國產(chǎn)660MW超超臨界機組鍋爐燃燒器低NOx改造

王國棟

大唐信陽華豫發(fā)電有限責任公司設備部，河南信陽 464100

0 引言

1）設備概況

大唐信陽發(fā)電有限責任公司2×660MW超超臨界機組鍋爐型號DG2000/26.15-Ⅱ2，東方鍋爐廠制造，超超臨界參數(shù)變壓直流爐，一次再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。鍋爐前、后墻各布置3層DBC-OPCC-Ⅰ型燃燒器，為東方鍋爐廠在日立公司巴布科克技術上自主開發(fā)的設備，每層6只，共計36只燃燒器（后墻最下層F層為小油槍燃燒器），每臺磨煤機單獨對應一層燃燒器。

2）鍋爐燃燒器運行情況

（1）現(xiàn)鍋爐煙氣中NOx排放濃度高。鍋爐燃用煤種接近設計煤種時，NOx排放濃度407/Nm3（干態(tài)O2=6%）（168后試驗）[1]，燃用煤種與設計煤種偏差較大時，煙氣中NOx排放濃度高達 450mg/Nm3～550mg/Nm3；

（2）燃燒器噴口變形、燒損、穩(wěn)燃環(huán)脫落，鍋爐運行存在較大安全隱患。

1 燃燒器低NOx改造分析

1.1 NOx生成機理[2]

煤燃過程中產(chǎn)生的氮氧化物主要是NO和NO2二者統(tǒng)稱為NOX，煤燃過程中，生成NOx的途徑有三個：

熱力型：空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成的NOx；

燃料型：燃料中含有的氮化合物在燃燒過程中熱分解后氧化而生成的NOX；

快速型：燃燒時空氣中的氮氣和燃料中的碳氫離子團如CH等反應生成的NOX。

煤粉燃燒所生成的NOx中：燃料型占NOx總生成量的6%～80%；熱力型NOx的生成和燃燒溫度的關系很大，在溫度足夠高時，可占NOx總生成量的20%～30%；快速型NOx在煤燃過程中生成量很小。

1.2 NOx生成主要影響因素分析

燃燒器改造首要的目標就是降低氮氧化物排放濃度，根據(jù)NOx生成規(guī)律，煤在燃燒過程中影響NOx生成和破壞的主要因素是：

1）煤種特性，如煤的含氮量、揮發(fā)分含量、燃料比Fc/V等；2）燃燒溫度；3）爐膛反應區(qū)中煙氣的氣氛，即煙氣中的O2、N2、NO和CHi的含量；4）燃料及燃燒產(chǎn)物在火焰高溫區(qū)和爐膛內(nèi)的停留時間。

根據(jù)主要影響因素，對于某一特定的鍋爐，影響最終排放濃度的因素就是：煤質(zhì)、燃燒器組布置和燃燒器燃盡風口結(jié)構(gòu)性能，分別分析如下：

1）煤質(zhì)是根本

由NOX生成機理可知，煙煤由于其揮發(fā)分含量高，通過控制過量空氣系數(shù)可大幅度降低NOX排放濃度，而貧煤、無煙煤由于其揮發(fā)分含量低，降低較為困難，排放濃度較高，因此說煤質(zhì)是根本因素。

2）分級配風（燃燒器組總體布置）是基礎

根據(jù)NOx生成機理，揮發(fā)分N轉(zhuǎn)化為NOx時對當?shù)乜諝?燃料比極為敏感的特點原理發(fā)展了低過量空氣系數(shù)、空氣分級燃燒等低氮燃燒技術。由于低過量空氣系數(shù)會引起較大飛灰損失，空氣分級低氮燃燒技術能同時兼顧高效與清潔兩方面要求而得到廣泛應用。

根據(jù)降低氮氧化物相關煤粉燃燒的理論和實踐指出：采用空氣分級方式，一級燃燒區(qū)域的過剩空氣系數(shù)在0.75～0.85之間時氮氧化物生成水平最低，工程上首先要保證高效穩(wěn)燃，取值0.85左右過剩空氣系數(shù)能滿足兼顧要求，設計一級燃燒區(qū)域過剩空氣系數(shù)0.95，因此從過剩空氣系數(shù)角度看，還有下降空間，目前機組運行時，二次風壓只有～0.7Kpa，通過風門調(diào)節(jié)達到這一風率調(diào)配不可能，因此燃盡風口的改造就是必需的工程改造內(nèi)容。

3）燃燒器是關鍵

對于煤粉鍋爐而言，煤粉燃燒器是鍋爐燃燒系統(tǒng)中的關鍵設備，不但煤粉是通過燃燒器送入爐膛，而且煤粉燃燒所需要的空氣也是通過燃燒器進入爐膛。煤粉氣流的著火過程、爐膛中的空氣動力結(jié)構(gòu)和燃燒工況，主要是通過燃燒器的結(jié)構(gòu)及其在爐膛上的布置來決定的。從燃燒角度看，燃燒器的性能對煤粉燃燒設備的可靠性和經(jīng)濟性起著主要作用；從NOX生成機理看，占NOX絕大部分的燃料型NOX是在煤粉的著火階段生成的。因此通過特殊設計的燃燒器結(jié)構(gòu)、以及改變?nèi)紵黠L煤配比，將空氣分級、燃料分級和煙氣再循環(huán)降低NOX的原理用于燃燒器，以盡可能的降低著火區(qū)的氧濃度、適當降低著火區(qū)的溫度，達到最大限度的抑制NOX生成的目的。由于低NOX燃燒器能在煤粉著火階段就抑制NOX的生成，可以達到更低的NOX排放值，因而低NOX燃燒器是實現(xiàn)低NOX排放的關鍵設備和技術核心。

1.3 原燃燒器結(jié)構(gòu)特點分析[3]

根據(jù)提供資料介紹，采用外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤粉燃燒器（DBC-OPCC型），前后墻對沖燃燒。燃燒器分為中心風、一次風、二次風和三次風，中心風取自大風箱，手動風門調(diào)節(jié)；二次風采用軸向固定導葉、套筒式風門調(diào)節(jié)風量；三次風采用徑向可調(diào)擋板調(diào)節(jié)旋流強度和風量；大風道總風門可以調(diào)節(jié)風箱壓力。一次風采用撞擊式二級濃縮形成外濃內(nèi)淡的氣流流態(tài)。出口處一次風設置12片齒塊、二次風擴錐，二次風筒設置三次風擴錐體。

經(jīng)入口彎頭后進入一次風管，在噴口前部受到二級撞擊錐的撞擊形成粉氣離析，因而出口煤粉顆粒的分布極不均勻，彎頭外側(cè)較濃，而內(nèi)側(cè)較稀，這樣的結(jié)果是：1）造成部分設備過度磨損而較快失效；2）影響燃燒器的著火穩(wěn)燃性能，煤種適應性差；3）煤質(zhì)好時，噴口、擴流錐體容易燒損變形。

原燃燒器存在一次風氣流組織不合理，造成煤粉顆粒分布嚴重不均；二、三次風由于擴流錐體結(jié)構(gòu)問題，造成燃燒器出口有旋轉(zhuǎn)發(fā)散現(xiàn)象，所以原燃燒器必須經(jīng)過改造，才能形成有利于煤粉氣流著火的高溫高濃度區(qū)域，而這一點正是降低氮氧化物的關鍵所在。

1.4 燃盡風結(jié)構(gòu)分析

原兩側(cè)燃盡風結(jié)構(gòu)與燃燒器相同，只是尺寸稍小，特性相同。燃盡風分為兩部分：中心直流風、套筒式風門調(diào)節(jié)風量；外圈16片～24片固定導葉、蓋板拉動調(diào)節(jié)風量。通過大風箱總風門調(diào)節(jié)風箱壓力。

根據(jù)核算結(jié)果，在E-CR工況時，所有二次風平均軸向風速30m/s，在同一個大風箱供風、壓頭只有0.7kPa的條件下，直流風速勉強可以保證，旋流部分軸向速度不能得到保證，因此出口后占大部分風量的旋流風很快發(fā)散，直流部分所占份額較少，在高溫煙氣中的穿透力不足，補氧效果不理想。

2 燃燒器改造方案

根據(jù)前面分析結(jié)論，在目前設備現(xiàn)狀和實際燃用煤質(zhì)情況下，結(jié)合鍋爐運行對改造的綜合要求，只能進行燃燒器改造以增強燃燒器本身的低NOx性能、抗變形燒損能力和適當提高燃盡風率所需的燃盡風口改造來達到改造目的。

改造方案為將現(xiàn)ABCDE 5層共30臺燃燒器全部更換為PH-XSLNB型燃燒器，更換后的燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 一次風

從入口彎頭至噴口端面間部件整體更換，包含一次風固定管前部、彎頭、一次風管，以及設置于一次風管內(nèi)的中心油燃燒器組件、組合式濃淡分離組件和一次風出口與噴口相連接的內(nèi)擴流錐體、穩(wěn)焰齒環(huán)。內(nèi)擴流錐體與一次風管采用插接式銷栓連接，安全可靠、便于施工安裝及檢修更換，齒環(huán)采用SiC齒塊鑲嵌結(jié)構(gòu)，提高齒環(huán)的使用壽命。

2.1.2 二次風

等徑更換前部350長耐熱段，避免原設計碳鋼風管高溫碳化脫落；與外擴流錐體連接結(jié)構(gòu)采用套管插接雙面焊接、背面加強筋補焊加強，避免外擴錐目前存在的受熱變形脫落問題。

2.1.3 三次風

三次風水冷壁耐火澆注擴口漲角單邊夾角25°不變，增加調(diào)節(jié)套筒，形成雙通道三次風，克服原結(jié)構(gòu)擋板調(diào)節(jié)方式旋流強度與通流面積同步改變的缺陷。套筒水平拉桿調(diào)節(jié)通道面積，切向擋板調(diào)節(jié)旋流強度，保證不同負荷下、系統(tǒng)風壓變化時旋流強度和速度維持不變。

圖2 數(shù)值計算出口濃度分布

2.2 性能分析

1）合理的濃度分布

濃淡分離組件與一次風管、彎頭有機組合在一起，可以實現(xiàn)高效低阻濃淡分離、并保證能夠出口煤粉顆粒的均勻分布，如圖2所示。

2）性能特點

對一次風氣流的合理組織，形成較為均勻理想的出口濃度分布，良好的空氣動力結(jié)構(gòu)，在在燃燒器出口附近一二次風界面處形成穩(wěn)定的高溫回流區(qū)域，形成有利于煤粉著火和抑制氮氧化物生成的高溫、高濃度區(qū)域，齒環(huán)使煤粉顆粒在高溫區(qū)滯止減速滯留時間延長，極大提高熱質(zhì)交換能力，而被快速加熱升溫，揮發(fā)分快速大量析出著火燃燒，揮發(fā)分在這一缺氧區(qū)域著火燃燒，可最大限度的抑制NOx生成。

隨后中心的淡相氣流及時補充殘?zhí)咳紵糠盅趿浚瑴囟瘸掷m(xù)升高，因二次風旋轉(zhuǎn)而稍后才能補入，形成的還是高溫還原火焰，使已生成NOx得到還原，因而可以大幅度降低NOx排放；其后二三次風不斷分級補入，殘?zhí)吭诟邷丨h(huán)境下充分燃燒，提高煤粉燃盡度，強化燃燒穩(wěn)定性，使煤種適應性增強。

[1]大唐信陽發(fā)電有限責任公司2×660MW鍋爐性能試驗報告[R].河南電力試驗研究院，2009，12：19-23.

[2]吳碧君，劉曉勤.燃燒過程NOx的控制技術與原理[J].電力環(huán)境保護，2004(2)：40-50.