谏壁发电厂9号炉燃烧器低NOx改造方案723.docx
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谏壁发电厂9号炉燃烧器低NOx改造方案723
国电谏壁发电厂
#9锅炉燃烧器低NOx改造最终方案
烟台龙源电力技术股份有限公司
二零一零年七月
一、前言
我国一次能源结构中约70~80%由煤炭提供，每燃烧一吨煤炭，约产生5~30kg氮氧化物。
据中国环保产业协会组织的《中国火电厂氮氧化物排放控制技术方案研究报告》的统计显示，2007年火电厂排放的NOx总量已增至840万吨，约占全国NOx排放总量的35~40%。
在普遍安装高效率脱硫装置后，电站锅炉排放的NOx已成为主要的大气污染固定排放源之一。
为了贯彻执行《中华人民共和国大气污染防治法》，防治火电厂氮氧化物排放造成的污染，改善大气环境质量，保护生态环境，促进氮氧化物控制技术进步，实现火电机组氮氧化物控制目标，国家环境保护部制定了《火电厂氮氧化物防治技术政策》，并于2010年1月27日正式颁布实施。
同时新国标《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2010》和与大气污染物排放相关的一些地方标准也即将颁布实施。
1.新国标《火电厂大气污染物排放标准》氮氧化物排放浓度限值
2009年7月，国家环境保护部发布了新的《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2010□》（征求意见稿）。
对比新标准和旧标准（GB13223-2003），在烟尘、二氧化硫和氮氧化物三个主要污染物的排放量限制方面，新标准均做出了更为严格的规定。
在脱硝方面，新标准（征求意见稿）规定了到2015年1月1日所有火电机组都将执行氮氧化物排放浓度在重点地区（京津冀、环渤海湾、长三角、珠三角）不高于200mg/Nm3、非重点地区不高于400mg/Nm3的限值，重点地区的新增机组从2010年开始直接执行200mg/Nm3的排放限值（见表2-1）。
表1-1火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度（单位：
mg/Nm3）
时段
第1时段
第2时段
第3时段
实施时间
2010年1月1日
2015年1月1日
2010年1月1日
2015年1月1日
2010年1月1日
燃煤锅炉
Vdaf<10%
1300
重点地区：
200
其他地区：
4001）
1100
重点地区：
200
其他地区：
400
重点地区：
200
其他地区：
400
10%≤Vdaf≤<20%
1100
650
Vdaf>20%
650
450
燃油及燃气锅炉
天然气
200
150
200
150
150
燃油或其他气体燃料
400
6502）
200
2003）
400
200
200
燃气轮机组
天然气
80
80
50
50
燃油或其他气体燃料
150
150
120
120
注：
1）该限值为全厂第I时段火力发电锅炉平均值。
2）1996年12月31日前建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批的燃油锅炉。
3）燃油锅炉执行该限值。
2.《火电厂氮氧化物防治技术政策》主要条款
本技术政策在氮氧化物防治技术路线、低氮燃烧技术和烟气脱硝技术等方面作了明确的规定，其主要条款如下：
（1）氮氧化物防治技术路线
第2.2条:
燃煤电厂氮氧化物控制技术的选择应因地制宜、因煤制宜、因炉制宜，依据技术上成熟、经济上合理及便于操作来确定。
第2.3条:
低氮燃烧技术应作为燃煤电厂氮氧化物控制的首选技术。
当采用低氮燃烧技术后，氮氧化物排放浓度不达标或不满足总量控制要求时，应建设烟气脱硝设施。
（2）低氮燃烧技术
第3.1条:
发电锅炉制造厂及其他单位在设计、生产发电锅炉时，应配置高效的低氮燃烧技术和装置，以减少氮氧化物的产生和排放。
第3.2条:
新建、改建、扩建的燃煤电厂，应选用装配有高效低氮燃烧技术和装置的发电锅炉。
第3.3条:
在役燃煤机组氮氧化物排放浓度不达标或不满足总量控制要求的电厂，应进行低氮燃烧技术改造。
（3）烟气脱硝技术
第4.1条:
位于大气污染重点控制区域内的新建、改建、扩建的燃煤发电机组和热电联产机组应配置烟气脱硝设施，并与主机同时设计、施工和投运。
非重点控制区域内的新建、改建、扩建的燃煤发电机组和热电联产机组应根据排放标准、总量指标及建设项目环境影响报告书批复要求建设烟气脱硝装置。
第4.2条:
对在役燃煤机组进行低氮燃烧技术改造后，其氮氧化物排放浓度仍不达标或不满足总量控制要求时，应配置烟气脱硝设施。
二、工程概述
1.设备概况
谏壁电厂将其9#炉由1000t/h双炉膛UP型直流锅炉改造为1025t/h控制循环汽包锅炉。
锅炉出力，气温参数及锅炉效率均需保证，采取措施防止炉膛高温腐蚀，提高水冷壁运行可靠性。
要求锅炉调峰能力为50~100%BMCR。
锅炉外形尺寸不变，保持原风、煤、水、汽等系统不动，锅炉框架不动，外围辅助系统不动。
锅炉的NOX排放达到国家标准，且小于650mg/m3。
改造后的锅炉外形尺寸基本不变，呈∏型布置，锅炉炉膛深8493mm（原8475mm与原比较，向炉前放大18mm），炉膛宽17000mm。
水平烟道深5000mm，后烟井深8500mm，炉顶管标高46000mm。
锅炉尾部原布置二台回转式空气预热器不作任何改动。
改造后炉膛部分布置44只炉膛吹灰器，水平烟道及省煤器区域共布置8只长伸缩式吹灰器，并配吹灰程控装置。
锅炉仍采用机械出渣方式，括板捞渣机及渣斗方式。
表1-1锅炉铭牌的改变
序号
名称
单位
原#9炉
改造后#9炉
1
锅炉型式
双炉膛一次上升直流炉
双切圆燃烧控制循环汽包锅炉
2
最大连续蒸发量
t/h
1000
1025
3
过热蒸汽出口温度
℃
555
540
4
过热蒸汽出口压力
MPa.a
16.67
16.77
5
再热蒸汽流量
t/h
830
872
6
再热蒸汽出口温度
℃
555
540
7
再热蒸汽进口温度
℃
325
320
8
再热蒸汽出口压力
MPa.a
3.4
3.43
9
再热蒸汽进口压力
MPa.a
3.6
3.63
10
给水温度
℃
265
261
表1-2锅炉设计参数
序号
项目
单位
BMCR
100%
高加全切
50%
1
发电机功率
MW
338.505
315.136
297.964
168.329
2
过热汽流量
t/h
1025
945
800
500
3
过热汽出口压力
MPa.a
16.77
16.7
16.5
10.7
4
过热汽出口温度
℃
540
540
540
540
5
再热汽流量
t/h
872
808
795
442
6
再热汽进口压力
MPa.a
3.63
3.37
3.36
1.86
7
再热汽进口温度
℃
320
320
327
322
8
再热汽出口压力
MPa.a
3.43
3.19
3.19
1.77
9
再热汽出口温度
℃
540
540
540
510
10
给水温度
℃
261
254
159
222
11
喷水温度
℃
169
167
159
143
注：
本表为给定参数，主要的热力数据包括再热汽出口温度由计算得出见2.6节
表1-3煤质资料
序号
项目
符号
单位
设计煤
校核煤A
校核煤B
1
工作质碳
CP
%
55.39
57.05
49.87
2
工作质氢
HP
%
3.39
3.73
2.95
3
工作质氧
OP
%
6.04
9.17
3.52
4
工作质氮
NP
%
0.86
1.06
1.05
5
工作质硫
SP
%
0.48
0.56
1.49
6
工作质水份
WP
%
5.20
7.30
9.54
7
工作质灰份
AP
%
28.64
21.13
31.58
8
低位发热量
QPdw
KJ/Kg
21200
22069
18910
9
可燃基挥发份
Vr
%
31.09
38.30
26.90
10
可磨系数
Kkm
灰溶点
1
变形温度
t1
℃
1300
1300
2
软化温度
t2
℃
3
熔化温度
t3
℃
﹥1350
﹥1350
2．制粉系统
改造后仍烧烟煤，制粉系统不改造，仍维持中间储仓制、乏气送粉、钢球磨煤机。
4台DTM350/600钢球磨煤机，额定负荷时4台磨全部投运。
3．燃烧器
八只燃烧器布置在炉膛的前墙与后墙，做成双切圆双火球燃烧，二个4组煤粉燃烧器分别与假想直径为
400mm/
600mm相切。
燃烧器结构形式为一、二次风间隔交替布置的摆动式固定式相结合直流煤粉燃烧器。
增加了二层上部燃烬风（OFA）。
为了燃烧调整的需要和控制炉膛出口烟气温度，上二层一次风喷嘴及其相邻二次风喷嘴及二层OFA喷嘴能上、下摆动，其余喷嘴固定。
摆动采用气动执行器及手动执行机构操作。
表4燃烧器设计参数
喷嘴出口风速m/s
风比%
风温℃
风量m3/h
一次风
25
32
60
382164
二次风
46
64
293
1276177
注：
炉膛漏风率为4%，偏置周界侧二次风速为40m/s
三、边界条件评估
单位
大同4#炉
（670T/H）
京能1#炉
（670T/H）
妈湾1#炉
谏壁9#
煤
质
灰份Aar
%
36
32.2
19.77
28.64
挥发份Var
%
23
25
23.2
25
低位热值
Qnet,ar
Kj/kg
17560
18450
22441
21200
炉
型
炉膛截面
mm×mm
10880×11920
11660×11660
14059×11790
17000×8493
炉膛容积
m3
4238
4111
7275
炉膛高度
mm
49200
49180
容积热负荷
Kw/m3
133.3
138.3
112.8
178
截面热负荷
Kw/m2
4378.1
4181
5205
5772
大屏下沿高
m
36
35.8
43
燃尽高度
m
18
16.265
除渣方式
湿排渣,
干排渣
湿排渣
效果
防结渣
炉内无结渣
炉内无结渣
炉内无结渣
高效、无结渣
NOx
300mg/Nm3
最低260mg/Nm3
128-240mg/Nm3
目标：
<290mg/Nm3
设计煤质（校核煤）灰份较高、挥发份相对也较高的煤种。
对于炉内低NOx空气分级燃烧技术，一般希望燃煤挥发份要较高，热值较高，在采用空气分级等低NOx技术时可以保证有较高的燃烧效率、较低的NOx排放。
相较之下，校核A煤质较设计煤质更佳。
常用煤质挥发份都较高，适合采用低NOx燃烧技术，但同时存在灰份高的问题，采用低NOx燃烧技术时要特别强化煤粉燃烧过程，防止飞灰含碳量升高。
与妈湾1号炉相比，锅炉具有较小的炉膛容积，较小的燃尽高度，对于降低低NOx排放的同时防止飞灰可燃烧物升高有一定的难度。
原燃烧器虽为2001年完成的改造产品，采用了水平浓淡风低NOx燃烧器，两层紧凑型OFA，总体上仍为均等配风布置。
改造后增加了分离燃尽风，但分离燃尽风风量小，布置较低，无较大的还原区，所以降低NOx措施有限。
但原燃烧器采用8角双切圆布置，一次风喷口多达32只，单只燃烧器功率相对较小，可使炉内温度分布较均匀，有利于降低热力型NOx生成。
制粉系统为钢球磨中储仓乏气送粉系统，一次风率较高，达32%，对燃烧器火焰内部降低NOx生成不利。
有必要针对一次风率、煤粉细度等对磨煤机进行彻底摸查及调整。
有利条件：
煤质挥发份较高、热值较高、燃烧器8组双切圆布置单只燃烧器热功率较低。
不利条件：
煤质灰份较高、炉膛容积特别小、燃尽高度有限，一次风率较高。
从煤质上来看基本具备了降低NOx条件，但同时存在着锅炉容积小、燃尽高度低、一次风率高等难点，在降低NOx的同时保证飞灰有较低的可燃物含量、防止结渣是本次改造的重点。
我公司拟采用双尺度低NOx燃烧技术，对现有燃烧器所有一二次风喷口改造，增设高位燃尽风，采用节点功能区技术等可实现防渣、高效、低NOx多功能一体化。
四、运行情况
2010年5月13日至2010年5月15日，烟台龙源对9号炉进行了改造前的针对性试验。
结合前期与电厂交流情况，基础工况摸底试验分别在180MW、240MW、300MW工况未作调整下对锅炉运行状况，如锅炉效率、空预器漏风率、NOx排放等情况进行摸底。
炉内过量空气系数分布不合理，现有燃尽风系统风量偏低、与主燃烧器距离较近导致NOx高。
NOx排放在不同负荷可保持450~700mg/Nm3之间。
空预器漏风率较高。
各个负荷工况下，锅炉燃烧状况较好，锅炉经济性较高，锅炉效率均在91%以上。
五、双尺度低NOx改造方案
1．双尺度技术原理
双尺度低NOx燃烧技术以炉内影响燃烧的两大关键尺度（炉膛空间尺度和煤粉燃烧过程尺度）为重点关注对象,全面实施系统优化，达到防渣、燃尽、低NOx一体化的目的。
首先将炉内大空间整体作为对象，通过炉内射流合理组合及喷口合理布置，炉膛内中心区形成具有较高温度、较高煤粉浓度和较高氧气区域，同时炉膛近壁区形成较低温度、较低CO和较低颗粒浓度的区域，使在空间尺度上中心区和近壁区三场（温度场、速度场及颗粒浓度场）特性差异化。
在燃烧过程尺度上通过对一次风射流特殊组合，采用低NOx喷口或等离子体燃烧器，热烟气回流等技术，强化煤粉燃烧、燃尽及NOx火焰内还原，并使火焰走向可控，最终形成防渣、防腐、低NOx及高效稳燃多种功能的一体化。
双尺度技术是从解决真型炉存在的实际问题出发，经多年对真型炉炉内燃烧三场特性系统测试总结归纳而成的，对炉内相关燃烧的特性规律有独到认知，逐步形成了独特的综合解决炉内结渣、腐蚀、高NOx排放等技术体系，并经多年逐步深入完善和发展，前后历经多个发展阶段，目前已是一项成熟的实用性强的技术，已在多台锅炉上成功应用，在低NOx方面已达国际领先水平。
●双尺度实现低NOx燃烧前提之一---强防渣、防腐技术
通过对炉内三场特性的认知，采用一种空气与燃料射流特征组合，设法扩大两大区域三场特性的差异，炉膛中心形成了“中心区”有较高煤粉浓度、较高温度、适宜氧浓度、较高燃烧强度，炉膛近壁区形成为较低温度、较低CO浓度、较高O2浓度（沿程逐步掺入中心区）和有利于阻止灰粒附壁，延长了冷却路径的流场结构。
在煤粉燃烧过程尺度上优化了燃烧不同阶段三场特性差异，使火焰边部可控可调，保证近壁区三场特性利于防渣。
采用双尺度技术后，水冷壁得到重点保护，炉膛不结渣、可实现长时间炉膛不吹灰。
●双尺度实现低NOx燃烧前提之二---高效稳燃燃烧技术
采用低NOx燃烧器、一次风喷口集中且浓淡组合、接力热回流环涡稳燃等技术手段，在燃烧过程尺度上利用热力与动力不对称性原理使三种动涡连续相扣，特别是喷口处煤粉热解着火后碳的着火燃烧区段的三场特性利于与炉中心复合射流大涡的复合连接。
环涡内碳粒有较高的内回流率延长了在环涡内停留时间，显著提高了环涡内碳燃烧发热量，这是热量积累主要来源。
环涡稳燃、着火、碳燃烧、碳燃尽全过程链环稳固，这是优于单纯喷口稳燃的原因所在。
双尺度煤粉燃烧技术在上述两个前提条件保障下，低NOx技术手段可以应用得深入到位，是实现超低NOx排放的重要前提。
图2双尺度低NOx燃烧系统原理示意图
机组名称
NOx排放浓度（O2=6%）
NOx
削减率
结渣状况
锅炉效率
西固#6炉220T/H
320mg/m3
50%
结渣问题完全解决
92.2%
西固#7炉220T/H
330mg/m3
49%
结渣问题完全解决
91.94%
西固#8炉220T/H
322mg/m3
51%
结渣问题完全解决
92.23%
西固#9炉220T/H
320mg/m3
52%
结渣问题完全解决
92.01%
西固#10炉220T/H
340mg/m3
48%
结渣问题完全解决
92.31%
靖电#1炉670T/H
320mg/m3
62%
彻底解决结渣沾污问题
92.24%
靖电#2炉670T/H
3347mg/m3
63%
彻底解决结渣沾污问题
92.36%
靖电#3炉670T/H
380mg/m3
62%
彻底解决结渣沾污问题
93.01%
靖电#4炉670T/H
320mg/m3
63%
彻底解决结渣沾污问题
92.35%
大同#6炉670T/H
391mg/m3
57%
彻底解决结渣沾污问题
92.15%
大同#2炉670T/H
386mg/m3
58%
彻底解决结渣沾污问题
92%
大同#1炉670T/H
388mg/m3
58.5%
彻底解决结渣沾污问题
92.3%
大同#5炉670T/H
彻底解决结渣沾污问题
永昌电厂410/T
370mg/m3
50%
不结渣
92%
北京京能热电公司#1炉670T/H
平均320mg/m3
最低可达260mg/m3
63%
彻底解决结渣沾污问题
92.1%
大同#4炉670T/H
平均300mg/m3
最低可达270mg/m3
70%
不结渣
92%
妈湾电厂#300MW锅炉
130-240mg/m3
70%
不结渣（全烧神华煤）
93-94%
唐山热电7号炉
220-240mg/m3
70%
劣质烟煤
92%
2．燃烧器改造方案
经综合分析和现场考虑得出结论，锅炉现状不适合较大的改造，燃烧器下移困难，现场管道布置及平台布置紧凑，拆装不便。
在原燃烧器基础上，进行双尺度低NOx燃烧器改造，原主燃烧器一二次风标高均不变。
主燃烧器区域燃烧器一二次风标高不变，拆除原改造增加的二层SOFA燃尽尽风喷口，在主燃烧器上方增设8组高位SOFA燃尽风系统及两组TOPSOFA燃尽风系统。
进行全炉沿高度方向的风量重新合理分配，并调整主燃烧器区一二次风喷口面积，更换一二次风喷口及一次风喷嘴体、一次风入口弯头等部件，我们采用的喷口材料为高镍材料，ZG30Cr22Ni16Si2NRe,而一般锅炉厂采用的材料为ZG30Cr22Ni7Si2Nre，一次风入口弯头采用耐磨铸钢，重点防磨面上贴耐磨陶瓷。
将部分二次风（AB，BC，CD）射流方向逆向与一次风射流方向偏置一较小角度（5度角），取消上层CCOFA喷口，改用多孔钢板及贴壁风喷口代替，可防止喷口处结渣。
点火装置及火检利旧，点火装置及火检标高位置不变。
保留现有小油枪及微油枪，一、二次风速测量装置保留，并增加OFA、SOFA、TOFA风速测量装置。
一次风由水平浓淡改为上下浓淡及浓淡组合，最下层一次风为上浓下淡布置，安装时可以适当考虑喷口角度上倾5度角，防此煤粉颗粒掉入大渣中。
在原主燃烧器上方约6米处布置3层分离SOFA喷口，并在锅炉前后墙对称中心线处分别增设2层TOPSOFA燃尽风，分配足量的SOFA燃尽风量，SOFA喷口可同时做上下左右摆动。
燃尽风量的作用是将烟气中的可燃物（飞灰可燃物、CO等）完全燃尽，因此要求燃尽风要具有足够的动量，能够穿透到烟气中并与烟气强烈混合，同时燃尽风还应对炉膛截面具有很好的覆盖，防止部分烟气走旁路。
因此将燃尽喷口均设计为可同时上下左右摆动，并结合锅炉特点同时增设了TOPSOFA燃尽风。
2.1燃烧器低NOx改造措施
1）纵向三区布置
图4-1.纵向三区分布示意图
通过在主燃烧器上方合适位置引入适量的燃尽风（总风量20-30%），燃尽风采用多喷口多角度射入，沿高度方向从下至上形成三大区域，分别为氧化还原区（总风量的70-80%）、主还原区、燃尽区。
氧化区有助于煤粉初期燃烧，炉温升高，促进煤粉早火、燃烧及燃尽，但此时会产生较多的NOx。
由于有较大燃尽风量的存在，主燃烧器区存在氧化还原交替存区及通过控制高度方向的配风，可形成局部还原区，可以初步还原产生的NOx，使NOx在初始燃烧时就得到抑制，在主还原区内已生成的NOx得到更充分还原，燃尽区内将作为燃尽风的二次风及时补充进来，促进焦碳最后燃尽。
通过纵向三区布置，形成纵向空气分级，NOx将得到极大抑制，飞灰可燃物也会得到控制。
三个区域过量空气系数分布，一般是通过改造设计和优化调试双方面实现的，大致为主燃区控制在0.75-0.85左右（视煤种和汽温等因素），还原区在0.9-1.0之间，燃尽区在1.1-1.2之间。
由于实现纵向空气分级，相对地燃烧器区域有所扩大，燃烧器区域热负荷降低，炉内温度峰值降低，可以减少或消除热力型NOx产生。
图4-2前后墙燃烧器及燃尽风布置图
2）横向双区布置
保留一次风射流方向，主燃烧器区部分二次风与一次风小角度偏置，只有5度角，形成横向空气分级。
这种横向空气分级布置，可使沿炉膛截面形成中心区和近部区两区分布，中心区较高的煤粉浓度、较高的温度水平；近壁区较低的颗粒浓度、较低的温度水平，近壁区可保留足够的氧的存在。
一二次风偏置后可使一次风初始燃烧时，二次风不能过早混合进来，稳燃效果得到强化，煤种适应性更好，带可形成局部缺氧燃烧，在火焰内就进行NOx还原，抑制NOx产生。
在火焰末端，二次风再及时掺混合进来，使缺氧燃烧时产生的焦炭再燃烧。
横向空气分级与纵向空气分级一起形成空间空气分级。
将上层CCOFA喷口内安装两只对称的贴壁风喷口，进一步保证还原区水冷壁表面的氧量供给，防止高温腐蚀现象发生。
图4-3主燃烧器及燃尽风平面布置图
3）低NOx燃烧器
更换所有一次风组件，取消水平浓淡布置。
所有一次风设计喷口为上下浓淡分离形式，中间加装较大的稳燃钝体形式，浓淡燃烧除可降低NOx外，还可对煤粉稳燃、提前着火有积极作用。
同时钝体能优先增加卷吸的高温烟气量，进一步强化稳燃。
图4-4浓淡燃烧低NOx原理图
4）节点功能区的建立
如图所示4-5，将相邻两层一次风喷口下层一次风设计为上浓下淡燃烧器喷口，上层一次风布置为下浓上淡一次风喷口，两层一次风喷口中间的二次风小角度与一次风射流偏置，同时布置贴壁风喷口。
这样的喷口组合，同时具有稳燃、降低NOx的作用，将中间二次风和贴壁风风门开大，可实现NOx和飞灰可燃物同时降低。
节点
功能区
图4-5节点功能区示意图
图4-6中间二次风及贴壁风门开度对NOx和飞灰可燃物的影响
2.2防结渣、防腐蚀措施
1）横向双区布置
通过一二次风射流调整，在炉膛截面上形成了三场特性截然不同的中心区与近壁区分布，中心区具有较高的煤粉浓度、较高的温度和相对较高的氧浓度分布，而近壁区具有较低的温度、较低的颗粒浓度和适宜的氧浓度，灰颗粒向水冷壁移动过程中得到及时冷却，不粘壁或不积灰，可同时实现防止结渣及高温腐蚀。
2）纵向空气分级
由于实现纵向空气分级，
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