135MW機組復合式低氮燃燒器改造

河南能源化工集團鶴煤公司熱電廠 王 飛

135MW機組復合式低氮燃燒器改造

河南能源化工集團鶴煤公司熱電廠 王 飛

利用先進的復合式低氮燃燒技術實現了燃用貧煤的煤粉鍋爐50%的NOx減排效果，此項改造技術值運行穩定，值得同類型機組推廣應用。

復合式低氮燃燒器；徑向空氣分級；SOFA軸向空氣分級燃燒

1. 前言

隨著人們生活水平的提高，對生存環境的要求也越來越高，火力發電廠鍋爐在燃燒過程中產生NOx是硝酸型酸雨的基礎，又是形成光化學煙霧、破壞臭氧層的主要物質之一，同時它是造成溫室效應、酸性降雨和臭氧層破壞三大世界性環境問題的關鍵因素。

早起運行的鍋爐使用的低氮燃燒技術相對比較落后，對于貧煤Nox排放濃度一般控制在650mg/Nm3以內，盡管在鍋爐尾部裝設了煙氣脫硝裝置，但由于煙氣深度脫硝給鍋爐運行造成不利影響。而較為先進的低氮燃燒技術能夠有效的降低鍋爐煙氣中NOx的濃度，因此綜合投資與經濟性等方面因素的考慮，燃煤鍋爐應用低氮燃燒技術實現氮氧化物減排是具有明顯的技術優勢，是新老機組NOx減排的首選技術。

2. 設備概況

鶴壁熱電廠2×135MW機組鍋爐系東方鍋爐廠制造的超高壓參數、一次中間再熱II型布置、單爐膛、切圓燃燒、固態排渣、懸吊結構、管式空氣預熱器、自然循環燃煤汽包爐，采用平衡通風、直流式燃燒器，燃用煤種為貧煤。尾部豎井由中隔墻過熱器分為前煙道和后煙道。在前煙道內布置上級省煤器，后煙道內布置冷段再熱器，下級省煤器布置在兩級空氣預熱器之間，空氣預熱器采用管式，由上、下兩級組成。當前機組的NOx排放濃度約810～940mg/m3（標態，6%O2，5%NO2）。

爐膛四角的煤粉燃燒器布置方式為，每角燃燒器布置9層噴口，包括有3層一次風口，1層頂二次風（OFA）噴口，4層二次風噴口（其中2層布置有燃油裝置）和1層三次風噴口。一次風噴口和三次風噴口都布置有周界風。

每臺爐配置兩臺DTM350/600單進單出筒式鋼球磨煤機，采用中間儲倉制乏氣送粉系統。

3. 原燃燒系統燃燒器診斷分析

3.1采用均等配風

根據原燃燒器設計參數，計算出燃燒器的配風情況如表3-1所示。

表3-1 原燃燒器各層噴口空氣系數

從表中可看出，燃燒器區域氧量充足，整個燃燒器區域均處在過氧燃燒狀態，高溫區和高氧區重疊，燃料中的N元素迅速釋放并被氧化成N0x燃料型NOx大大增加。

3.2切圓布置不合理

爐膛中心假象的雙切圓分別由#1、#3角形成的Φ509mm和#2、#4角形成Φ630mm的逆時針方向旋轉的假想切圓，OFA以15°反切該假想切圓。由于各角的一、二次風噴口中心線重合，沒有形成“風包粉”的效果，造成了一、二次風在噴入爐內后煤粉第一時間就與過量二次風迅速混合并劇烈燃燒，可能導致鍋爐水冷壁附近形成還原性氣氛，造成水冷壁高溫腐蝕和結渣，同時也違背了深度徑向空氣分級燃燒的原理，使得爐內燃料型NOx和熱力型NOx大增。

由于原燃燒器雙切圓同向旋轉的設計使得爐內逆向的旋轉動量矩過大，遠大于OFA反切形成的順向旋轉動量矩，導致爐膛出口兩側煙溫偏差較大。

4. 設計思路

采用“復合式低NOx燃燒技術”降低NOX排放。復合式低NOx燃燒技術主要包括著火初期垂直濃淡分級燃燒、揮發份燃燒階段二次風大角度偏轉徑向空氣分級燃燒、主燃燒器區域CCOFA空氣分級燃燒、全爐膛SOFA空氣分級燃燒。

4.1垂直濃淡燃燒技術

在燃燒器入口彎頭設置濃淡分離設備將一次風分成濃淡兩股。濃側煤粉氣流著火迅速，在與周圍其他氣流混和前即消耗掉大量氧氣，使燃燒氣氛迅速處于低氧狀態，可大大抑制NOx生成；淡側著火迅速，使得熱解程度加深，更多的燃料N隨揮發份一同釋放，焦炭N大幅減少，而低NOx燃燒狀態下揮發份N向NOx的轉化率要比焦炭N向NOx的轉化率低得多。淡側煤粉濃度較低，著火初期燃燒溫度較低，NOx排放也可控制在較低水平。

4.2徑向空氣分級燃燒

煤粉熱解著火后，進入揮發份燃燒和焦炭燃燒初期階段，此時一、二次風開始混合，控制好一、二次風的混合時機，維持此燃燒階段氧濃度在理論最佳值，是此階段降低NOX排放的關鍵。因此控制一、二次風射流的夾角，使二次風偏轉實現爐膛徑向空氣分級，從而有效的控制NOX生成，且可以在爐內形成“風包粉”的燃燒效果，既保證了燃燒穩定又降低了水冷壁高溫腐蝕，還可以防止水冷壁結渣。

4.3主燃燒器區域CCOFA軸向空氣分級燃燒

在主燃燒器域頂部設CCOFA分級風，可以起到使一次燃燒區域燃燒前期階段總氧量處于最佳氧濃度和為焦炭燃燒中期適時補充氧，保證燃燒速率。

4.4全爐膛SOFA深度軸向空氣分級燃燒

將爐膛燃燒區域劃分為兩部分，減少下部一次燃燒區域配風，讓燃燒初期處于欠氧條件，抑制NOx的生成，使得煤中大部分N元素轉化為N2，在燃燒器上部一定高度處布置分離式火上風（SOFA），保證煤粉燃盡，保證鍋爐燃燒效率。

5. 實施方案

總體布置：改造后保持主燃區各噴口間距及標高與原燃燒器一致，保持原來B、C層一次風噴口截面積不變；縮小二次風AA、AB、BC、CC層噴口截面積的同時，取消了頂OFA。

一次風布置：保持一次風噴口截面積不變，在一次風噴口中心設置V型穩燃鈍體，提高鍋爐的低負荷穩燃效果；為防止噴口結焦，在一次風噴口四周設置周界風，提高一次風煤粉射流剛度的同時讓噴口得到充分冷卻；在噴口兩側特意增設的扳邊，引導兩側周界風至水冷壁近壁區，有效防止燃燒器噴口附近水冷壁高溫腐蝕。

二次風布置：縮小二次風噴口面積，讓進入主燃區的二次風總量減小，降低主燃區過量空氣系數至0.8～0.85，優化了各燃燒階段的氧濃度；同時增大AA層噴口截面積，保證下二次風對煤粉的托扶力，降低爐渣含碳量。

三次風布置：在原三次風管路設置一個三通，劃分為2條支路；一條支路通過原三次風燃燒器位置進入爐膛，另一條支路引至SOFA風下層。當兩套制粉系統運行時，調節兩條三次風的開度，利用含煤粉較少的三次風作為調整爐膛主燃燒區域溫度的手段，調節爐膛還原性氣氛區域，降低NOx產生。

SOFA風布置：從鍋爐兩側的二次風總風箱引出風管，接入爐膛原OFA上部3米處（標高22475mm位置），布置兩層SOFA分離式燃盡風，并設計為可垂直、水平復合擺動±15°，用于改變爐內火焰中心位置，同時作為主再熱汽溫、煤粉燃盡和爐膛出口兩側煙溫偏差的補充調整手段，從而實現了空氣垂直分級燃燒。

6. 調整優化

6.1配風方式優化

改造后各噴口風速、風溫與原設計值相同，改后爐膛出口總的過量空氣系數為1.15，其中主燃區三次風（上）空氣系數為0.85左右。SOFA燃燒器與主燃區上二次風噴口間距4米，保證還原性氣氛具有足夠的停留時間，且SOFA燃燒器離大屏底部距離能給燃燼足夠的停留時間。

6.2空氣動力場優化

燃燒器主燃區一、二次風在爐膛#1、#3角形成逆時針直徑為的φ509mm的假想切圓，#2、#4角形成逆時針直徑為φ630mm的假想切圓。因二次風反切角度為固定角度，盡管一、二次風假想切圓的旋轉方向相反，但整個爐內氣流的旋轉方向是一致的，為獲得一個用以衡量同心反切燃燒系統爐內空氣流動結構的評價參數，采用以下公式計算出旋轉氣流的理論動量矩之比：

根據計算結果布置S0FA1、S0FA2噴口與爐膛水冷壁中心線的夾角，讓SOFA風氣流形成順時針直徑為φ800mm的假想切圓，從而消除爐膛出口的殘余旋轉，減少爐膛兩側溫度偏差。

7. 結論

低氮燃燒器改造后在額定負荷和設計煤種工況下，NOx排放濃度由原來的900mg/Nm3降低至430mg/Nm3，達到了改造預期目標，減少了氮氧化物污染，值得推廣應用。