670t/h鍋爐燃燒器采用分級燃燒脫硝技術改造分析

吳寶海

國電吉林熱電廠 吉林吉林 132021

國電吉林熱電廠（以下簡稱吉熱廠）兩臺220MW機組鍋爐為哈爾濱鍋爐制造廠生產，于1986年建設投產。鍋爐采用四臺球磨機中間倉儲式制粉系統，四角布置燃燒器；燃燒系統采用四層煤粉一次風與二次風間隔布置，三次風布置在一、二次風的上端；每個角有一次風噴口四只，二次風噴口八只，三次風噴口一只，1號排粉機帶第一層一次風燃燒器，3號排粉機帶第二層一次風燃燒器，其中第一層2、4號角和第二層1、3號角一次風為裝有等離子點火器的燃燒器。為滿足環保政策要求，吉熱廠于2015年對兩臺220MW機組鍋爐利用分級燃燒技術進行燃燒器改造：改造方案是以每個角原來最下排二次風噴口為基準，將原有第一層油槍二次風噴口和第二層二次風噴口合并為一個倒糧倉型二次風噴口，并上提120mm，其余燃燒器整體在原有位置下沉600mm，其中三次風噴口下沉1000mm，縮短了與最上層二次風噴口的間距。一次風口中間加裝水平隔板，成為濃淡型燃燒器，兩并列燃燒器中間為濃相，外緣為淡相燃燒；并將原第二層1、3號角等離子點火器下移至第一層，原第二層1、3號角一次風管隨之下移至第一層，形成最下層四只一次風燃燒器都裝有等離子點火器布局。二次風噴口加裝格柵，增加風噴出剛性。在距離三次風噴口中心線近2200mm，安裝高度為2047mm、均勻布置、帶有格柵、三維50°擺角的三層燃燼風。燃燒器改造前后對比見圖1：

1 鍋爐分級燃燒原理

（1）應用鍋爐分級燃燒技術的目的是降低鍋爐燃燒過程中NOx生成量，其原理是將燃料燃燒用的助燃空氣分兩階段送入爐膛：先是將理論空氣量的80%左右從主燃燒區送入（見圖2），降低鍋爐主燃燒區的氧氣濃度，使其過剩空氣系數α≤1，使燃料在缺氧富燃料條件下燃燒，燃料燃燒速度和溫度水平降低，該區域由于缺氧，因而NOx的生成受到抑制，主燃燒區NOX的生成量即可減少，同時燃料在燃燒過程中因α≤1時會產生很強的還原性氣氛CO、H2、C和CnHm和CHi，該還原性氣氛與NO發生還原反應將NO還原為N2，反應式如下：

然后再將燃燒用空氣的剩余部分由主燃燒區以外的其它部位送入，與主燃燒區生成的煙氣混合，使未燃燼的燃料在該區域燃燼。雖然這時的空氣量多，但由于火焰溫度較低，在第二級內也不會生成較多的NOX。這樣，燃料的燃燒過程在爐內分級分階段地來進行，從而控制鍋爐燃燒過程中NOX的生成反應，降低了煙氣NOX的排放濃度（見圖2）。

圖1 鍋爐燃燒器改造前后對比圖

圖2 鍋爐分級燃燒技術示意圖

在圖2鍋爐分級燃燒技術示意圖的主燃燒區上部設置了2～3層燃燼風噴口（SOFA），將燃燒所需的總風量剩余的約20%風量經此噴口送入爐膛，借以減少主燃燒區的氧濃度，抑制NOX的生成。燃燼風口提供燃料燃燼所需的其余空氣，用來保證燃料的完全燃燒。這種燃燒系統設計的技術關鍵是：

（2）合理確定燃燼風噴口與燃燒器最上層一次風噴口的距離H。距離大，分級效果好，NOX下降幅度大，但飛灰可燃物會增加。合適的距離與爐膛結構、燃料種類有關。根據前全蘇熱工研究所試驗經驗，H由下式計算：

（3）燃燼風量要適量。風量大，分級效果好，但可能引起燃燒器區域嚴重缺氧而出現受熱面結焦和高溫腐蝕。對于煤粉爐，合理的燃燼風占鍋爐總風量的15%～20%左右；

（4）合理的燃燼風噴口布置方式。常見的是角置式SOFA噴口，也有采用墻置式結構，即SOFA噴口沿爐膛四面墻布置[1]。

2 吉熱廠220MW機組鍋爐燃燒器采用分級燃燒脫硝技術改造優點分析

（1）國電吉林熱電廠220MW機組鍋爐燃燒器改造是在每個角增加三層燃燼風SOFA噴口（布置高度為25．8米）的基礎上，將一、二風口下移600mm，將三次風口下移1000mm，目的是創造出足夠的煙氣還原高度空間，是實現鍋爐燃燒器分級燃燒改造的基礎。

（2）一次風口采用濃淡型固定燃燒器。第一層和第二層燃燒器間、第三層和第四層燃燒器間為濃相燃燒，外間為淡相燃燒。濃相煤粉在低氧的環境下進入火焰中心，由于缺氧使燃燒時間加長，燃料燃燒速度和溫度水平降低，利于抑制NOx生成的同時也利于抑制焦渣生成，有防止受熱面結焦作用；淡相煤粉離開噴口與二次風快速混合進入火焰中心燃燒，保證了濃相煤粉燃燒需要的熱量；同時二次風口在風口上均加裝了8格或12格的格柵，增強風的出口剛性，提高二次風向煤粉的滲透能力。一次風噴口采用濃淡型燃燒器，較好的的控制了爐膛的分級燃燒，使燃燒更加有層次感的同時，提高了鍋爐燃燒穩定性，尤其是將裝有等離子點火器的四只燃燒器集中布置在下部第一層，不僅利于鍋爐點火穩定性和穩燃，還利于分級低氮燃燒原理的實現。

（3）取消最下排的兩個二次風口，用一個倒糧倉型二次風口取代，增強對底層煤粉的托舉能力，位置在原來位置提高120mm，有利于降低鍋爐不完全燃燒損失[2]。

（4）燃燒器改造后，從最底層二次風口下邊緣到三次風口的距離由9210mm，改進為8220mm，原有的燃燒過程縮短了900mm，使一次風煤粉與二次風、三次風的總高度縮短。煤粉在這樣短的距離內無法充分燃燒，火焰中心溫度大大降低，需要充分發揮燃燼風的補充作用。燃燼風的底層距離三次風口2290mm，距離最上層燃燼風口距離4337mm，即煤粉在爐膛的燃燒距離由原來的9210mm，增加為12440mm，增加3230mm，實現了分級送風的目的，見圖2所示。

（5）改造后原來最上排二次風燃燒器與三次風的距離由1235mm，縮短為835mm，充分運用燃燼風配風分級燃燒技術達到鍋爐燃燒脫硝。

3 吉熱廠220MW機組鍋爐燃燒器采用分級燃燒脫硝技術改造缺點分析及改進建議

（1）吉熱廠220MW機組鍋爐燃燒器改造屬于典型的分級燃燒脫硝改造，分級燃燒的主燃區是典型低氧燃燒，能降低爐內燃燒溫度，從分級燃燒控制來講達到了抑制并還原NOx，降低NOx排放的目的；從經濟燃燒調節角度講，煤粉低氧燃燒不利于可燃物燃燼，增大了固體和化學不完全燃燒損失，不利于提高鍋爐效率。合適的氧量調節需要精準的配風，精準配風就需要監測煙氣CO含量。而吉熱廠220MW機組鍋爐送入爐內的總風量在實際工作中還是一個模糊的概念，燃燒過程中是否缺風、送入爐內的風是否過剩還是以氧量作為唯一調節配風依據，無煙氣CO含量在線測量表計，憑借經驗調整。因此建議分級送風燃燒改造需要標配煙氣CO含量在線監測，可根據煙氣CO含量調節分級送風配比，降低固體和化學不完全燃燒損失，才能做到鍋爐效率和降低煙氣NOx含量兼顧[3]。

（2）經采用分級燃燒改造的吉熱廠220MW機組鍋爐燃燒器一、二次風噴口采用固定式，燃燒調節手段不夠靈活，糾偏功能較弱，建議一、二風噴口進行可擺動改造，豐富燃燒調節手段，強化燃燒器糾偏功能。

（3）改造后的燃燒器飛灰可燃物含量增大。原因之一為分級燃燒技術主燃區低氧燃燒、煤粉燃燒過程延長、整體爐溫降低等為其主要技術特點，而這些特點均不利于煤粉完全燃燒，導致飛灰可燃物含量增大；原因之二為設計人員未充分評估吉熱廠提供的入爐煤形勢，入爐煤與原鍋爐設計煤種已有不同，煤粉細度仍采用原鍋爐設計，未將煤粉細度納入燃燒器改造整體設計，煤粉細度過大是飛灰含碳量過高的又一原因。解決措施是進行煤粉細度校核對比試驗，適當降低煤粉細度，并做好制粉系統爆破風險和受熱面結焦風險評估，選取安全經濟煤粉細度。煤粉細度降低利于煤粉燃燼，降低不完全燃燒損失，提升鍋爐效率。

4 結語

綜上，通過對國電吉林熱電廠220MW機組鍋爐燃燒器采用分級燃燒技術改造存在的優缺點進行分析，得出220MW機組鍋爐還存在繼續優化改造可行性，希望能為220MW機組鍋爐繼續優化改進提供技術改進方向。