660MW鍋爐低氮旋流燃燒器NOx排放調整試驗研究

徐鵬志， 劉朋彬， 陳軍華， 車 方

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

660MW鍋爐低氮旋流燃燒器NOx排放調整試驗研究

徐鵬志， 劉朋彬， 陳軍華， 車 方

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

針對某廠660MW超臨界鍋爐改造后低NOx旋流燃燒器特點，通過變工況（氧量、不同層燃燒器配風方式、二次風擋板開度、中心風擋板開度、三次風旋流強度、四次風旋流強度等）調整試驗，分析了燃燒器NOx排放特性及經濟性。試驗結果表明：運行氧量、不同層燃燒器配風方式及燃燒器調整方式均對NOx排放有一定影響，建議按照以下方式運行：1）運行中將氧量控制在2.3%左右可以實現環保性和經濟性的平衡；2）主燃區采用正塔配風，即上層煤粉燃燒器風門開度40%，中層開度60%，下層開度80%；3）將燃燒器做以下設置：中心風、二次風維持較小開度，三次風葉片角度30°，四次風葉片角度45°。

旋流燃燒器； 低氮燃燒； NOx排放； 燃燒調整

0 引言

自上世紀90年代以來，隨著大型燃煤發電機組技術的引進，旋流燃燒器對沖燃燒方式在國產大型電站鍋爐上得到廣泛應用[1]。該方式火焰充滿度好，爐內熱負荷均勻，且不存在因四角切圓燃燒方式特有的爐膛出口氣流余旋而造成爐膛出口溫度場、速度場的嚴重不均等問題[2]，我國現役的旋流燃燒器鍋爐多為引進國外技術制造，經過多年發展，國內各大鍋爐廠在引進的基礎上也進行諸多改進和創新，基于現場燃燒調整試驗方法對某電廠改造后低氮旋流燃燒器的NOx排放特性及其主要運行影響因素進行系統的研究．以確定鍋爐燃燒運行的最優控制原則。

1 設備概述

某電廠鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內置式再循環泵啟動系統的本生（Benson）直流鍋爐，單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、π型布置。鍋爐為露天布置。鍋爐設計煤種為神府東勝煙煤，校核煤種為大同塔山煙煤。鍋爐燃燒器采用30只旋流燃燒器前后墻布置、對沖燃燒，主燃區上方布置有兩層燃盡風，配有6臺HP1003中速磨直吹式制粉系統，B-MCR工況下5臺運行，一臺備用。

改造后燃燒器如圖1所示，改造后新型低NOx軸向旋流燃燒器中，燃燒的空氣被分成五股，分別稱為中心風、一次風、二次風、三次風和四次風。

中心風為直流風，管內布置有油槍和點火裝置，通過擋板調節。中心風的作用主要是向燃燒器中心供給適量的空氣以穩定油火焰，防止油火焰沖刷中心風管和油燃燒器旋流器，并防止油滴沉積在中心風管。

圖1 改造后燃燒器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of burner after retrofit

一次風攜帶煤粉，形成一次風粉混合物，經燃燒器一次風管進入爐膛。一次風粉通過在次風管彎頭出口處的均粉器，煤粉濃度在截面上的分布趨于均勻，再經過一次風關內的文丘里煤粉濃縮器后，在一次風噴口斷面上產生外濃內淡的濃度分布，促進煤粉在爐膛內著火。在一次風管噴口處設有一個齒狀穩燃器加強擾動用以穩定火焰，同時在一次風管的周向上產生煤粉濃淡分離，導致局部還原環境，減少NOx的生成。濃縮的煤粉氣流同二次風、三次風、四次風配合，以保證在靠近燃燒器喉口處維持一個穩定的火焰。

除中心風、一次風外的主燃燒空氣分為二次風、三次風和四次風，以加大空氣分級程度。二次風、三次風和四次風通過燃燒器外圈的內同心的環形通道，分級進入爐膛，有助于降低NOx的生成和煤粉的燃盡。二次風為直流，可通過二次風門拉桿調節風量。三次風和四次風為軸向旋流風，在近燃燒器區形成環形回流，將高溫煙氣帶回近燃燒器區，加熱一次風，點燃煤粉，保持火焰穩定性，同時帶回的高溫煙氣含氧量低，有利于NOx還原；在遠燃燒器區通過三、四次風來完成未燃盡碳的燃燒，三次風和四次風旋流器均可通過拉桿根據需要進行調整，以便產生最佳的流場。。每只燃燒器均配有獨立的風箱，可以通過擋板調節同層燃燒器的風量平衡，達到穩定火焰，防止偏燒的目的。

2 燃料特性

燃燒器改造設計煤種以及試驗期間煤種數據見表l。可以看出試驗煤種煤質特性基本處于設計媒種和校核煤種之間。

表1 煤質特性分析結果Tab.1 Chrematistics of coal

3 NOx排放調整試驗結果及分析

3.1變氧量試驗結果

爐膛出口氧量或過量空氣系數是鍋爐運行的一個重要指標，過高的氧量會增加煙氣量，造成排煙熱損失增加，還會增加NOx的生成量；過低的氧量則會造成CO濃度提高，灰渣燃盡度差，同樣影響鍋爐經濟性。因此鍋爐氧量存在最佳值，未確定氧量最佳值，進行了變氧量試驗，工況設置及結果見表2。

由表2及圖2可以看出，工況3在氧量2.8%左右時，SCR進口CO濃度433μL/L，但NOx濃度高達303mg/m3；工況2氧量低于2%時，NOx濃度不高，但CO濃度飆升，且灰渣可燃物含量均有明顯提升，鍋爐效率顯著下降。工況1氧量在2.2%-2.3%附近時，NOx濃度及CO濃度水平均在可接受范圍內，灰渣可燃物較工況2也沒有大幅度提高，鍋爐效率變化不大，因此運行中將氧量控制在2.3%左右可以實現環保性和經濟性的平衡。

表2 變氧量試驗工況及結果Tab.2 Test condition and result of different oxygen

圖2 變氧量試驗NOx、CO濃度Fig.2 Measurements of NOx,CO concentration of different oxygen

3.2主燃區配風方式調整試驗

通過調整二次風箱風門開度，將燃燒所需風量分階段送人爐內，以改變火焰中心，進而改變鍋爐的燃燒效果。在氧量基本不變的條件下，針對燃燒器的設計特點，主燃區二次風擋板開度通過表盤進行調節，進行了3種不同組合工況的試驗，分別是：

工況4：倒塔配風，下層AB左右側二次風擋板開度為50%，中層CE開度為60%，上層F開度為70%，D磨停運，二次風門開度為25%；

工況5：均等配風，上中下ABCEF左右側二次風擋板開度均為50%，D磨停運，二次風門開度為25%；

工況6：正塔配風，下層AB左右側二次風擋板開度為80%，中層CE開度為60%，上層F開度為40%，D磨停運，二次風門開度為25%.

試驗結果見表3。

表3 主燃區配風方式試驗工況及結果Tab.3 Test condition and result of different distribution modes

圖3 主燃區配風方式調整試驗NOx、CO濃度Fig.3 Measurements of NOx,CO concentration of different distribution modes

由圖3可以看出，其他參數不變的條件下，正塔配風工況NOx排放濃度最低，倒塔工況次之，均等配風工況最高。說明在上下不均等配風的條件下，會在主燃區的某些位置形成缺氧燃燒的狀態，可以降低主燃區溫度，抑制NOx的生成，因此正塔工況和倒塔工況NOx濃度均低于均等配風工況。正塔配風工況上層燃燒器風量低，在靠上位置形成一定范圍的還原性氣氛區域，可以將下層燃燒器生成的NO還原成N2，因此正塔配風工況NOx排放濃度更優于倒塔工況。

另外，可以看出倒塔配風方式爐渣可燃物含量最大，均等配風次之，正塔配風最小，說明爐渣可燃物含量對下層磨的過量空氣系數比較敏感，但由于大渣：飛灰=1:9，爐渣可燃物對爐效影響不大，所以總的來說不同擋板組合方式對燃燒影響較小，鍋爐效率變化不大。

3.3 二次風風門調整試驗

二次風是一次風噴口和旋流風之間的直流風，在燃燒中起到的作用主要是提供燃燒初期的空氣，同時調節著火點距離。燃燒器設計二次風通過2D拉桿進行調節，調節范圍是0-130%，本次試驗進行了0、50%、100%三個工況的試驗，結果見表4。

表4 二次風風門調整試驗工況及結果Tab.4 Test condition and result of different secondary air opening

圖4 燃燒器二次風門開度對NOx生成量的影響Fig.4 Measurements of NOx,CO concentration of different secondary air opening

由表4、圖4結果，可以看出二次風門從0開到50%，SCR進口煙氣NOx濃度有一定程度的升高，但從50%開到100%，NOx濃度變化不大；CO濃度隨著二次風門開度增加逐漸降低。

二次風是一次風噴口和旋流風之間的直流風，二次風開大以后會影響旋流三次風形成的環形回流，對燃燒初期的高溫煙氣卷吸有不利影響，會造成著火推遲；對低氮燃燒效果也是不利的，因為從低氮燃燒原理上講過早的通入空氣不利于燃燒的初始階段形成缺氧的區域，會造成燃料型NOx生成量增加，從試驗的結果看，可以得到以下結論：

（1）隨著二次風開度的增加，煙氣中的NOx濃度有增加的趨勢，這說明實際情況與理論分析是一致的，二次風會使燃燒初期的氧量增加，不利于抑制燃料型NOx的生成；

（2）二次風門開度50%和100%工況下NOx濃度變化不大，原因是二次風開出后，不論風量大小對初期燃燒的影響是一致的，都會破壞三次風形成的環狀回流以及燃燒的初始階段形成缺氧的區域，因此二次風門開度50%和100%，煙氣中NOx濃度變化不大；

（3）從試驗結果看，三個工況灰渣可燃物含量均小于2%，估算爐效均在94%以上。

3.4 變三次風旋流角度試驗結果

三次風是靠內側的旋流風，其主要作用是在近燃燒器區形成環形回流，將高溫煙氣帶回近燃燒器區，加熱一次風，點燃煤粉，保持火焰穩定性，同時供應燃燒初期的氧量，燃燒器設計三次風角度通過3X拉桿進行調節，調節范圍是20°-65°，本次試驗進行了30°、45°和65°三個工況，結果見表5。

從試驗結果看，三次風旋流角度由45°（工況10）調整為65°（工況12），NOx濃度有所下降，但三次風旋流角度30°（工況11）同樣比三次風旋流角度45°（工況10）NOx濃度低，這說明三次風旋流角度對NOx的影響應從兩個方面進行考慮：一方面三次風的作用是通過旋流形成回流卷吸高溫煙氣，旋流角度減小會造成回流區減弱，推后著火距離，降低燃燒初期的溫度，實現低氮效果；另一方面旋流角度增大會使三次風阻力增大，減小三次風量，強化燃燒初期的缺氧效果，同樣可以使NOx生成量降低。因此三次風旋流角度45°工況煙氣中NOx濃度高于30°和65°。

三次風旋流角度對灰渣可燃物與NOx正相反，三次風旋流角度45°（工況10）灰渣可燃物最低，65°最高，說明三次風旋流角度45°時著火位置比較合理，并且初期燃燒風量較為充足，燃盡效果比較好。但總的來看，鍋爐效率變化不。

圖5 變三次風旋流角度試驗NOx、CO濃度Fig.5 Measurements of NOx,CO concentration of different vane angle of tertiary air

3.5 變四次風旋流角度試驗結果

四次風作為旋流燃燒器最外側的一層旋流風，其起到的作用主要是射流的徑向擴展以及分級供風，本燃燒器設計旋流角度可調，通過4X拉桿調節，調節范圍在20°-65°之間，本次試驗進行了30°、45°和65°三個工況的試驗，結果見表6。

表6 變四次風旋流角度試驗結果Tab.6 Test condition and result of different vane angle of quartic air

如圖6所示，隨著四次風旋流強度的增加，SCR進口的NOx濃度呈下降趨勢，這說明增加四次風旋流會使四次風與煤粉射流的摻混延遲，加強燃燒初期供風的分級程度，有利于在燃燒初期形成還原性氣氛，減少NOx的生成，同時四次風旋流強度增加會加大燃燒器噴口的阻力，減小主燃區的風量，加強整爐膛范圍的分級供風，同樣有低氮燃燒的效果。但從試驗結果看可以看出，四次風旋流角度增加煙氣中CO濃度有所上升，這說明四次風旋流加大會在一定程度上會造成燃燒的惡化，鍋爐效率也明顯下降。

圖6 變四次風旋流角度試驗NOx、CO濃度Fig.6 Measurements of NOx,CO concentration of different vane angle of quartic air

3.6 中心風

中心風是燃燒器最中心的一股風，噴口位于一次風管中心，起到的主要作用為啟動初期為油火焰供風，同時在運行中起到調整著火位置的作用。中心風通過電動擋板進行調節，調節范圍為0～100%，本次試驗進行了0、60%和100%三個工況的試驗，結果如下：

由表7、圖7結果可見，中心風開度變化對NOx影響與二次風相近，隨著中心風開度增大，NOx排放濃度增大，但60%工況和100%工況NOx濃度變化不大，說明燃燒初期供入爐膛的直流風對NOx生成量的影響是相似的。為保證較低的NOx生成量前提下，建議維持較小開度。

表7 變中心風開度試驗結果Tab.7 Test condition and result of different opening of central air

圖7 變中心風開度試驗NOx、CO濃度Fig.7 Measurements of NOx,CO concentration of different vane angle of central air

4 結論

通過氧量調整、主燃區配風方式調整試驗、燃燒器二次風門、三次風旋流角度、四次風旋流角度以及中心風開度的調整，測量了不同工況SCR進口煙氣NOx、CO濃度以及灰渣可燃物，通過試驗結果總結了不同因素、配煤方案對燃燒產物的影響，得到如下結論：

（1）建議運行中將氧量控制在2.3%左右，NOx排放濃度不高，CO生成量及灰渣可燃物含量在可接受范圍內，可以實現環保性和經濟性的平衡；

（2）主燃區配風方式采用正塔配風，即上層煤粉燃燒器風門開度40%，中層開度60%，下層開度80%，NOx排放濃度由于倒塔配風和均等配風，且大渣可燃物在試驗工況中最低，經濟性可以保證；

（3）將燃燒器做以下設置：中心風、二次風維持較小開度，三次風葉片角度30°，四次風葉片角度45°，可以保證最優的低氮燃燒性能。

[1]張海，呂俊復，崔凱,等.旋流煤粉燃燒器低NOx排放的設計分析[J].熱力發電,2010,39(11):32-36.ZHANG Hai，LV Junfu，CUI Hai，et a1．Analysis of design for swiring pulverized coal burners with low NOx emission[J].ThermalPowerGeneration， 2010， 39(11)：32-39．

[2]趙伶玲，周強泰．旋流燃燒器的穩燃及其結構優化分析[J]．動力工程，2006，26(1)：74-80．ZHAO Lingling，ZHOU Qiangtai．Combustion stability of swirl burners and their structural optimization[J]．Journal of Power Engineering，2006，26(1)：74-80．

[3]岳峻峰,鄒磊,張恩先,等.超超臨界旋流燃燒鍋爐低NOx高效燃燒試驗研究[J].鍋爐技術,2015,46(6):46-51,68.YUE Junfeng,ZOU Lei,ZHANG Enxian,et al.Experimental Study on Low NOx and High Efficiency of a Ultra-supercriticalBoiler with SwirlBurner [J].Boiler Tech-nology,2015,46(6):46-51,68.

[4]蔣建剛,李永玲,張春發,等.揚州電廠超臨界600MW機組鍋爐燃燒調整的試驗研究[J].熱力發電,2009,38(11):73-78.JIANG Jiangang,LIYongling,ZHANG Chun-fa.Test Study on Combustion Adjustment of Boiler for Supercritical 600MW Unit in Yangzhou Power Plant[J].Thermal Power Generation,2009,38(11):73-78.

[5]杜和沖,張海洋.超臨界對沖鍋爐低氮燃燒器改造及熱態調整分析[A].//第二屆電站鍋爐優化運行與環保技術研討會論文集[C].2014:77-82.

[6]黃新元.電站鍋爐運行與燃燒調整[M].北京：中國電力出版社,2003：186-194.

[7]周平,張廣才,嚴曉勇,等.600MW機組對沖燃煤鍋爐尾部CO濃度偏高的調整試驗[J].熱力發電,2014(12):82-88.ZHOU Ping,ZHANG Guangcai,YAN Xiaoyong，et a1．Operation Optimization on High CO Emissions of a 600 MW Unit Swirl-opposed Firing Boiler After Low-NOx Burner Retrofitting[J].Thermal Power Generation,2014(12):82-88.

Experimental Study on NOx Emission Regulation of LNASB Burner for 660MW Boiler

XU Pengzhi， LIU Pengbin， CHEN Junhua， CHE Fang
（Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China）

In allusion to a 660MW supercritical boiler after the transformation of low NOx swirl burner,through the variable conditions(different oxygen,different air distribution mode,the secondary airopening,the centralair opening,different air swirl intensity of the tertiary air and the quartic air,etc.),the NOx emission characteristics and burnereconomywere measured.Thetestresultsshowed that there are oxygen,the operation of air distribution of different layers burner and burner adjustment has certain influence on the emission of NOx.The Operation suggestions were given:1)the oxygen should be controlled at about 2.3%,the environmental protection and economic of boiler could get balance;2)the air distribution of different layers of burner should adopt as tower form,i.e.the upper burner throttle opening 40%,middle opening 60%,the lower opening80%;3)theburneradjustmentshould following this settings:the central air burner and secondary air holds a small opening,tertiary air vane angle of 30 degrees,quartic air vane angle of 45 degrees.

LNASB burner; low NOxCombustion;NOx emission; combustion regulation

TM621.2

B

2095-3429（2017）05-0016-06

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.004

2017-09-04

徐鵬志(1988-)，男，工學碩士，工程師，主要從事從事電站鍋爐優化運行方面研究。