三種典型火力發電機組低氮燃燒器改造工程分析

文 王雪鋒 深圳能源集團股份有限公司 駱曉春 高亮明 深圳媽灣電力有限公司

丁成云 廣東省東莞市沙角B電廠 程業韜 深圳南山熱電股份有限公司

火電廠產生的氮氧化物主要有三種形式：燃料型、熱力型和快速型氮氧化物。燃料型氮氧化物主要由燃料中氮化物氧化轉化形成，約占總生成量的80%～90%，是減排的主要控制對象。熱力型氮氧化物主要由空氣中的N2在高溫環境下氧化生成的，一般約占總生成量的10%～20%。燃料揮發物中的碳氫化合物高溫分解生成的CH自由基與空氣中的氮氣生成HCN和N，再進一步與氧氣作用以極快的速度生成，約占總含量的1%。

深圳能源集團公司先后對媽灣電廠國產300MW四角切圓亞臨界鍋爐（國產機組全國首臺）、沙角B電廠進口350MW前后墻對沖亞臨界鍋爐和南山熱電GE9E燃氣輪機低氮燃燒器低氮燃燒改造工作，氮氧化物減排效果顯著，對國內電力行業氮氧化物減排具有較好的示范作用。

1 低氮燃燒工程改造技術原理

1.1 媽灣電廠國產300MW四角切圓亞臨界鍋爐改造技術原理

該技術的特點是將爐內燃燒的三維空間，在水平方向上劃分為近壁區和中心區兩個區域；同時在垂直方向上劃分為兩個燃燒區段，每個燃燒區段有分別包含一個氧化區、一個還原區和一個燃燼區，通過各區域燃燒配風比例的變化，實現分區燃燒，達到降低氮氧化物生成、防止爐內結渣的目的。

采用國電科環公司的“雙尺度燃燒技術”（結構見圖1），主燃燒區一次風噴口采用空間濃淡燃燒技術組合分布，下三層一次風成一組（A層上濃下淡/B層水平濃淡/C層下濃上淡），上三層一次風成一組（D層上濃下淡/E層下濃上淡/F層下濃上淡），沿爐膛高度方向控制過量空氣系數分布降低NOX生成，改造采用一次風反切小切圓，一三角二次風對沖布置，二四角二次風正切布置形成正切圓，并在二次風噴嘴布置有貼壁風防結渣和高溫腐蝕，在燃燒器上方4.5m布置四層橢圓形結構燃盡風噴嘴，其中三層運行一層備用達到靈活調節的目的。

在爐膛橫截面上形成了“中心區”和 “近壁區” ，貼壁風（結構見圖2）不改變主射流方向，在近壁區保持足夠的氧氣存在，防止爐膛結渣及高溫腐蝕 。

1.2 沙角B電廠前后墻對沖亞臨界鍋爐改造原理

采燃料分級、空氣分級優化降氮技術。將煤粉氣流濃淡分級燃燒，濃煤粉進行貧氧燃燒，產生大量未燃揮發份氣體，由于缺氧環境使區域溫度較低，抑制熱力型NO產生；淡煤粉推遲補入已燃燒的濃煤粉氣流，使濃煤粉氣流中大量的揮發份利用淡煤粉過量氧氣進行充分燃燒，同時其燃燒產生的NO在焦炭燃燒過程中部分被還原，從而抑制NO生成。

爐內配風優化：在相同負荷、保持總空氣量不變的情況下，減少下層燃燒區域的氧量，同時增加上層燃燒區域的氧量，適當分配空氣，可以使主燃燒區域為缺氧氣氛，減少氮元素被氧化的可能，即減少燃料型NOX的生成；而上部燃燒區域為富氧氣氛，降低了此區域的溫度，進一步減少了熱力型NOX的生成，抑制了總氮氧化物生成量。

1.3 南山熱電PG9171(E)燃氣輪機改造原理

燃汽輪機這種不注入降氮物質的燃燒方式稱為干式低氮燃燒，南山熱電此次改造采用的GE 公司DLN-1燃燒技術是一個二級摻混燃燒的一個過程。燃燒系統分成4個主要組成部分：燃料注入系統、導流套筒、文丘里流量控制器、冒蓋中心組合體。第一階段通過混合燃料提供一個統一、欠氧、未燃的燃料空氣混合物，第二階將第一階段的混合物與第二階段過氧燃料混合物充分燃燒，從而實現降低氮氧化物排放的目標。全過程通過氣體燃料注入系統上的流量控制閥實現。

與改造前燃燒器相比，單個燃燒器噴嘴由1個變成了7個，中心1個，其余6個圍繞中心噴嘴布局。一級燃料噴嘴布置在二級燃料噴嘴的外圍，形成了沿徑向的燃料分布，并且二級燃料的相對走向位置前后錯開，充分利用了火焰筒的橫截面進行燃料分級，實現濃淡燃燒，從而保證燃燒室的性能同時降低氮氧化物的排放。

同時在啟停機階段，燃料供應模式由1種變成了4種進行控制：一級燃燒模式：點火到20%負荷，全部燃料供給一級燃燒區域；貧-貧燃燒模式：20%～50%負荷70%燃料供應一級燃燒區域，30%燃料供應二級燃燒區域，燃燒在一與二級區域均發生；二級燃燒模式：通過燃料轉換系統將燃料與燃燒轉換至二級燃燒區域，使燃燒從貧-貧燃燒轉換到預混燃燒模式；預混燃燒模式：負荷從50%向100%過度，83%燃料供應一級燃燒區域，17%燃料供應二級燃燒區域，一級燃燒區內的燃料與通過旋流器供入的空氣形成了均相預混的可燃氣體供入二級燃燒區，在二級燃燒區內燃燒。在二級燃燒區內及大部分燃料都是在比較稀釋的狀態下，以預混火焰傳播方式進行燃燒的，因而能達到在高負荷工況下控制NOX排放量的目的。

2 改造后效果分析比較

三種機型改造效果均比較成功，達到預期減排目標，對降低機組氮氧化物排放有明顯效果，同時對改進燃煤機組燃燒工況，減少結焦、結渣均有較好成效，達到預期值（具體見表1）。

表1 三種典型火力發電機組低氮燃燒器改造效果比較

3 改造工程中需注意的問題

3.1 燃煤機組改造需關注的問題

從工程實際情況來看，均采用濃淡燃燒的原理來降低氮氧化物排放，爐膛空間越大，進行低氮燃燒器改造效果越好；爐膛空間狹小，對改造設計要求更高。不同磨煤機組合下燃燒器區域和折焰角區域的溫度對比數據均表明，燃燒器改造后，爐膛火焰中心易產生上移，原有的換熱平衡被打破，輻射換熱比例減小，對流換熱比例增大（尤其是低溫過熱器），從而導致目前運行中一級過熱減溫水量偏大，過熱器和再熱器管壁超溫問題。

同時由于改造后火焰中心上移，煤粉顆粒在爐內的停留時間縮短，煤粉顆粒未完全燃燒即進入尾部煙氣通道，導致飛灰可燃物含量較高。此外，一次風煤比、磨煤機出口折向門擋板、燃燒器擋板和配風方式設置不合理也是引起飛灰可燃物含量高的可能原因。

3.2 燃氣輪機機組改造需注意的問題

北方某電廠9E機組陪DLN1低氮燃燒器，運行13100h后停機檢修發現火焰筒損壞、過渡段出現不同程度的磨損。主要原因有運行超時、某些結構設計存在缺陷、運行控制參數設置不合理等。修復、替換損壞的燃燒室部件后,機組運行正常。改造后需嚴格按照運行參數控制燃燒，按時進行檢修檢查工作，確保設備安全穩定運行。