W火焰鍋爐低氮燃燒器改造問題與解決方案

王 超，祝云飛

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

W火焰鍋爐低氮燃燒器改造問題與解決方案

王 超，祝云飛

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

“W”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、高停留時間方式組織燃燒，而高氧量集中送風是造成鍋爐NOx排放濃度高達1 200～2 000 mg/m3的主要原因。某電廠300 MW機組采用“W火焰”燃燒方式，NOx排放濃度約600～1 300 mg/m3。為了能夠節能減排，通過燃燒器、分級配風、衛燃帶這三個方面進行了低氮燃燒改造。改造后NOx排放濃度達到了預期改造效果，將脫硝入口NOx排放濃度降低到800 mg/m3以下。針對改造后產生的鍋爐嚴重結渣問題，采用衛燃帶改造的方法進行解決。

“W”火焰;NOx排放濃度;低氮燃燒改造;結渣

0 引言

鍋爐低氮改造的理論研究比較充分，對煤燃燒產生NOx的機理進行了詳細描述，并不斷建立和完善數據模型，從理論上驗證了工程實踐。清華大學化學系許玲詳細論述了煤燃燒產生的NOx有三個來源［1］:熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx，在1 300℃下主要是燃料型NOx。東北電力大學呂太教授運用Fluent軟件，對采用立體式分級低氮燃燒技術進行燃燒器改造的某300 MW機組四角切圓燃燒鍋爐改造前后額定工況下爐內的速度場、溫度場、組分場以及NOx濃度場進行了數值計算，并與對應工況下的試驗值進行對比，計算值與試驗值吻合較好，驗證了數值計算的準確性［2］。

某電廠300 MW機組設計燃用無煙煤與貧煤的混煤，NOx排放濃度在600～1 300 mg/m3。為了降低SCR脫硝投資及運行成本，進行了低氮燃燒改造工程，通過對燃燒器、分級配風、衛燃帶的改造，可將脫硝入口NOx排放濃度降低到800 mg/m3以下，通過脫硝系統后，煙囪入口排放量達到50 mg/m3，實現超凈排放。

1 鍋爐概況

該機組鍋爐為東方鍋爐引進美國福斯特·惠勒(FW)公司技術設計制造生產的亞臨界壓力、一次中間再熱、自然循環、雙拱型單爐膛、平衡通風、固態排渣、尾部雙煙道、“W”型火焰燃煤鍋爐［3，4］。每臺鍋爐配 24只雙旋風筒式煤粉濃縮型燃燒器，配備4臺雙進雙出直吹式鋼球磨煤機，燃燒器為前后墻拱上布置，一次風粉經濃淡分離，90%粉加50%風由噴燃器口進入，抽出的10%粉加50%風由下爐膛部位乏氣風口進入［5］。鍋爐主要參數見表1。

該機組煤種為50%陽泉無煙煤加50%壽陽貧煤的的混煤;校核煤種 (A)為70%陽泉無煙煤加30%壽陽貧煤;校核煤種 (B)為100%陽泉無煙煤。均屬于高熱值、難著火、難燃盡、不易結渣煤。

表1 鍋爐主要設計參數

2 改造方案

本機組低氮改造的原理是以低氮燃燒器與空氣分級配風為核心，在爐內組織燃燒溫度、氣氛與停留時間，形成早期的、強烈的、煤粉快速著火欠氧燃燒，利用燃燒過程產生的氨基中間產物來抑制或還原已經生成的NOx。主要從以下幾個方面進行了改造［6］。

2.1 燃燒設備改造

拆除原有的雙旋風燃燒器，采用直流式帶中心風煤粉燃燒器，改造后的煤粉濃縮器獨立布置于燃燒器前，一次風粉混合物經過煤粉濃縮器，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噴口。中心風引自中心風母管。直流燃燒器內布置中心風的主要作用是在油槍運行時用作燃油配風，提供油槍點火所需要的根部風，避免燃油時出現冒黑煙的情況;在油槍停運時起到冷卻油槍并保護燃燒器端部，防止煙氣倒灌及灰渣積聚的作用［7～9］。

2.2 分級配風改造

2.2.1 二次風系統改造

拱上原A、B、C三個風門合并為一個拱上二次風門，原有的拱下垂直墻上D、E二次風風口取消，對原F二次風風口重新設計布置為拱下二次風口，并增設導流板使其向下以30°的角度進入爐膛。改造后的拱上二次風和拱下二次風分別占總風量的39.2%和16.8%，配合上爐膛下部燃盡風的進入，有利于形成合理的分級配風，使拱下主燃燒區域處于還原性氣氛，對于抑制NOx排放也更為有利。

燃燒器二次風箱劃分為24個獨立的配風單元，對每個燃燒器的二次風實行單獨控制，每個配風單元由上部風箱和下部風箱兩部分組成。上部風箱的改造拆除原來風室A、B。下部風箱的改造需要拆除原來擋板D、E、F所在風門，安裝新的拱下二次風風門。翼墻增加布置貼壁風，風量按占總風量2%～5%設計，在爐膛側墻形成保護性氣氛，防止煤粉沖刷水冷壁而結渣。二次風改造前后結構如圖1。

2.2.2 乏氣風改造

本次改造設計了乏氣環形周界風。乏氣風布置于鍋爐爐膛垂直墻中部，以下傾40°傾斜進入爐膛。由于乏氣風的引射和頂托作用，在一定程度上也可以防止下沖火焰沖刷前后墻水冷壁而造成結渣。

2.2.3 燃盡風改造

本次改造增加了燃盡風風箱、連接風道和燃盡風風口，燃盡風調風器數量為26只，前后墻各13只。燃盡風調風器將燃盡風分為兩股獨立的氣流噴入爐膛，以使煤粉在后期進一步燃盡。中部為直流氣流，外圈為旋轉氣流，兩股氣流之間的流量分配均可以來調節。

圖1 二次風改造前后結構示意圖

2.3 受熱面改造

鍋爐本體受熱面改造［10］包括適應燃燒器改造的大屏過熱器改造、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行了短接，將入口到“U”型彎下移2 000 mm。增加高溫再熱器外圈管的工質流量，緩解壁溫超溫的問題。水冷壁改造包括大屏穿墻區域水冷壁上部水冷壁、燃盡風開孔區域的中部水冷壁和燃燒器區域的爐拱和拱下垂直水冷壁。大屏過熱器改造示意圖如圖2所示。

2.4 側墻衛燃帶改造

將側墻衛燃帶分割為6塊，共去除衛燃帶120平方米，改造示意圖如圖3所示。

3 改造效果及問題

3.1 改造效果

圖2 大屏過熱器改造示意圖

本次鍋爐低氮燃燒系統改造后對NOx排放濃度、鍋爐熱效率、減溫水量等性能進行了性能試驗。低氮燃燒系統改造后，鍋爐燃用設計煤種的額定工況下，常規習慣氧量下，NOx排放濃度分別為695 mg/Nm3，SCR入口煙氣中CO排放濃度平均值分別為14 μL/L，飛灰可燃物含量平均值分別為6.04%，鍋爐熱效率分別為91.37%，過熱減溫水總流量分別為66.5 t/h，再熱減溫水流量均為0 t/h，達到了預期效果。具體效果見表2。

圖3 低氮改造過程中去除衛燃帶示意圖

表2 低氮燃燒改造后性能試驗結果

3.2 存在的問題

鍋爐在運行期間，鍋爐經常出現嚴重結渣現象，由于底部冷灰出口焦塊堵渣，下爐膛溫度過高，導致下爐膛墻面流渣。結渣部位主要集中在側墻、翼墻和拱下下部風箱區域［11～13］。

根據W火焰鍋爐爐膛設計與燃燒系統的技術特點及其優劣、運行情況及低氮改造后普遍存在的共性問題進行分析，主要原因如下:

(1)爐膛爐溫高。現有鍋爐的結構尺寸決定了下爐膛的容積熱負荷及斷面熱負荷不可改變，但下爐膛容積熱負荷偏高 (248 kW/m3)，造成各區域發生結渣。

(2)二次風與煤粉氣流的整個燃燒、擴散過程的配合中，防結渣方面的措施不足。

3.3 解決對策

針對鍋爐嚴重結渣的問題，改造可以通過盡量去除下爐膛各區域的衛燃帶面積，減少衛燃帶面積占下爐膛有效敷設面積的比例，來降低下爐膛有效壁面熱負荷，適當降低局部熱負荷減緩各區域發生結渣的可能。具體方案如下:

(1)拱下前后墻衛燃帶改造

將乏氣風口中心線上下共600 mm高范圍內衛燃帶去除;拱下二次風上方800高范圍內的衛燃帶去除。減緩前后墻拱水冷壁的結渣問題。

(2)翼墻和側墻衛燃帶改造

為減緩翼墻結渣，將該區域衛燃帶進行帶狀去除，側墻區域去除剩余的衛燃帶，減緩側墻和翼墻結渣問題。

4 結論

(1)本文對低氮改造后存在的爐膛側墻和翼墻嚴重結渣問題進行了分析和研究，通過去除衛燃帶、翼墻防焦風改造等措施達到降低壁面熱負荷的解決方案，并對改造后減溫水、爐膛出口煙溫、爐膛入口煙溫的影響進行了評估。

(2)根據本次防結渣改造方案，改造后剩余衛燃帶面積375.8 m2，衛燃帶敷設面積占下爐膛有效敷設面積的32.5%。按此方案進行鍋爐熱力計算，結果顯示各計算負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℃。

［1］許玲，武增華．煤燃燒過程中NOx產生機制及影響因素 ［J］．環境保護，1998，(5):33－35．

［2］呂太，閆晨帥，劉維岐．300 MW煤粉鍋爐燃燒器優化改造數值模擬分析 ［J］．熱力發電，2014，43(7):56－60．

［3］樊泉桂，閻維平，閆順林，等．鍋爐原理［M］．北京:中國電力出版社，2004．

［4］謝佳，佟晉原，李毅．鍋爐燃燒系統設計［J］．東方電氣評論，2011，25(100):37－43．

［5］閆志勇，魏恩宗，張慧娟，等．四角燃燒煤粉爐采用分級燃燒降低NOx排放的試驗研究 ［J］．鍋爐技術，2000，31(9):17－22．

［6］趙建芳，朱德明，杜振，等．W火焰爐低氮燃燒改造可行性研究 ［J］．電力科技與環保，2014，30(1):56－59．

［7］張惠娟，惠世恩，周屈蘭，等．300 MW煤粉鍋爐低NOx正反切同軸燃燒試驗研究 ［J］．中國電機工程學報，2005，25(15):116－120．

［8］費俊，孫銳，張曉輝，等．不同燃燒條件下煤粉鍋爐NOx排放特性的試驗研究 ［J］．動力工程，2009，29(9):813－817．

［9］賈宏祿．鍋爐低氮燃燒改造與高溫腐蝕控制分析［J］．電力科學與工程，2015，31(6):68－73．

［10］賈宏祿．370 MW機組鍋爐低氮燃燒改造分析 ［J］．電力科學與工程，2014，30(12):24－29．

［11］劉志江．低氮燃燒器改造及其存在問題處理 ［J］．熱力發電，2013，42(3):77－81．

［12］曹紅加，唐必光，許洪波．煤粉濃淡燃燒方式對電站鍋爐排放影響的試驗研究 ［J］．中國電機工程學報，2004，24(8):229－232．

［13］賈宏祿．鍋爐低氮燃燒改造后的結渣原因分析及處理［J］．動力工程，2009，(1):27－30．

Problem and Solution of Low NOx Burner Modification in W Shaped Flame Boiler

Wang chao，Zhu Yunfei
(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to combust hard anthracite，pulverized coal with high concentration，high temperature，central air supply with high oxygen content，high resident time to organize combustion were utilized in W shaped flame boiler．However，central air supply with high oxygen content is the main reason why boiler’s NOx emission concentration reaches 1 200～2 000 mg/m3．A power plant with 300MW unit used“W shaped flame”combustion mode and NOx emission content was about 600～1 300 mg/m3．In response to national policy of energy saving and emission reduction，low-nitrogen retrofit was conducted through burner，staged air distribution and refractory belt．The results show that NOx emission content reached expected goal and it was lower than 800mg/m3at the entrance of denitration facility after retrofit．And serious problem of slag bonding after retrofit was solved by refractory belt reconstruction．

W shaped flame;NOx emission concentration;low-nitrogen retrofit;slag bonding

TK227

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.11.010

2015－09－10。

王超 (1984-)，男，工程師，主要從事火力發電廠低氮燃燒技術方面的研究工作，E-mail:406902016@qq.com。