對沖燃燒鍋爐低氮燃燒改造中2種燃燒器的應用分析

趙 剛，應明良，王 磊，茅建波，戴宇寧

（1.中國能源建設集團有限公司，北京 100029；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；3.北京巴布科克·威爾科克斯有限公司，北京 100043）

近幾年來，我國先后出臺了改善大氣環境質量的火電廠氮氧化物防治技術政策、火電廠大氣污染物排放標準、關于執行大氣污染物特別排放限值的公告，對火電廠大氣污染物如NOX的排放等提出了很高的要求。而國內火電廠早期投運的鍋爐低氮燃燒技術相對落后，NOX排放濃度普遍較高，要對早期投運的鍋爐NOX進行排放濃度控制，由于受現場條件的制約，增設鍋爐尾部煙氣脫硝裝置的改造難度和工作量較大，且成本較高。相對而言，低氮燃燒器改造是一種經濟、有效的減排方法。因此，低氮燃燒技術應作為燃煤電廠氮氧化物控制的首選技術[1]。

1 設備概況

1.1 改造前概況

某電廠300 MW機組鍋爐是由北京巴布科克·威爾科克斯有限公司（簡稱北京巴威）引進美國B&W公司RB鍋爐技術標準設計制造的亞臨界壓力、單爐膛、一次再熱、自然循環、平行煙道、單汽包型箱式煤粉爐，型號為B&WB-1025/17.5-M，鍋爐爐膛寬為13 800 mm，深度為12 300 mm，高為48 500 mm。配用5臺MPS-ZGM95N型中速磨的直吹式制粉系統，采用前后墻對沖燃燒方式，配置20只B&W標準的雙調風DRBXCL型旋流煤粉燃燒器，前后墻各10只，分3層前后對稱布置，上、中、下分別為2，4，4只。

1.2 改造概況

1.2.1 燃燒器改造

本次改造對原系統20只燃燒器進行了更換，使用美國B&W公司研制的AireJet以及DRB-4Z型超低NOX雙調風旋流燃燒器替代原有燃燒器。為使最上排燃燒器投運時能使煤粉在爐膛斷面范圍內更為均勻，將最上層燃燒器的布置方式由原來的前、后墻各2只，改為4只燃燒器全部布置在前墻。為滿足下排燃燒器使用微油點火設備的需要，下排8只燃燒器使用DRB-4Z型燃燒器，其余12只全部使用AireJet型燃燒器。

AireJet燃燒器能夠高效地燃燒煤粉，并可通過與燃盡風噴口聯合使用來大幅度降低NOX的排放。同時，AireJet燃燒器能夠在合適的調節范圍內在燃燒器喉口處建立穩定的著火點。燃燒器在爐膛內的布置既能控制NOX的排放，又能提供完全燃燒所需停留時間的熱環境。AireJet燃燒器設計獨特，空氣可直接供到燃燒器的火焰內部，使燃燒更加迅速。因而該型燃燒器能在更低的過量空氣系數下運行，同時將一氧化碳和飛灰含碳量降到最低。

DRB-4Z燃燒器充分利用了空氣分級燃燒的特點，煤粉噴口位于燃燒器中心區，可以有效控制空氣與煤粉在火焰根部的相互作用。二次風通過一次風道外側的3個環形風道進入燃燒器，二次風量可以調節，其中少量的二次風進入環繞在一次風道外圍的過渡區，以控制火焰中心富燃料區域的氧量，有利于降低NOX的生成量。在過渡區外環依次是內二次風區和外二次風區，二次風可分別進入這2個區域，通過可調軸向葉片產生旋轉的二次風氣流，控制空氣與一次風的混合，再通過控制燃燒率及二次風量來降低NOX的生成量。二次風在燃燒過程中逐漸與初期燃燒的產物混合，完成煤粉的燃盡，從而使NOX的生成降到最低。

1.2.2 燃盡風改造

本次改造在燃燒器上部增加10只B&W公司的雙風區燃盡風噴口（前、后墻各5只），并固定旋流方向，對應主燃燒區域燃燒器的旋流方向，以實現空氣分級燃燒。雙風區燃盡風噴口中心風區為直流，以保證燃盡風有足夠的速度覆蓋爐膛的深度；外環風區為旋流風（可調），以保證燃盡風在爐寬方向的均勻分布。燃盡風的進風量由每只燃盡風噴口上的二次風套筒進行調節。

新增加燃盡風噴口后，在維持總空氣量不變的情況下，主燃燒區域的部分風量分到上層燃盡風風箱，主燃燒區域富燃料環境得以加強，同時主燃燒區域的欠氧還原氣氛可促使已生成的NOX還原成N2，減少燃料型NOX的生成。另一方面，主燃燒區域燃燒推遲，有利于減少熱力型NOX的生成。燃盡風從主燃燒區域上噴入，以確保前期產生的還原性氣體和未燃盡燃料的燃盡。

2 燃燒調整試驗結果

2.1 燃燒器開度調整

鍋爐低氮燃燒改造啟動后，結合對鍋爐燃燒狀況的觀察，首先進行了燃燒器二次風門開度及內、外二次風葉片角度的優化調整工作。調整后爐膛內火焰充盈度好，火焰形狀完整，顏色明亮，無火焰沖刷側水冷壁情況，燃燒器區域水冷壁及燃燒器喉口無積灰。

試驗結果表明調整調風盤開度對飛灰含碳量影響不大，而外二次風旋流強度對飛灰含碳量影響較大，增強內二次風旋流強度、減弱外二次風旋流強度會降低飛灰含碳量，因此將各燃燒器外二次風旋流強度基本調至最弱。

2.2 AireJet燃燒器層風箱風門開度調整

在機組負荷為300 MW，B，C，D，E磨運行工況下，將AireJet燃燒器層風門擋板開度由50%關至35%時，NOX排放由380 mg/m3降低至250 mg/m3，可見關小AireJet燃燒器層風門擋板可降低NOX排放，但風門開度低于35%時，NOX排放值又有所提高，如圖1所示。

2.3 DRB-4Z燃燒器層風箱風門開度調整

圖1 NOX隨AireJetTM燃燒器層風箱風門開度變化趨勢

在機組負荷為300 MW，B，C，D，E磨運行工況下，將DRB-4Z燃燒器層風箱風門開度由50%開至85%時，NOX排放值由280 mg/m3提升到410 mg/m3，風門開度再次關至45%時，NOX排放值又降至260 mg/m3。風門開度低于45%時，NOX排放值迅速提高，如圖2所示。

圖2 NOX隨DRB-4Z燃燒器層風箱擋板開度變化趨勢

2.4 燃盡風箱二次風風門調整

在機組負荷為300 MW，A，B，D，E磨運行工況下，在燃盡風風箱擋板由100%關至50%的過程中，省煤器出口NOX排放由240 mg/m3升高至260 mg/m3，由50%關至15%的過程中，省煤器出口NOX排放值由260 mg/m3升至410 mg/m3，由15%關至8%的過程中，A側NOX排放值升至450 mg/m3，B側NOX排放值升至490 mg/m3。從試驗結果看，隨著燃盡風風箱擋板開度的減小，NOX排放值升高，如圖3所示。

2.5 燃盡風噴口二次風套筒開度調整

在機組負荷為300 MW，A，B，D，E磨運行工況下，在燃盡風噴口全開（250 mm）時，省煤器出口NOX排放值最小。當開度關至100 mm時，省煤器出口NOX的排放值達到最高，平均值達440 mg/m3。由此可見，開大燃盡風噴口二次風套筒開度，有利于降低NOX排放，如圖4所示。

圖3 省煤器出口NOX隨燃盡風風門開度變化趨勢

圖4 省煤器出口NOX隨燃盡風噴口二次風套筒開度變化趨勢

2.6 燃盡風噴口中心風開度設置

關小燃盡風中心風擋板開度后，單只燃盡風噴口進風量不足，會引起對應部位的末級過熱器超溫，故燃盡風噴口中心風擋板開度全部固定在全開狀態（250 mm）。

2.7 燃盡風外二次風葉片角度調整

在機組負荷為300 MW，A，B，D，E磨運行工況下，燃盡風外二次風葉片角度由90°關至25°后，鍋爐NOX排放由330 mg/m3降低至 260 mg/m3。分析認為，在二次風壓不變的情況下，關小外二次風葉片角度，減小了燃盡風噴口的通流面積，燃盡風通過更小的面積進入爐膛，增加了燃盡風的風速，使燃盡風更好地覆蓋整個爐膛的縱深，同時燃盡風噴口外二次風旋流較大，很好地覆蓋了爐膛的寬度方向，使NOX明顯下降，如圖5所示。

2.8 備用燃燒器層風箱風門擋板開度調整

在機組負荷為300 MW，B，C，D，E磨運行工況下，備用燃燒器層風門擋板由25%關至7%，NOX排放由300 mg/m3降低至260 mg/m3；當風門關至7%后，備用燃燒器壁溫有超溫現象；將風門開大至15%，燃燒器壁溫超溫現象消失，但NOX排放未見明顯增加。由此可見，關小備用燃燒器層風門開度后，有更多的二次風進入燃盡風風箱，強化了空氣分級燃燒，使得NOX排放值降低，如圖6所示。

圖5 省煤器出口NOX隨外二次風葉片角度開度變化趨勢

圖6 省煤器出口NOX隨備用燃燒器層風箱擋板開度變化趨勢

2.9 爐膛氧量調整

在機組負荷為300 MW，A，B，D，E磨運行工況下對爐膛氧量進行調整。從圖7看，爐膛氧量由2.6%升到4.4%，NOX排放值由270 mg/m3升到460 mg/m3。隨著爐膛運行氧量的升高，燃燒區域富燃料環境變差，同時爐膛燃燒峰值溫度升高，使NOX排放值大大增加。

圖7 省煤器出口NOX隨爐膛運行氧量的變化趨勢

2.10 燃燒器改造前后的排放數據對比

2.10.1 改造前

燃燒器改造前，在機組負荷維持300 MW時進行的不同磨煤機運行組合下的測試數據見表1—表 2。

表1 燃燒器改造前燃煤分析數據

表2 燃燒器改造前300 MW負荷時不同磨煤機運行組合下的測試結果

2.10.2 改造后

經過降低NOX的調整試驗后，在機組負荷為300 MW時進行的不同磨煤機運行組合下的測試數據見表3—表4。

從測試數據看，改造后NOX排放值明顯低于改造前，經過降低NOX的優化調整后，鍋爐NOX排放可控制在280 mg/m3以下。燃燒器改造后飛灰含碳量也基本正常，控制在3%以下。

3 結論

鍋爐應用AireJet和DRB-4Z燃燒器以及加裝雙風區燃盡風的低氮燃燒改造，經優化調整后取得了良好的NOX減排效果。

表3 燃燒器改造后燃煤分析數據

表4 燃燒器改造后300 MW負荷時不同磨煤機運行組合下的測試結果

在鍋爐運行中，燃盡風風箱擋板開度在50%～100%時，燃盡風噴口二次風套筒、中心風擋板開度全開，外二次風葉片角度關小，對降低NOX的排放有很好的效果。

經實際運行摸索，在燃盡風風箱擋板開度50%～100%，AireJet燃燒器層風門開度 35%，DRB-4Z層燃燒器風門開度在45%～55%時，可獲得降低NOX的最優效果。同時，在保證燃燒器喉口壁溫不超溫的前提下，盡量關小備用燃燒器層的風箱擋板開度，有利于降低NOX排放值。在保證鍋爐運行穩定的前提下，適當降低爐膛運行氧量，同樣有利于降低NOX排放值。在機組負荷300 MW時，省煤器出口NOX排放值由改造前的500～700 mg/m3降低至 280 mg/m3以下。

[1]火電廠氮氧化物防治技術政策（環發[2010]10號文）[R].環境保護部，2010.

[2]王東平，賈宏祿，劉小平.利港電廠2×350 MW機組鍋爐低氮燃燒改造及其對鍋爐運行的影響[J].熱力發電,2008，37（12）:38-44.

[3]應明良，戴成峰，胡偉峰，等.600 MW機組對沖燃燒鍋爐低氮燃燒改造及運行調整[J].中國電力，2011，44（4）:55-58.