W火焰鍋爐低氮燃燒器的改造與解決方案

王 超，何 東

（1.華能上安電廠，河北石家莊050000；2.華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003）

W火焰鍋爐低氮燃燒器的改造與解決方案

王 超1，何 東2

（1.華能上安電廠，河北石家莊050000；2.華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003）

某型300MW機(jī)組采用了W火焰鍋爐，機(jī)組NOx的排放濃度較高。對燃燒器、分級配風(fēng)、衛(wèi)燃帶等設(shè)備進(jìn)行了低氮燃燒方面的改造，降低了NOx的排放濃度，達(dá)到了預(yù)期目的。后期又對衛(wèi)燃帶進(jìn)行了改造，解決了鍋爐易結(jié)渣等問題。

鍋爐；低氮；火焰；燃燒器；排放；效果；改造；方案

0 概 述

某型300MW機(jī)組的燃用煤種為無煙煤與貧煤的混煤，NOx排放濃度在600～1300mg/m3。為滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（G13223-2011）的要求，控制NOx排放濃度至50mg/m3以下，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了改造。為了減少SCR脫硝設(shè)備投資及降低運(yùn)行成本，啟動了低氮燃燒改造工程。通過對燃燒器、分級配風(fēng)、衛(wèi)燃帶的改造，可將脫硝入口NOx排放濃度降低至約800mg/m3。通過脫硝系統(tǒng)后，煙囪入口的排放濃度為50mg/m3，實(shí)現(xiàn)了超凈排放，NOx排放濃度達(dá)到了預(yù)期效果。但在系統(tǒng)改造后，鍋爐產(chǎn)生了嚴(yán)重結(jié)渣現(xiàn)象，采用改造衛(wèi)燃帶方式進(jìn)行解決。

1 鍋爐概況

該機(jī)組鍋爐為亞臨界壓力、一次中間再熱、自然循環(huán)、雙拱型單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、“W”型火焰燃煤鍋爐［1-2］。每臺鍋爐配24只雙旋風(fēng)筒式煤粉濃縮型燃燒器，配備4臺雙進(jìn)雙出直吹式鋼球磨煤機(jī)，燃燒器為前后墻拱上布置，一次風(fēng)粉經(jīng)濃淡分離，90%粉＋50%風(fēng)由噴燃器口進(jìn)入，抽出的10%粉＋50%風(fēng)，由下爐膛部位乏氣風(fēng)口進(jìn)入［3］。鍋爐的主要參數(shù)，如表1所示。

該機(jī)組的燃用煤種為50%陽泉無煙煤＋50%壽陽貧煤的的混煤；校核煤種（A）為70%陽泉無煙煤＋30%壽陽貧煤；校核煤種（B）為100%陽泉無煙煤。這些煤均屬于高熱值、難著火、難燃盡、不易結(jié)渣的煤種。

表1鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

2 W型火焰燃燒技術(shù)

W型火焰鍋爐為了燃燒難燃無煙煤，通常采取高煤粉濃度、高溫、高氧量集中送風(fēng)、高停留時間方式組織燃燒，而高氧量集中送風(fēng)，是造成鍋爐NOx排放濃度高達(dá)1200～2000mg/m3的主要原因，其中熱力型NOx所占的比例較高，這也是無煙煤W型鍋爐通過燃燒控制NOx難度高的主要原因［4］。

現(xiàn)代的低NOx燃燒技術(shù)，是將煤質(zhì)、制粉系統(tǒng)、燃燒器、二次風(fēng)及燃燼風(fēng)等技術(shù)作為一個整體考慮。以低NOx燃燒器與空氣分級為核心，在爐內(nèi)組織燃燒溫度、氣氛與停留時間，形成早期的、強(qiáng)烈的、煤粉快速著火欠氧燃燒狀態(tài)，利用燃燒過程產(chǎn)生的氨基中間產(chǎn)物來抑制或還原已經(jīng)生成的NOx。針對W型火焰鍋爐，如何在高溫下組織爐內(nèi)空氣分級燃燒，尤其是控制高溫區(qū)域內(nèi)的氧量，是抑制NOx生成濃度的關(guān)鍵。此外，還需兼顧煤粉燃盡、防結(jié)渣與腐蝕等問題。

2.1 燃燒器

煤粉燃燒器的首要任務(wù)是燃燒。W型火焰鍋爐除采用長火焰大回流燃燒方式外，還采用細(xì)煤粉（篩余R90與煤的揮發(fā)分?jǐn)?shù)值相近）、低一次風(fēng)煤比（約1.2）、煤粉濃縮（濃縮分離后，濃相一次風(fēng)煤比約0.7）、低一次風(fēng)率（15%～20%）、低射流速度（10～15m/s）、一次風(fēng)粉預(yù)熱（風(fēng)粉溫度通常約100℃，一次風(fēng)粉置換或熱風(fēng)送粉可達(dá)190℃），采用噴嘴穩(wěn)燃鈍體等措施，以降低煤粉的著火熱，提高揮發(fā)分的析出速率和析出量。設(shè)備布置形式，如圖1所示。高濃度煤粉在高溫?zé)煔庵械臐獾钊紵?，能?shí)現(xiàn)煤粉的早期著火燃燒。同時，還為在火焰鋒面上通過缺氧氣氛控制早期的燃料型NOx生成，創(chuàng)造了有利條件。2.2 爐內(nèi)空氣分級

圖1煤粉旋風(fēng)筒濃縮、大速差縫隙式及PAX型雙調(diào)風(fēng)燃燒器

為增加濃相煤粉在欠氧氣氛區(qū)域內(nèi)的停留時間，充分利用燃燒初期產(chǎn)生的氨基中間產(chǎn)物，提高燃燒過程中的NOx自還原能力，通常推遲燃燒器區(qū)域的二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合，并在爐膛上部布置一層或多層高位燃燼風(fēng)，在爐內(nèi)縱向形成大范圍的空氣分級燃燒。早期的W型火焰鍋爐，在燃燒室內(nèi)采取多級分級配風(fēng)，減少燃燒初期的助燃空氣摻入量。現(xiàn)時的W型火焰鍋爐，還將部分助燃空氣，從二次風(fēng)中分離，構(gòu)成分離式的燃燼風(fēng)SOFA，如圖2所示，使燃燒器區(qū)域的過剩空氣系數(shù)小于0.8～0.9，控制燃燒初期的燃料型NOx的生成，并通過燃燼風(fēng)的后期加入，完成焦炭、CO及其它中間產(chǎn)物的燃盡。

圖2 W型火焰鍋爐的分級配風(fēng)

將高效的低NOx燃燒器與空氣分級配風(fēng)相結(jié)合，是鍋爐燃燒過程中控制NOx生成的主要措施。目前，國內(nèi)已經(jīng)有一批切園和墻式煙煤鍋爐，實(shí)施了低NOx燃燒改造，使NOx減排達(dá)到30%～50%。但對于無煙煤W型火焰鍋爐，由于煤粉著火特性較差，在燃燒過程中控制NOx的生成，難度較大。

3 改造方案

該型機(jī)組低氮改造的原理，是以低氮燃燒器與空氣分級配風(fēng)為核心，在爐內(nèi)組織燃燒溫度、氣氛與停留時間，形成早期的、強(qiáng)烈的、煤粉快速著火欠氧燃燒，利用燃燒過程產(chǎn)生的氨基中間產(chǎn)物，抑制或還原已經(jīng)生成的NOx。主要從以下幾個方面進(jìn)行了改造［4］。

3.1 燃燒設(shè)備的改造

拆除原有的雙旋風(fēng)燃燒器，采用直流式帶中心風(fēng)煤粉燃燒器。改造后的煤粉濃縮器獨(dú)立布置于燃燒器前，一次風(fēng)粉混合物經(jīng)過煤粉濃縮器，利用其中心擋塊和旋流葉片分離煤粉氣流，使煤粉氣流分成中心的淡粉氣流和外圍的濃粉氣流，分別引入乏氣噴口和燃燒器一次風(fēng)噴口。中心風(fēng)引自中心風(fēng)母管。在直流燃燒器內(nèi)布置中心風(fēng)的主要作用，是在油槍運(yùn)行時用作燃油配風(fēng)，提供油槍點(diǎn)火所需要的根部風(fēng)，避免燃油時出現(xiàn)冒黑煙的情況。在油槍停運(yùn)時，起到冷卻油槍并保護(hù)燃燒器端部，防止煙氣倒灌及灰渣積聚的作用［5-7］。

3.2 分級配風(fēng)改造

3.2.1 二次風(fēng)系統(tǒng)改造

拱上原有3個風(fēng)門，合并為1個拱上二次風(fēng)門。原有的拱下垂直墻上的2個二次風(fēng)風(fēng)口被取消，對剩余的二次風(fēng)風(fēng)口進(jìn)行重新設(shè)計，布置為拱下二次風(fēng)口，并增設(shè)導(dǎo)流板，使風(fēng)口向下，以30°的角度進(jìn)入爐膛。改造后的拱上二次風(fēng)和拱下二次風(fēng)的風(fēng)量，分別占總風(fēng)量的39.2%和16.8%，配合上爐膛下部燃盡風(fēng)的進(jìn)入，有利于形成合理的分級配風(fēng)，使拱下主燃燒區(qū)域處于還原性氣氛，對于抑制NOx排放也更為有利。

燃燒器二次風(fēng)箱劃分為24個獨(dú)立的配風(fēng)單元，對每個燃燒器的二次風(fēng)實(shí)行單獨(dú)控制，每個配風(fēng)單元由上部風(fēng)箱和下部風(fēng)箱兩部分組成。在上部風(fēng)箱改造時，拆除了原來風(fēng)室。下部風(fēng)箱改造時，拆除了原風(fēng)門的擋板，安裝新的拱下二次風(fēng)風(fēng)門。翼墻增加布置貼壁風(fēng)，風(fēng)量占總風(fēng)量2%～5%，在爐膛側(cè)墻形成保護(hù)性氣氛，防止煤粉沖刷水冷壁而結(jié)渣。

3.2.2 乏氣風(fēng)改造

改造時，設(shè)計了乏氣環(huán)形周界風(fēng)。乏氣風(fēng)布置于鍋爐爐膛垂直墻中部，以下傾40°傾斜進(jìn)入爐膛。由于乏氣風(fēng)的引射和頂托作用，在一定程度上也可防止下沖火焰沖刷前后墻水冷壁而造成結(jié)渣。

3.2.3 燃盡風(fēng)改造

增加了燃盡風(fēng)風(fēng)箱、連接風(fēng)道和燃盡風(fēng)風(fēng)口，燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器數(shù)量為26只，前后墻各13只。燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器將燃盡風(fēng)分為兩股獨(dú)立的氣流噴入爐膛，以使煤粉在后期進(jìn)一步燃盡。中部為直流氣流，外圈為旋轉(zhuǎn)氣流，兩股氣流的流量分配均可調(diào)節(jié)。

3.3 受熱面改造［8］

對鍋爐本體受熱面的改造，包括了為適應(yīng)燃燒器的大屏過熱器改造、高溫再熱器改造以及水冷壁改造。

為減少過熱器減溫水量，并方便燃燒器改造中的燃盡風(fēng)口布置，將大屏底部上移，減少受熱面積。為緩解因同屏再熱器工質(zhì)流量分配偏差造成的高溫再熱器管壁超溫問題，對高溫再熱器第一根管子進(jìn)行了短接，將入口至“U”型彎的位置下移2000 mm。增加高溫再熱器外圈管的工質(zhì)流量，緩解壁溫的超溫問題。水冷壁的改造，包括大屏穿墻區(qū)域水冷壁上部水冷壁、燃盡風(fēng)開孔區(qū)域的中部水冷壁和燃燒器區(qū)域的爐拱和拱下垂直水冷壁。

3.4 側(cè)墻衛(wèi)燃帶改造

將側(cè)墻衛(wèi)燃帶分割為6塊，共去除衛(wèi)燃帶120 m2。

4 改造效果及問題

4.1 改造效果

在鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)改造后，對NOx排放濃度、鍋爐熱效率、減溫水量等性能進(jìn)行了性能試驗(yàn)。在燃用設(shè)計煤種的額定工況下，按常規(guī)氧量，NOx排放濃度為695mg/Nm3，SCR入口煙氣中CO排放濃度平均值為14μg/L，飛灰可燃物含量平均值為6.04%，鍋爐熱效率為91.37%，過熱減溫水總流量為66.5t/h，達(dá)到了改造的預(yù)期效果。試驗(yàn)時的運(yùn)行工況及各項(xiàng)參數(shù)，如表2所示。

表2低氮燃燒改造后性能試驗(yàn)結(jié)果

4.2 存在的問題

機(jī)組運(yùn)行期間，鍋爐經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)渣現(xiàn)象，由于底部冷灰出口焦塊堵渣，下爐膛溫度過高，導(dǎo)致下爐膛墻面流渣。結(jié)渣部位主要集中在側(cè)墻、翼墻和拱下下部風(fēng)箱區(qū)域［9-11］。

根據(jù)W火焰鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對低氮改造后普遍存在的共性問題進(jìn)行分析，主要有幾個方面的原因。

（1）爐膛爐溫高?，F(xiàn)有鍋爐的結(jié)構(gòu)尺寸，決定了下爐膛的容積熱負(fù)荷及斷面熱負(fù)荷不可改變，但下爐膛容積熱負(fù)荷偏高（248kW/m3），造成各區(qū)域發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象。

（2）二次風(fēng)與煤粉氣流在整個燃燒、擴(kuò)散過程的配合不佳，防結(jié)渣方面的措施不足。

4.3 解決對策

針對鍋爐嚴(yán)重結(jié)渣的問題，可以通過去除下爐膛各區(qū)域的衛(wèi)燃帶面積，減少衛(wèi)燃帶占據(jù)下爐膛有效敷設(shè)面積的比例，降低下爐膛有效壁面的熱負(fù)荷，適當(dāng)降低局部熱負(fù)荷，減緩各區(qū)域發(fā)生結(jié)渣的可能。為此，采用了一些改造措施。

（1）拱下前后墻衛(wèi)燃帶改造

在乏氣風(fēng)口中心線上下600mm范圍內(nèi)，去除該處的衛(wèi)燃帶，去除拱下二次風(fēng)上方800mm范圍內(nèi)的衛(wèi)燃帶，以減緩前后墻拱水冷壁的結(jié)渣問題。

（2）翼墻和側(cè)墻衛(wèi)燃帶改造

為減緩翼墻結(jié)渣，將該區(qū)域衛(wèi)燃帶進(jìn)行帶狀去除。在側(cè)墻區(qū)域，去除剩余的衛(wèi)燃帶，減緩側(cè)墻和翼墻的結(jié)渣問題。

5 結(jié) 語

在低氮改造后，對爐膛側(cè)墻和翼墻的結(jié)渣問題進(jìn)行了分析和研究，通過去除衛(wèi)燃帶、翼墻防焦風(fēng)改造等措施，降低了壁面的熱負(fù)荷，并對改造后減溫水、爐膛出口煙溫、爐膛入口煙溫的影響進(jìn)行了評估。

根據(jù)防結(jié)渣改造方案，改造后，剩余的衛(wèi)燃帶面積為375.8m2。衛(wèi)燃帶敷設(shè)面積占下爐膛有效敷設(shè)面積的32.5%。按此對鍋爐進(jìn)行熱力計算，計算結(jié)果顯示，各負(fù)荷工況下有適量過熱器減溫水，下降幅度約17%～37%，爐膛出口煙溫下降約18～23℃，對SCR入口煙溫的影響＜3℃。

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TransformationandSolutionofLowNitrogenBurnerinWFlameBoiler

WANGChao1，HEDong2
（1.HuanengShanganPowerPlant，Shijiazhuang050000，Hebei，China；2.CollegeofEnergy，PowerandMechanicalEngineering，NorthChinaElectricPowerUniversity，Baoding071003，Hebei，China）

TheNOxemissionconcentrationisrelativelyhighinacertain300mwunitpowerplantusingW-flame boiler.NOxemissionconcentrationhasreachedtheexpectedeffectthroughlownitrogencombustiontransformation ofburner，staged-airdistribution，refractorybeltandotherequipment.Thesevereslaggingissuesofboilerhavebeen solvedbyrefractorybelttransformation.

boiler；lownitrogen；flame；burner；emission；results；transformation；program

TK223.21

A

1672-0210(2015)04-0039-05

2015-09-16

：2015-10-19

王超（1984-），男，碩士，工程師，主要從事火力發(fā)電廠低氮燃燒技術(shù)方面的研究工作。