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省電站燃燒設備工程中心 國內大型鍋爐制造企業配套單位
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大唐烏沙山電廠低NOx改造

1 前言

大唐烏沙山發電有限責任公司(以下簡稱烏沙山電廠)#3鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責任公司引進英國三井巴布科克能源公司(Mitsui Babcock Energy Limited)的鍋爐技術,進行設計、制造的。鍋爐型號為HC—1890/25.4—YM4型鍋爐,20079303#機組投入商業運行。鍋爐燃燒器采用30 只低NOX 軸向旋流燃燒器(LNASB)前后墻布置、對沖燃燒,配有6 HP1003中速磨直吹式制粉系統,B-MCR 工況下5臺運行,一臺備用。

為了解決鍋爐NOx排放量較高(平均500 mg/m3(O2=6%)以上)、燃燒器易磨部件磨損嚴重、鍋爐燃燒器區域結焦現象,烏沙山發電廠在對我國先進的煤粉燃燒器調研考證后,由哈爾濱博深科技發展有限公司承擔#3鍋爐燃燒器的改造任務。在烏沙山電廠和哈爾濱博深科技發展有限公司的共同努力下,鍋爐低氮改造工作取得成功,圓滿完成了國內首臺600MW超臨界鍋爐旋流燃燒器低氮改造。


2 改前鍋爐燃燒器概況

2.1燃燒器

燃燒器布置方式采用前后墻布置,對沖燃燒。前后墻上各布置3層燃燒器,每層各有5LNASB燃燒器,總共30只。在最上層煤粉燃燒器上方,前后墻各布置1層燃盡風口,每層布置5只,共10只燃盡風口。LNASB旋流煤粉燃燒器結構如圖1所示。燃燒器上排一次風噴嘴中心線到屏式過熱器底部(19.374m)、下排一次風噴嘴中心線到冷灰斗彎管處(3.007m)

LNASB燃燒器設計煤種普遍為揮發分含量較高的煙煤,燃燒器結構見圖1所示。

1 LNASB旋流煤粉燃燒器結構簡圖

LNASB (Low NOx Axial Swirl Burner)旋流燃燒器把分級送風技術和煤粉局部濃集燃燒法結合起來,中和了兩者的優點,從而達到初步降低NOx生成量的目的。該燃燒器燃燒風的分級是通過把燃燒風分為獨立的旋流內二次風和旋流外二次風(三次風)來實現的,從而形成雙調風型旋流燃燒器。旋流內二次風分別由手動套筒擋板和手動旋流器拉桿調節風量和旋流強度,旋流外二次風僅由手動旋流器拉桿調節旋流強度,安裝時預先將旋流器位置調整好,運行中不能調整。在二次風壓不變的前提下,通過改變內二次風套筒擋板位置來改變內二次風量與外二次風量的比例,通過移動內二次風旋流葉片來改變繞過葉片的直流風和通過葉片的旋流風的比例,最終達到改變內二次風旋流強度的目的。煤粉局部濃集燃燒是通過安裝在一次風管爐膛端的4個收集器來實現的。4個收集器殼體固定在一次風管內表面上,旋轉的一次風通過收集器,在燃燒器出口形成4股獨立的高煤粉濃度風粉流,得以控制一次風環行套筒周圍風粉比的變化,這符合分段燃燒降低NOx生成的原則:在煤粉著火和揮發物燃燒的區域盡量增大燃料濃度,減小過量空氣系數。在一次風管入口裝有一煤粉分配器,以達到均勻分配煤粉的目的,在燃燒器尖部安裝有一個火焰保持器,用以穩定火焰根部。燃燒器設中心風管,用以布置點火設備。一股小流量的中心風通過中心風管送入爐膛,以提供點火設備所需要的風量,并在點火設備停運時防止灰渣在此部位聚集。

2.2燃盡風

燃料完全燃燒所要求的風量的差額通過最上排燃燒器上方的燃盡風補充。燃盡風結構如圖2所示。燃盡風噴口以二股氣流高速進入爐膛:第一股以較高的軸向速度的二次風氣流沖出以保證穿透爐膛氣流,稱之為一次風;第二股二次風氣流在外圍旋流進入爐膛以保證空氣與燃燒產物中的未燃顆粒充分混合,稱之為二次風。

每一個燃盡風噴嘴通過一次風擋板調整一、二次風比例。調整桿穿過OFA噴嘴的面板與這個擋板連接,并允許擋板的位置變化。調整桿上的指桿和面板上的標尺示出了擋板的位置,觀察孔和連桿的開孔也在OFA噴嘴面板上。

2 燃盡風噴燃燒器簡圖

2.3運行情況

鍋爐自投運以來燃燒狀況穩定,經濟性較高。但也存在一些問題,亟待解決:首先是鍋爐NOx排放量較高,平均500 mg/m3(O2=6%)以上。目前我國NOx污染越加嚴重,國家的環保法規對電站鍋爐NOx的排放量的限制越來越嚴格,降低電廠NOx的排放量勢在必行;其次是燃燒器易磨部件磨損嚴重、鍋爐燃燒器區域結焦和噴口燒壞變形的現象時有發生。煤質情況如下表所示:

燃煤成分及特性表

序號

單 位

設計煤種

(神府東勝煤)

校核煤種

(大同塔山煤)

1

燃煤

成分

Car

60.33

63.09

Har

3.62

3.95

Oar

9.94

5.93

Nar

0.70

0.82

St,ar

0.41

0.45

Aar

13.0

11.76

Mar

12.0

14.0

Vdaf

36.44

33.80

2

燃煤

特性

可磨性系數(HGI

56

51

收到基低位發熱值Qnet.ar

kJ/kg

22760

24190


2.4存在問題的原因

烏沙山發電有限責任公司3號鍋爐存在的問題有:NOx排放量高,燃燒器組件磨損嚴重,燃燒器噴口結渣嚴重,存在噴口燒壞變形。

NOx 排放高的主要原因在于:

(1)燃燒器結構型式欠妥,沒有采用外濃內淡周向分離技術,燃燒器一、二次風混合提前,不利于抑制NOx 生成;

(2)原設計雖然進行了全爐膛分級燃燒,但燃盡風率偏小,燃燒所需要的空氣過多從燃燒器區域加入,給氮氧化物的產生創造了有利條件。

燃燒器噴口結渣、燒壞變形主要是因為LNASB燃燒器在燃燒器出口處形成回流區,并且回流區的起點在燃燒器內部,回流區卷吸的高溫煙氣易使燃燒器噴口結渣、燒壞變形。


3 烏沙山電廠3#鍋爐改造目標

1改造方案NO X排放達到的指標:在B-MCR工況下,5臺磨煤機運行(ABCDE運行或ABCEFABCDF運行或ABDEF運行) NO X排放濃度不超過200mg/Nm 3 (O 2 =6%);在B-MCR工況下,6臺磨煤機運行,NO X排放濃度不超過240mg/Nm 3 (O 2 =6%);在低負荷工況下,4臺磨煤機運行(ABCE運行),NO X排放濃度不超過180mg/Nm 3 (O 2 =6%)。在低負荷穩燃工況下(ABC運行或ABE運行),NO X排放濃度不超過240mg/Nm 3 (O 2 =6%)

2鍋爐改造后,運行穩定,爐膛負壓穩定,主蒸汽壓力、主蒸汽溫度達到設計要求。

3在燃用現運行煤質時,鍋爐在額定負荷下運行時,鍋爐效率不低于改造前的效率,飛灰可燃物含量不提高。

4燃燒器區無結渣現象。

5煤粉燃燒器使用壽命達到2個大修期。

6水冷壁進行改造后,不破壞鍋爐的水動力特性。


4 改造試驗

4.1 改造前的試驗

為了解改前鍋爐燃燒效率和NOX排放等運行狀況,為旋流燃燒器低NOX技術改造方案的設計提供考察依據。

試驗內容包括入爐煤樣分析,灰渣分析,給水、爐水、蒸汽品質分析,環境測試,煙氣分析,煤粉取樣分析,爐溫測量,OFA風量測量等。鍋爐主要運行參數以計算機打印間隔(1分鐘或5分鐘)為準,同時記錄一次鍋爐運行主要參數。

4.2 改造后冷態試驗

4.2.1 試驗項目及方法

1)一次風調平試驗

2)磨煤機風量標定試驗

3)正常運行情況下燃燒器和燃盡風的流場觀察測量

1)燃燒器及燃盡風噴口風速的測量

2)燃燒器流場示蹤

3)燃燒器粉末流場示蹤

4.2.2 試驗結論

1)通過對一次風管風速的測量進行調平,一次風管的最小偏差為 2.8%,最大偏差為 4.9%,滿足實際鍋爐實際運行要求;

2)對所有一次風管風速測量,表盤參數與測量值最大偏差為 6.7%,最小偏差為 0.6%,得出了每臺磨煤機的實際風量并與表盤值的對照值,為鍋爐安全穩定運行提供參考;

3)二次風葉輪拉出0mm,射流擴展角度在79.890°之間;中心回流區直徑為0.480.68d,長度為0.540.68d。射流結構大小合適,滿足鍋爐穩燃的要求;

4)粉末示蹤試驗,燃燒器一次風速合理,可以攜帶粉末到達爐膛中心,有利于形成形成對沖燃燒,燃燒器不存在刷墻現象。

4.3 改造后熱態試驗

4.3.1 試驗項目

1)習慣運行工況試驗

習慣運行工況試驗為額定負荷下運行人員習慣操作方式時的鍋爐試驗,試驗的目的在于摸清鍋爐目前的運行狀態、各項熱損失的大小及NO X的排放量,為以后的燃燒調整做鋪墊。

行標定。

2)變中心風量工況試驗

額定負荷下將燃燒器中心風打開100%50%0%(全關)保持不變。試驗的目的在于摸清中心風對煤粉著火及燃燒的影響。

3)變燃盡風擋板開度試驗

額定負荷下通過試驗確定鍋爐運行的最佳燃盡風擋板開度,盡風布置方式對NO X的排放量的影響。

4.3.2 試驗方法

1)原煤取樣

2)單只燃燒器中心線溫度測量

3)尾部煙氣成分測量分析

4)煙溫測量

5)飛灰取樣

6)大渣取樣

7)運行參數記錄

4.3.3 試驗結論

1mg/m 3以上,降低到平均200mg/m 3,低值180 mg/m 3左右(O 2 =6%)

2)燃燒器中心風關閉不利于煤粉的著火燃燒,建議運行時鍋爐中心風全部打開,此時煤粉著火點在爐膛內,距水冷壁0.1m左右;

3)旋流燃燒器可以獨立組織燃燒,相同工況下的不同燃燒器中心線溫度分布差別不大;

4600MW負荷下,上下兩層燃盡風中只有內直流風進入爐膛且擋板開度分別為30%10%、中心風全開的工況,鍋爐效率最高為93.51%,此時飛灰含碳量為1.11%、大渣含碳量為1.08%,測得空預器出口煙氣的氧量是3.86%NOx濃度為194.2mg/m 3O 2 =6%

5 改造效果分析

鍋爐燃燒系統改造后,鍋爐點火取得一次性成功,蒸汽主參數達到設計值,鍋爐燃燒穩定。氮氧化物排放濃度由改造前的500 mg/m 3降低到186 mg/m 3(折O 2 =6%),飛灰可燃物含量、排煙溫度、鍋爐熱效率與改造前基本相同,鍋爐運行穩定,沒有發現燃燒器噴口結渣和燒壞和變形的現象。改后數據如下:

改前

改后

時間

113151416

11911214

機組負荷

600MW

600MW

飛灰含碳量

0.78%

0.92%

大渣含碳量

0.43%

1.43%

空預器進口煙氣溫度

357.5

347.5

鍋爐效率

93.8%

93.9%

鍋爐NOx排放量的降低,為電廠節省了相當可觀的運行費用,具體經濟效益分析如下:

1節約氮氧化物排污費

#3鍋爐滿負荷工況下機組煙氣量為2511t/h,按照年運行5500h計,改造前NOx 500 mg/m 3 (O 2 =6%) NOx 180mg/m 3 (O 2 =6%),則鍋爐每年向大氣排放的NO X改造前為5311.6t,改造后為1912.2 t,改造后每年NO X減排量為3399.4t。按照現行大氣污染物排污費為0.6/kg計算,則進行改造后,#3鍋爐每年少繳的氮氧化物排污費為204萬元。

2當采用尿素作為脫硝劑

1)節約SCR噴尿素材料費

利用煙氣脫銷SCR方法,如果采用尿素脫硝時,通過化學反應式計算以及考慮氨的逃逸量,脫除1kgNOx(折算成NO 2 )需要消耗0.7059kg尿素,尿素價格按2000/噸,那每年節省費用為:

3399.4×0.7059×2000= 480萬元

2)節約SCR運行費用

采用尿素脫硝時,每噸尿素水解需要266.67公斤柴油(每噸按8200)46.67KW/h電量(KW/h0.7)1噸除鹽水(每噸10)以及4.89噸蒸汽( 噸按33),則水解每噸尿素需要的運行費用為:

0.26667×8200+0.7×46.67+1×10+4.89×33=2390.7

如果采用尿素脫硝時,那每年節省運行費用為:

3399.4×0.7059×2390.7= 573.7萬元

當采用采用尿素作為脫硝劑每年的總費用=480+573.7=1053.7萬元

3當采用液氨作為脫硝劑

如果用液氨作為脫硝劑(液氨按每噸2800元),單臺鍋爐脫除這些NOx,每年消耗液氨量:

0.4×3399.4=1359.76

需要花費的費用為:1359.76×2800=380.73萬元

1噸液氨需要消耗1噸蒸汽(每噸按33元),折合每年的費用為1359.76×33=4.49萬元

所以,采用SCR煙氣脫硝系統,僅考慮脫硝劑消耗費用,當用液氨作為脫硝劑時,每年煙氣脫硝系統運行費用至少為:380.73+4.49=385.22萬元。




 
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