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(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行了分析,根據(jù)利港電廠機(jī)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(fēng);氧量中圖分類號:TK227.1文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)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(jìn)行鍋爐燃燒系統(tǒng)改造,2005年首先在1號爐上進(jìn)行改造。為做好該項(xiàng)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(jìn)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(yùn)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(qiáng)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(fēng)燃盡風(fēng)(OFA 噴口,原則上保留原來在前、后墻和側(cè)墻的8路邊界風(fēng)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(jìn)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(fēng)分割火焰、二次風(fēng)分級、外二次風(fēng)軸向可調(diào)旋流、一次風(fēng)和內(nèi)二次風(fēng)軸向進(jìn)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(fēng)雙調(diào)風(fēng)低氮燃燒器相比,將一次風(fēng)由原來的蝸殼進(jìn)入改為通過彎頭軸向進(jìn)入,一次風(fēng)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(fēng)粉管中心有三次風(fēng)筒,三次風(fēng)筒可進(jìn)行軸向調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)在不改變一次風(fēng)量情況下改變一次風(fēng)速。內(nèi)二次風(fēng)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(fēng)量調(diào)整擋板,外二次風(fēng)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(fēng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡化,方便調(diào)整。OFA 噴嘴使用套筒調(diào)節(jié)其總風(fēng)量,OFA 噴嘴分為內(nèi)外二級,外側(cè)風(fēng)經(jīng)過軸向可調(diào)旋流套筒后旋流進(jìn)入,內(nèi)側(cè)風(fēng)量擋板可調(diào)節(jié)進(jìn)入內(nèi)

5、側(cè)的風(fēng)量。對OFA 噴口的布置和防止腐蝕問題,FW 公司準(zhǔn)備采用計算機(jī)流體動力學(xué)分析系統(tǒng)(CFD 模擬后確定,認(rèn)為通過燃燒器改造并增加OFA 系統(tǒng)能達(dá)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(dá)到不大于360mg/Nm 3滿負(fù)荷下的NO X 排放水平。FW 公司認(rèn)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(rèn)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(jī)(以下簡稱磨全部工作的情況下設(shè)計的,而機(jī)組正常運(yùn)行中基本不采用4臺磨同時運(yùn)行方式。所以解決問題的主要方法是:改進(jìn)燃燒器二次風(fēng)分布是解決針對利港電廠1、2號機(jī)組81現(xiàn)有問題的措施的一部分,改進(jìn)風(fēng)箱使進(jìn)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(fēng),達(dá)到設(shè)計的最佳二次風(fēng)速即可

7、減少NO X,并進(jìn)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(dá)到最佳,減少氮氧化物的排放。新式的一次風(fēng)進(jìn)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?yàn)槎物L(fēng)分布不平衡導(dǎo)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(yàn),能使氮氧化物的排放量降低,運(yùn)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(fēng)箱經(jīng)過CFD優(yōu)化后進(jìn)行加穩(wěn)流裝置的改造,以提高各層燃燒器及各燃燒器進(jìn)口之間二次風(fēng)壓的均勻性;一次風(fēng)管由蝸殼式進(jìn)入改為彎頭軸向進(jìn)入,并在燃燒器進(jìn)口處的一次風(fēng)管彎頭上加裝均衡器,提高燃燒器一次風(fēng)筒中煤粉分布均勻性;另外在磨煤機(jī)出口的一次風(fēng)粉管加裝平衡閥以實(shí)現(xiàn)各煤粉管之間

9、的均衡分配。油槍改為從二次風(fēng)處斜插入,該燃燒器特點(diǎn)是一次風(fēng)阻力小,內(nèi)、外二次風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)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(shí)現(xiàn)充分燃燒和進(jìn)一步提高NO X還原率,降低NO X排放。ABT燃燒器的主要特點(diǎn)是:一次風(fēng)粉噴口為六瓣梅花狀并加有穩(wěn)燃器,一次風(fēng)粉通過彎頭軸向進(jìn)入,一次風(fēng)粉筒內(nèi)沒有油槍和三次風(fēng)套筒,減小了一次風(fēng)阻力。外二次風(fēng)為徑向調(diào)節(jié)旋流葉片,內(nèi)二次風(fēng)設(shè)置了軸向移動的風(fēng)量調(diào)節(jié)擋板,內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片角度固定不可調(diào)。OFA系統(tǒng)采用獨(dú)立的OFA風(fēng)箱

10、,通過調(diào)節(jié)擋板可單獨(dú)調(diào)節(jié)每只噴嘴風(fēng)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(qiáng)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(fēng)箱直接引入防止高溫腐蝕的Wingport風(fēng)噴口,噴口的風(fēng)量以及風(fēng)向可調(diào)節(jié)是ABT公司的獨(dú)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(yàn),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(yàn)。MBEL公司認(rèn)為目前利港電廠1

11、、2號機(jī)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(fù)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(rèn)為對利港電廠的改造方案需降低單只燃燒器的熱功率,將44只燃燒器改為46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(fēng)分為二級,內(nèi)、外調(diào)風(fēng)器均為軸向旋流套筒調(diào)節(jié),并增加燃燒器的層二次風(fēng)量調(diào)節(jié)。一次風(fēng)粉可以采用從切向進(jìn)入或軸向彎管進(jìn)入。MBEL公司認(rèn)為低氮燃燒器會使火焰變得細(xì)長,長度增加后,如果單只燃燒器輸入功率較大,而且爐膛尺寸較

12、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(fēng)軸向進(jìn)入并有一風(fēng)量擋板可調(diào),外側(cè)OFA風(fēng)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(fù)荷,其低氮燃燒器機(jī)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(fēng)采用分級配風(fēng),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NO X生成。由燃燒器上

13、方的OFA引入剩余風(fēng)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(jī)組鍋爐由FW公司制造,燒煙煤(干基揮發(fā)分34%,江蘇電機(jī)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(fēng)量占總風(fēng)量的15%,前、后墻OFA風(fēng)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。為改善煤粉流量的不均衡,在2臺磨的出口

14、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(fù)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(jī)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(fēng)量由風(fēng)箱的風(fēng)門控制。熱二次風(fēng)從空氣預(yù)熱器出來沿鍋爐右側(cè)風(fēng)道單側(cè)進(jìn)入二次風(fēng)箱。FW承諾NO X排放為410 mg/Nm3以下,機(jī)組調(diào)試期間NO X排放最低可降到328mg/Nm3,因飛灰含碳量達(dá)5%6%,所以現(xiàn)在運(yùn)行中控制N

15、O 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(jī)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(fēng)部分,只更換了一次風(fēng)部分,從二次風(fēng)道引出OFA,安裝了OFA風(fēng)箱,增加了前后墻各4個OFA噴口和4個防腐蝕Wing port風(fēng)口,并在二次風(fēng)箱內(nèi)增加了導(dǎo)流板。

16、改造后,投用OFA時NO X排放達(dá)到430mg/Nm3,不投用OFA時NO X排放為492553mg/Nm3,達(dá)到了設(shè)計和保證值。改造后6臺磨運(yùn)行可將負(fù)荷從100%降至50%不投油運(yùn)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?，F(xiàn)場觀察鍋爐燃燒器的情況:煤粉著火點(diǎn)在噴燃口出口外,但著火穩(wěn)定、燃燒較好。集控室CRT 的實(shí)時參數(shù):負(fù)荷620MW,平均氧量3.3%,NO X排放為406mg/Nm3。為了滿足進(jìn)一步降低排放的要求,該廠考慮增裝MBEL的NO X Star系統(tǒng)。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(fēng)箱,各安裝8

17、只OFA噴嘴和2只防高溫腐蝕的Wing port風(fēng)噴口,OFA流量采用前墻風(fēng)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(dá)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(jī)容量為511MW,鍋爐為FW制造對沖燃燒方式(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(fēng)箱里。改造前再熱汽溫達(dá)不到額定值且結(jié)焦嚴(yán)重,飛灰含碳量為4%6%,NO X排放為779mg/Nm3。改造時在大風(fēng)箱中加了均流板,對大風(fēng)箱OFA部分進(jìn)行分隔,保留原有的下部邊界風(fēng)

18、,只更換了燃燒器的一次風(fēng)管和噴嘴,保留了原有的蝸殼,并改進(jìn)了二次風(fēng)的總風(fēng)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(fēng)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,并且主蒸汽溫度已達(dá)到設(shè)計值?，F(xiàn)場觀察燃燒器煤粉著火點(diǎn)近,火焰明亮,燃燒劇烈,湍流式火焰燃燒較好。CRT實(shí)時參數(shù):負(fù)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改造前NO X排放為861mg/Nm3,改造后N

19、O X 排放為406mg/Nm3?，F(xiàn)場觀察燃燒器煤粉著火正常。集控CRT觀察參數(shù):負(fù)荷為737MW,NO X為395mg/Nm3,氧量為3%。(2美國Hometown Power電廠,機(jī)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(xiàng)目是:增加磨的出力,并安裝轉(zhuǎn)動分離器;增加1臺一次風(fēng)預(yù)熱器和冷一次風(fēng)機(jī);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(fēng)粉管直徑;在二次風(fēng)箱上接出4只OFA 噴嘴

20、,2只在后墻,二側(cè)墻各1只?？疾鞎r鍋爐改造完成剛投入運(yùn)行3周。改造前NO X 為553mg/Nm 3,改造后NO X 目前運(yùn)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(yùn)行情況是:負(fù)荷165MW ,氧量3.9%,NO X 251mg/Nm 3。當(dāng)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(jī)組配套的20世紀(jì)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(fēng)雙調(diào)風(fēng)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次風(fēng)量

21、調(diào)節(jié)套筒,內(nèi)、外二次風(fēng)旋流角度設(shè)計運(yùn)行中可在外部手動調(diào)節(jié),一次風(fēng)噴口內(nèi)套筒也可進(jìn)行軸向調(diào)節(jié)。每只燃燒器配有點(diǎn)火和主油槍各1支,油槍及點(diǎn)火裝置布置在燃燒器中心風(fēng)筒內(nèi),三次風(fēng)通過中心風(fēng)筒冷卻油槍前部并補(bǔ)充點(diǎn)火初期和燃燒煤粉時火焰中心的氧量。2臺送風(fēng)機(jī)輸送的二次風(fēng)經(jīng)空預(yù)器加熱后從爐兩側(cè)風(fēng)道匯集于爐前,所有燃燒器共用一個大的二次風(fēng)箱。兩側(cè)二次風(fēng)道上布置有風(fēng)量測量裝置,每一臺磨對應(yīng)的一層燃燒器不能進(jìn)行二次風(fēng)量調(diào)整,而單只燃燒器二次風(fēng)量的調(diào)節(jié)則通過燃燒器二次風(fēng)外套筒實(shí)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(fēng)外,還在前墻最下層燃燒器下部二側(cè)各設(shè)一直徑為930mm 的邊

22、界風(fēng)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(yùn)行即可滿足機(jī)組帶滿負(fù)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(jì)70年代,為流量控制型雙調(diào)風(fēng)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(fēng)箱中各燃燒器空氣分配不均勻,使原裝鍋爐燃燒器的運(yùn)行性能較差。1996年由西安熱工研究院在2號爐上進(jìn)行的燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn),曾對2種試驗(yàn)煤質(zhì)條件下各種運(yùn)行方式的不同工況進(jìn)行了試驗(yàn),負(fù)荷從180MW 到350MW 。試驗(yàn)結(jié)果表明:350MW 時2種煤質(zhì)對應(yīng)的NO X 排放平均值分別為1039mg/N