50t/h燃气锅炉低氮改造技术应用和工程实践

张昊

（华电浙江龙游热电有限公司，浙江 龙游 324400）

天然气虽然是清洁能源，但它在燃烧过程中还是会产生一定的氮氧化物，对环境造成污染。随着我国环保要求逐渐严格和低氮先进技术的导入，低氮锅炉受到了越来越多人的青睐。目前，华东区域存在很多早期生产的燃气锅炉，其氮氧化物排放浓度在100mg/m3以上，不能满足《锅炉大气污染物排放标准》（DB3301/T 0250-2018）不高于50mg/m3的标准要求。锅炉使用单位通过实施燃气锅炉低氮改造方式，在较大程度上对原有锅炉进行二次利用，有效降低氮氧化物排放浓度，进一步充分发挥原锅炉的功效和价值。

1 项目概况

某燃机电厂配置2台SZS50-2.3/350-Q型燃气锅炉，作为燃气轮机停机期间的备用，用于当地经济开发区工业供热，2016年8月投入运行。燃气锅炉采用RPD100G-RU型分体式燃烧器，最大输出功率45MW。目前该燃气锅炉氮氧化物排放浓度约140mg/m3，现采用低氮燃烧加烟气外循环的方式对其进行低氮改造，使燃气锅炉满足以下要求：（1）燃气锅炉全过程运行工况氮氧化物排放浓度均不高于30mg/m3；（2）锅炉出力不低于改造前；（3）锅炉最小稳定运行负荷不高于20%额定负荷；（4）改造后燃气锅炉满足安全性检验、排放测试和能效测试要求。

2 低氮改造技术方案

2.1 低氮燃烧技术路线

本项目采用升级低氮燃烧器加烟气外循环技术路线，即采用烟气再循环耦合低氮燃烧器的方式，将烟道中部分烟气引回与助燃空气混合后进入炉膛。要求燃烧器升级为低氮燃烧器（原燃烧头更换为低氮燃烧头），燃气阀组和原燃烧器壳体可利旧。

循环烟气由省煤器进口烟道引出，烟气温度在120～150℃，接至燃烧器前与空气混合，保证混合后的进风温度在露点之上以减少冷凝水的产生。增加的一路烟气外循环系统，配有隔离阀、电动蝶阀、温度探头、管道，并配置单独的FGR风机。FGR管道做防腐和保温处理，低位安装冷凝水疏水阀。

2.2 烟气混合方式

再循环烟气采用后混式，即再循环烟气接入送风机后，通过测算原有送风机风量、风压能满足要求，确认是否需要更换送风机。再循环风机风量根据烟气量测算，风压一般比送风机高300～1000Pa，风道长度5m以上，以避免烟气和助燃空气对冲或混合不均匀情况的发生。后混式再循环烟气方案，如图1所示。

2.3 低氮燃烧控制方式

低氮燃烧控制包括燃烧器及再循环烟道等设备的监视、控制、保护和联锁所需的完整的仪表及控制系统。原燃烧器机械比调控制改造为电子伺服控制，配套燃烧器火检由1个增加为3个，对应保护由单点保护升级为三取二保护。

同时，将原有的燃烧器程序控制器改造为基于DCS的控制系统，对DCS系统进行硬件扩容、软件升级，所有IO点根据实际情况重新设计排布。

3 施工过程

3.1 燃烧器升级拆装

燃烧器只需要对燃烧头进行升级，所以锅炉前墙口与安装口尺寸一致，无须进行扩孔和重新浇筑。施工过程通过拆下原燃烧器，返厂将RU燃烧头升级为EU2超低氮燃烧头（EU2燃烧头彩用多喷管扩散燃烧技术，火焰发散角为108°～120°，助燃空气沿燃烧头轴向成螺旋喷出，并强制烟气内循环降低火焰根部温度抑制NOx在炉膛内生成的反应条件，从而达到降氮效果），升级后重新装入原前墙口。

安装完成后，对燃烧器与炉墙口接缝处填补保温材料和浇注料进行密封，防止燃烧物从锅炉缝隙中泄漏逃逸至锅炉房。

3.2 FGR烟道安装

拆除原有主风机下部进风风道，改为左侧进风风道，风道安装时，注意支撑及冷凝水排水管道安装及加装阀门；新增循环烟道，循环烟道烟气接口取自于省煤器与烟囱的连接烟道上，在烟道水平中心偏上位置开孔，以减少循环烟气源的冷凝水含量，循环烟道流动介质为高温烟气，从防护要求对风道及循环烟道进行保温。主风机风道与FGR烟道对接如图2所示。

3.3 主风机和FGR风机改造和安装

根据测算需更换工作效率不高，参数余量不足的原主风机（型号：G9-26 16.2D，参数：Q=62000m3/h、H=6600Pa、N=185kW）。更 换 为HNPD1400-0900-RD90型风机，参数Q=71000m3/h、H=7800Pa、N=185kW，风机变频器利旧。

增配耐高温FGR风机，HNPD0800-0500-LG90型风机，参数Q=165m3/h、H=8100Pa、N=55kW，通过FGR电动蝶阀控制烟气量，烟气再循环率10%～20%，根据氮氧化物排放动态调整。FRR风机及烟道安装如图3所示。

主风机利用原风机基础，增配的FGR风机定位及载荷根据设计院土建专业设计、复核和实施。

3.4 燃烧调整

改造后的燃烧器采用电子比例调节，由DCS系统控制。燃烧调整过程包含对每台锅炉从点火到12.5%～100%升降负荷全过程调整，通过对CEMS排放监测数据、架设在锅炉烟道上的手持式烟气分析仪数据、炉膛火焰燃烧情况以及锅炉各运行工况数据进行对比分析，逐条记录燃气锅炉点火、12.5%～100%负荷区间范围内共10个负荷点对应的燃气调节阀、一次风门、二次风门、主风机频率、FGR调节阀、FGR风机频率参数定值，制定燃气锅炉升降负荷曲线，各负荷点之间控制参数等比例变化。最终使NOx排放、CO排放、氧量、排烟温度等各项参数在标准范围内，同时保持燃气锅炉燃烧稳定、排放达标、效率优化。控制参数定值设置如表1所示。

表1 燃烧调整参数控制表

后期随着环境温度、燃料热值等因素变化，还可以通过耦合燃气锅炉的启停工况、不同负荷段及各种可能引起燃烧排放NOx超标或超出最佳控制区间的因素，通过基于PID控制原理结合自适应控制技术，准确快速平稳地自动调节烟气再循环调阀开度及送风机频率偏置，通过叠加到原预置曲线开度的方式，实现NOx排放的自适应调整，逻辑设计如图4所示。在稳定燃烧的前提下，自动扩大锅炉升降负荷曲线的适应范围，实现不同实际工况下的达标排放。

3.5 项目验收

改造施工完成且设备调试正常稳定后，需要经以下第三方单位检验及测试，才能完成验收并取得环保补贴：（1）向具备特种设备检验资质的单位申请进行燃气锅炉外检并检验合格；（2）在外检合格的基础上，进行第三方能效测试，锅炉热效率需满足DB33/T800《锅炉运行能效限额及监测技术要求》规定标准值的要求；（3）在外检合格的基础上，进行第三方排放测试，氮氧化物排放不高于30mg/m3且其他污染物排放达标；（4）涉及CEMS设备改造范围的还需进行第三方烟气连续监测系统比对测试，测试结果符合标准要求；（5）涉及环保补贴需根据当地政府实际政策要求向市场监督管理局和生态环境局申请验收并提供验收资料，验收通过并向社会公示后依法依规取得。

4 项目改造亮点

本项目针对原燃气锅炉累计运行时间短、使用率不高的现状，在满足安全性和氮氧化物排放要求的同时，按照最大限度利旧的原则，降低排放、降低成本、提高设备的安全可靠性和运行效率，创新挖掘出以下工程亮点：（1）采用燃烧器升级为低氮燃烧器的改造方式。仅需将燃烧头更换为低氮燃烧头，燃气阀组和原燃烧器壳体可利旧，燃烧器与锅炉前墙接口尺寸不变，无须改变锅炉前墙结构布局，既节约了成本，又最大程度减少现场改造工作量，避免对锅炉结构改动引起的各种报批手续。（2）燃烧器调节方式由原有的机械比例调节升级为电子比例调节，提高了燃烧控制的调节精度和调节可靠性；同时，燃烧器控制方式由程控器升级为DCS控制，方便后期对燃烧控制进行调整、监督和分析记录。（3）创新应用自适应燃烧调整技术，FGR调节阀及送风机变频协同参与NOx调节的控制燃气锅炉，实现不同负荷段、不同工况下NOx排放参数的自适应控制。

5 结语

采用升级低氮燃烧器加烟气外循环的方式对50t/h燃气锅炉进行低氮改造，能最大限度地利用原有设备，改造可靠性高、施工难度低、实施效果好。通过低氮改造实现燃气锅炉氮氧化物排放浓度不高于30mg/m3的目标，符合《锅炉大气污染物排放标准》（DB3301/T 0250-2018）的标准要求。在取得环保补贴的同时，大幅减小燃气锅炉污染物排放，并有效提升燃气锅炉运行灵活性和稳定性，具有较好的经济效益和社会效益。