600 MW對沖燃燒貧煤鍋爐低氮燃燒系統改造及優化試驗研究

孫培波

（中國能源建設集團華北電力試驗研究院有限公司，天津 300162）

0 引言

目前電站鍋爐NOx排放控制技術可分為燃燒控制和煙氣凈化兩類措施，其中，后一種措施可使煙氣中NOx排放量顯著降低，但投資巨大，運行費用昂貴［1］。而為達到國家排放標準，火電廠脫硝改造勢在必行［2-8］。出于技術和經濟方面的衡量，在保證脫硝效率和節省運行成本的前提下，低氮燃燒器的配套改造成為首要選擇。對于旋流對沖燃燒鍋爐，低氮燃燒器改造的技術核心是將燃燒器改為新型低氮燃燒器及采用爐內整體縱向分級燃燒技術。但是，旋流對沖燃燒鍋爐由于其燃燒器結構和布置方式的局限性導致燃燒器之間的混合及燃燒后期擾動差，尤其針對貧煤鍋爐，若設計不合理或者燃燒優化調整不當，易導致燃燒效率差、CO及NOx排放高、水冷壁高溫腐蝕、燃燒器燒損、屏式過熱器結渣及減溫水量大等一系列問題［3-7］。

1 鍋爐低氮燃燒系統改造

1.1 鍋爐設備情況

電廠鍋爐為東鍋DG2028/17.35-II2型鍋爐，亞臨界自然循環、前后墻對沖方式、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、“Ⅱ”型汽包爐。鍋爐采用前后墻對沖燃燒方式，前后墻各布置3層三井巴布科克公司的低軸向旋流煤粉燃燒器，每層5只，共30只。圖1為改造前燃燒器結構。燃燒器主要由一次風道、二次風道、三次風道、四次風道、旋流控制機構、中心風筒、喉口等組成。燃燒器的中心是中心風筒，中心風的作用是提供油燃燒器用風，同時在油燃燒器停運時防止灰渣在此部位集聚；中心風的外側是一次風筒，一次風沿切向進入一次風筒，經導流板整流后，通過一次風口前端的穩焰器進入爐膛；一次風筒外側依次為二次風、四次風和三次風風道，二次風、三次風、四次風通過燃燒器內同心的風環形通道在燃燒的不同階段分別送入爐膛。三次風位于二、四次風中間環，以較小的風環和旋流強度控制三次風的混合時間。二次風和三次風道中裝有旋流調節葉片，可控制燃燒器出口氣流的旋流強度。在最上排燃燒器上方前后墻各布置一層燃盡風口（OFA）以減少NOx的生成，每層布置5只。主燃燒器與OFA噴口標高分別為21 904 mm、27 054 mm、32 204 mm、37 354 mm。圖2為改造后燃燒器結構。鍋爐設計煤質為盤縣貧煤，改造前，滿負荷工況下，鍋爐燃燒盤縣貧煤時，NOx排放約為 1 100～1 200 mg／m3。

1.2 改造概況

1.2.1 燃燒器改造

原燃燒系統配置30臺B&W渦流式低氮燃燒器，所有燃燒器具有管道分離的三次風、四次風，本次改造對原系統30臺B&W渦流式低氮燃燒器進行了改造，對三、四次風之間的風筒進行裁割，裁割點位于三次風由徑向轉向軸向的位置。在三次風由軸向轉為徑向的位置處安裝一個斜坡型喇叭口節流圈以減小三、四次風流通截面。改造后，三、四次風流通面積為改造前50%。

每個燃燒器設有一個風量均衡擋板，以使進入各個燃燒器的分風量保持平衡。二次風、三次風和四次風通過燃燒器內同心的各自環形通道在燃燒的不同階段分別送入爐膛。燃燒器內設有套筒式擋板用來調節二次風和三次風、四次風之間的分配比例。二次風、三次風和四次風通道內布置有各自獨立的旋流裝置。三次風、四次風旋流裝置為不可調節的型式，固定在燃燒器出口最前端位置。而二次風旋流裝置為沿軸向可調節的型式，調整旋流裝置的軸向位置即可調節二次風的旋流強度。風量和旋流擋板的調節桿均穿過燃燒器面板，能夠在燃燒器和風箱外對擋板的位置進行調整。

1.2.2 燃盡風改造

取消現有的OFA系統，鍋爐標高37 354 mm處的10個OFA噴口從鍋爐移除，OFA水冷壁讓管孔處用耐火材料封堵。在鍋爐標高42 460 mm處的前、后墻水冷壁上各開設8個孔，安裝分離式燃盡風SOFA噴口，各個噴口等間距布置，中心線間距2 600 mm，最外側的噴口中心線距水冷壁約1 250 mm。噴口使用共同的風道互聯，但各自有平衡擋板門（全截面型擋板）。改造后，SOFA距最上層燃燒器中心線距離為10 256 mm，最大SOFA風率可達32%。SOFA噴口結構見圖3。SOFA風為直流風，剛度較強，利于直接穿透爐膛中心與上升煙氣進行混合，進而有利于控制飛灰可燃物與CO排放。

通過分離式燃盡風SOFA改造后，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［8］。 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部噴入，以確保前期產生的還原性氣體和未燃盡燃料的燃盡。

圖1 改造前燃燒器結構

圖2 改造后燃燒器結構

圖3 SOFA噴口結構

2 鍋爐低氮燃燒系統改造后運行狀態

鍋爐燃燒器改造后，燃燒器初始參數設置為二次風調風盤開度100%，四次風調風盤開度為100%，三次風調風盤開度50%，50°葉輪位置50%，SOFA擋板開度100%。600 MW負荷全燒盤縣貧煤，6臺磨煤機投運，總煤量290 t／h，實際運行氧量3.0%，SCR進口煙道沿爐膛寬度方向O2、CO、NOx濃度及煙氣分布曲線見圖4～5。其中，A1～B9分別為SCR進口煙道沿爐膛寬度方向從爐左至爐右布置的各個煙氣測點。

圖4 SCR進口O2和CO分布曲線

圖5 SCR進口O2和 NOx分布曲線

從圖4～5可以看出，SCR進口煙道沿爐膛寬度方向，氧量呈“W”型分布，爐膛中心、兩側氧量大，其他區域氧量偏低；與之相對應，CO呈“M”型分布，爐膛中心、兩側CO排放低，其他區域CO排放高，局部區域CO體積分數高達4 000 μL／L；NOx排放濃度曲線同氧量分布曲線相一致，呈“W”型分布，爐膛中心、兩側NOx排放濃度大，其他區域NOx排放濃度相對偏低。另外，相對于爐右側燃燒器，爐左側燃燒器嚴重風量不足。

600 MW負荷下，鍋爐實際運行氧量為3.1%，平均NOx排放濃度達813 mg／m3（修正到O2體積分數為6%，干基，標態），平均CO排放體積分數高達1 213 μL／L，飛灰可燃物達 6%～7%。 此外，由于燃燒器參數設置不合理、配風不均，導致燃燒器出口及水平煙道掛渣，再熱蒸汽減溫水量大且兩側偏差大，飛灰可燃物偏高，鍋爐效率偏低等一系列問題，低氮燃燒系統改造后，通過鍋爐燃燒優化調整試驗優化配置各個燃燒器運行參數顯得尤為重要。

3 低氮燃燒系統燃燒優化調整試驗

為了便于分析燃燒器改造后的鍋爐性能，試驗在設計煤種盤縣貧煤下進行，煤質化驗結果見表1。

表1 入爐煤工業分析和元素分析

3.1 主燃燒器二次風、四次風調風盤調整

燃燒器內設有套筒式擋板用來調節二次風、四次風風量。二次風調風盤在四次風調風筒內部，用于調節進入二次風調風筒的風量。四次風調風盤用于調節進入四次風調風筒的風量，即四次風量。四次風為直流風，布置在二次風、三次風中間，通過調整四次風風量控制三次風混入主燃燒器氣流的時間。此次低氮燃燒器改造后，取消了四次風噴口。由于二次風調風筒布置在四次風調風筒內部，低氮燃燒器改造后，四次風調風盤與二次風盤共同用于調整進入二次風調風筒的二次風量。

表2 主燃燒器二、四次風調風盤開度調整試驗結果

二次風主要用于維持穩定的火焰形狀及燃料揮發分析出燃燒所需要的空氣，本項目入爐煤為盤縣貧煤，揮發分較低，燃燒初始燃燒所需要的空氣較少。當二次風開度較小時，煤粉氣流的外部的回流很明顯，能夠很好地卷吸周圍的高溫煙氣，有利于煤粉穩燃；當二次風開度較大時，燃燒器整體旋流強度明顯增大，煤粉氣流的內部中心回流較為明顯，而外部回流相對變弱，二次風過早強烈的混合將不利于煤粉的穩燃。從表2中可以看到，在工況3中，隨著二次風、四次風的降低，鍋爐飛灰可燃物及NOx排放濃度呈明顯下降趨勢，飛灰可燃物由6.7%降低至5.4%；NOx排放濃度由 812.9 mg／m3降低至 651.0 mg／m3。另外，從工況4可以看出，由于二次風、四次風風量較小，其對燃燒器均衡配風影響效果較小；相反，由于二次風、四次風的平衡調節，增大了燃燒器煤粉氣流內部中心回流區，二次風過早的混入主燃燒器煤粉氣流中，導致NOx排放及飛灰可燃物偏高。

3.2 主燃燒器二次風旋流強度調整

每一燃燒器均配置一臺旋流調節器，旋流調節器為50°葉輪，調節50°葉輪的軸向位置即可改變進入燃燒器的直流二次風與旋流二次風的比例，進而調節二次風的旋流強度。主燃燒器二次風旋流強度的調整結果見表3。

表3 主燃燒器旋流強度調整試驗結果

通過表3來看，雖然二次風量占總二次風的比例較小，但是因為其離一次風煤粉氣流最近，二次風旋流強度對鍋爐飛灰含碳量、CO排放、NOx排放影響比較大。隨著主燃燒器50°葉輪的推進，通過燃燒器的直流二次風減少，旋流二次風增大，燃燒器二次風整體旋流強度增加，二次風卷吸能力增強，燃料著火提前，飛灰含碳量、CO排放、NOx排放均呈降低趨勢。試驗中，當50°葉輪由氣流最前端1／2處推進至氣流最前端時（旋流強度最大），CO排放體積分數由1 032 μL／L 降 低 至 778.2 μL／L，NOx排 放 濃 度 由645.8 mg／m3降低至 584.0 mg／m3，飛 灰可 燃物由5.2%降低至4.55%。試驗過程中，燃燒器50°葉輪推進至氣流最前端時，燃燒器最高金屬壁溫在570℃左右，能夠保證燃燒器的穩定安全運行。

3.3 主燃燒器三次風調風盤調整

鍋爐采用大風箱兩側進風，在同一層5只燃燒器參數設置一致的情況下，各燃燒器的進風量并不相同，這導致了沿爐膛寬度上的氧量偏差，爐膛出口氧量沿爐膛寬度方向呈“W”型分布，并且總體呈鍋爐A側氧量高、B側氧量低的趨勢。燃燒器三次風葉片為固定不可調式葉片，運行調整中，通過調整各個燃燒器的三次風調風盤開度調節各個燃燒器的三次風量，進而有效的均衡各個燃燒器的風量分布，降低飛灰可燃物及CO、NOx排放。

表4 主燃燒器三次風調風盤調整試驗結果

根據省煤器出煙道O2及CO的分布曲線，優化各個燃燒器三次風調風盤的開度。考慮到爐膛出口氧量沿爐膛寬度方向呈“W”型分布，并且總體呈鍋爐A側氧量高、B側氧量低的趨勢，工況10采用了全關中間3號燃燒器三次風調風盤，關小兩側1、5號燃燒器三次風調風盤，開大2，4號燃燒器三次風調風盤的配風方式。氧量分布均勻后，改善了燃燒器局部缺氧和富氧的問題，煤粉燃盡度增加，CO排放體積分數由調整初期的 1 212.7 μL／L降低至78.2 μL／L，NOx質量濃度由調整初期的 812.91 mg／m3降低至508.8 mg／m3，飛灰可燃物由調整初期的6.7%降低至3.65%。

3.4 分離式燃盡風（SOFA）調整

新增加的SOFA燃燒器為直流燃燒器，可利用其剛性穿透火焰中心，充分與爐內上升煙氣混合，使煙氣中的未燃盡碳和CO燃盡。SOFA風能否與爐內煙氣形成強烈的混合擾動，是有效降低CO排放及飛灰可燃物的關鍵因素。SOFA風前后墻布置，每墻布置8個噴口。

表5 分離式燃盡風（SOFA）調整試驗結果

當燃盡風量過少時，分級燃燒的作用不明顯，NOx降低程度有限；當燃盡風量足夠時，有大量的未燃盡煤粉顆粒進入燃盡區，如果燃盡風與未燃盡煤粉顆粒無法充分混合并形成有效的混合擾動，則會造成飛灰可燃物及CO排放偏高，鍋爐效率偏低的問題。通過工況13可以看到，通過提高熱二次風箱壓力，提高了SOFA風量和出口動量，進而加強了燃盡風與爐膛內煙氣的混合和擾動，能夠將NOx和飛灰可燃物有效的控制在較低的水平。

工況11，通過降低中間SOFA風噴口擋板開度平衡爐膛截面O2分布，導致飛灰可燃物及CO排放顯著升高。當個別燃盡風噴口風速過低時，無法使整個SOFA系統與爐內形成有效的充分混合，導致鍋爐飛灰可燃物及CO排放偏高。

4 低氮燃燒系統燃燒優化調整效果

圖6～8為鍋爐低氮燃燒系統燃燒優化調整后SCR進口煙道沿水平方向O2—CO分布曲線、O2—NOx分布曲線，以及鍋爐低氮燃燒系統燃燒優化調整前后高再管壁溫度分布曲線高再管壁溫度分布曲線。鍋爐低氮燃燒系統改造后，低氮燃燒系統通過燃燒優化調整，SCR進口煙道沿水平方向O2、CO及NOx分布趨于均勻，同時，通過燃燒優化調整，有效避免了高再管壁溫度超溫現象。

圖6 優化后SCR進口O2—CO分布曲線

圖7 優化后SCR進口O2—NOx分布曲線

圖8 優化調整前后高再管壁溫度分布曲線

鍋爐低氮燃燒系統改造后，再熱器壁溫超溫嚴重，超溫測點主要集中在再熱器中心區域，主汽及再熱蒸汽減溫水量也較改造前增大一倍。這主要是由于低氮燃燒系統改造后，無論是在爐膛高度方向還是寬度方向，單個燃燒器一次風與二次風、燃盡風的混合時間都發生推遲，主燃燒器火焰的射流長，各個燃燒器配風不均，導致下爐膛主燃燒區個別區域未燃盡煤粉顆粒及CO過高，在燃盡區，燃盡風不足以均衡氧化各個區域主燃燒區生成的未燃盡煤粉顆粒及CO，導致個別區域再熱器壁溫超溫。根據爐膛出口氧量及CO的分布情況，優化調整各個燃燒器的風量配比；同時，適當提高熱風風箱壓力，提高SOFA噴口出口動量，加強燃盡風與爐膛內煙氣的混合和擾動，能夠有效控制再熱器壁溫及主、再熱蒸汽減溫水量。通過調整，再熱器金屬壁溫最高點由600℃降低至570～580℃，保證了鍋爐運行的安全性。

5 結論

對于配置B＆W渦流式低氮燃燒器的600 MW對沖燃燒貧煤鍋爐，通過對燃燒器三、四次風之間的風筒進行裁割，并增加喇叭口節流圈減小三、四次風通流面積；取消低位燃盡風OFA系統，增加直流高位分離式燃盡風SOFA系統，在保證燃燒經濟性及安全性基礎上，能夠有效地降低鍋爐NOx排放，降低幅度高達65%。

低氮燃燒系統改造后，燃燒器主火焰與燃盡風的混合時間推遲，各個燃燒器配風的不均會導致燃燒器極度富氧或者貧氧問題的產生，導致飛灰可燃物、CO及NOx排放偏高。通過各個燃燒器三次風調風盤的調整，提高鍋爐煙爐膛寬度和深度方向上氧量分布的均勻性是解決此類問題的關鍵。

針對燃燒貧煤的旋流燃燒器，燃燒初始燃燒所需要的空氣較少，燃燒器二次風、四次風調風盤開度關小，煤粉氣流外部回流明顯，利于煤粉穩燃，同時，鍋爐飛灰可燃物及NOx排放濃度隨著燃燒器二次風、四次風調風盤開度關小呈下降趨勢。

在保證燃燒器壁溫不超溫的前提下，推進主燃燒器50°葉輪，通過燃燒器的直流二次風減少，旋流二次風增大，燃燒器二次風整體旋流強度增加，二次風卷吸能力增強，燃料著火提前，飛灰含碳量、CO排放和NOx排放量均呈降低趨勢。

對于配置直流分離式燃盡風SOFA系統的對沖燃燒鍋爐，通過提高熱二次風箱壓力，提高了SOFA風量和出口動量，進而加強燃盡風與爐膛內煙氣的混合和擾動，能夠將NOx和飛灰可燃物有效地控制在較低的水平。

通過對燃燒器進行低氮燃燒系統改造和優化運行調整，使得鍋爐NOx排放由改造前1 100～1 200 mg／m3降低至 450 mg／m3，CO 體積分數降至27.7 μL／L，飛灰可燃物降至 2.3%，鍋爐效率提高1.66%，從而達到了高效燃燒和低污染物排放的效果。同時，再熱器管壁溫度超溫的問題也得到了有效控制。燃燒器改造及鍋爐燃燒優化調整經驗，值得同類型機組參考。