),一次風噴口內(nèi)套筒也可進行軸向調(diào)節(jié)。每只燃燒器配有點火和主油槍各1支,油槍及點火裝置布置在燃燒器中心風筒內(nèi),三次風通過中心風筒冷卻油槍前部并補充點火初期和燃燒煤粉時火焰中心的氧量。2臺送風機輸送的二次風經(jīng)空預(yù)器加熱后從爐兩側(cè)風道匯集于爐前,所有燃燒器共用一個大的二次風箱。兩側(cè)二次風道上布置有風量測量裝置,每一臺磨對應(yīng)的一層燃燒器不能進行二次風量調(diào)整,而單只燃燒器二次風量的調(diào)節(jié)則通過燃燒器二次風外套筒實現(xiàn)。為了防止高溫腐蝕和結(jié)焦,除在前墻下部和二側(cè)墻的水冷壁管鰭片間分6路通入邊界風外,還在前墻最下層燃燒器下部二側(cè)各設(shè)一直徑為930mm

23、 的邊界風噴口。每臺鍋爐配有4臺MBF -23型中速磨,每臺磨出口有4根煤粉管供同層的4只燃燒器。按設(shè)計煤種,任何3臺磨運行即可滿足機組帶滿負荷要求。利港電廠1、2號爐裝配的美國FW 公司低氮燃燒器,設(shè)計于20世紀70年代,為流量控制型雙調(diào)風燃燒器。使用的是FW 第1代低氮燃燒技術(shù),相應(yīng)的NO X 還原率受到限制,飛灰含碳較高。大風箱中各燃燒器空氣分配不均勻,使原裝鍋爐燃燒器的運行性能較差。1996年由西安熱工研究院在2號爐上進行的燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗,曾對2種試驗煤質(zhì)條件下各種運行方式的不同工況進行了試驗,負荷從180MW 到350MW 。試驗結(jié)果表明:350MW 時2種煤質(zhì)對應(yīng)的NO X 排放

24、平均值分別為1039mg/Nm 3和1138mg/Nm 3,試驗獲得最高值達到1289mg/Nm 3;而在180MW 負荷時,2種煤質(zhì)對應(yīng)的NO X 排放平均值分別為951mg/Nm 3和986mg/Nm 3,最低值為699mg/Nm 3。目前2臺鍋爐運行中NO X 排放一般在8901190mg/Nm 3。FW 這種前墻燃燒鍋爐較大的問題是沿爐膛寬度煙溫偏差非常大,為此2004年在1號爐上進行了測量(煙道中增裝了煙溫熱電偶,測量發(fā)現(xiàn)在ABC 磨運行方式下煙氣最大溫差為232,再熱器金屬最大溫差為175;ACD 磨運行方式下,煙氣最大溫差為278,再熱器金屬最大溫差為138;不考慮損壞的測點,BCD 磨運行方式下,煙氣最大溫差高達323,最低值度比最高值差為37.34%,再熱器金屬最大溫差為160。因此,根據(jù)鍋爐目前運行情況存在的問題,提出以下基本改造要求:盡可能減少改造對現(xiàn)有設(shè)備以及系統(tǒng)的影響,保持鍋爐性能基本不變(特別說明的除外,任何工況