偏置一次風燃燒器在墻式切圓褐煤鍋爐中的應用

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046)

0 引 言

目前，國內燃用全水分的小于35%的褐煤機組時，常常選用中速磨制粉系統，而只是針對部分全水分超過35%的褐煤則采用風扇磨制粉系統[1-2]。配置中速磨制粉系統的褐煤機組，受限于其制粉系統干燥出力，往往一次風風率很高[3]，尤其是在冬夏兩季，由于受到降雨及降雪的影響，煤粉水分升高，導致鍋爐一次風風率大幅上升，部分負荷下甚至達到50%以上。較高的一次風風率已將嚴重影響到了爐內燃燒動力場，二次風嚴重缺失，爐內燃燒切圓偏大，導致煤粉氣流刷墻，進而引起水冷壁結焦及壁溫偏差問題，嚴重時水冷壁超溫，限制了鍋爐的出力；同時鑒于爐內燃燒動力場的不合理，鍋爐在運行時燃盡風風門只能關小，影響了鍋爐分級燃燒的效果，進而NOx排放上升[4]。這種現象在墻式切圓燃燒時尤為嚴重[5]。

1 電廠鍋爐概況

1.1 鍋爐設計邊界條件

某電廠一期工程安裝兩臺600 MW超臨界空冷機組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司自主開發研制的600 MW褐煤超臨界鍋爐。鍋爐燃燒器采用墻式切圓燃燒方式，形成大直徑切圓，以獲得沿爐膛水平斷面較為均勻的空氣動力場。配置六臺磨中速磨煤機系統，燃燒器分三層，二次風偏離一次風15°進入爐膛，形成風包粉的布置方式，有效減少爐膛的結焦。燃燒器的上方為四層分離型燃燼風室(SOFA)噴嘴，它具有補充燃料后期燃燒所需要的空氣，同時實現分級燃燒以抑制NOx的生成。鍋爐主要參數見表1。

表1 鍋爐原設計容量和參數

表2是鍋爐使用的煤質分析數據，可以看出，該鍋爐用煤為褐煤，水分高，熱值低，并且易結焦。

表2 鍋爐設計煤質、校核煤質分析表

表3 鍋爐燃燒器設計主要參數

圖1為燃燒器噴口布置及主燃燒器和SOFA的水平布置圖，其中主燃燒器分成三組，采用墻式切圓布置方式，而SOFA則采用了四角切圓布置方式。表3是燃燒器的主要設計參數。

圖1 燃燒器布置圖

1.2 鍋爐運行出現問題

該電廠自2011年投運以后，多次出現一次風刷墻、結焦問題，并存在主、再熱蒸汽溫度偏低的情況。投產以后，主汽溫度曾經一度低于540 ℃，低負荷時主汽溫度降低更加明顯，導致機組的運行經濟性較設計水平顯著偏低。運行過程中，鍋爐的結渣問題時有發生，但是并不嚴重，但由于采用干式出渣方式，一旦爐膛內出現結渣難以通過除渣系統自行清除，需要通過人工打焦的方式進行清除。同時鍋爐在運行過程時，鍋爐NOX排放普遍在300～400 mg/m3之間，鍋爐NOx排放很高。鍋爐脫硝壓力很大，一旦鍋爐運行方式發生變化，鍋爐NOX排放會繼續上升，脫硝出口NOx排放不能滿足50 mg/m3的排放要求。

2 鍋爐目前現狀問題分析

從運行數據來看，受限于磨煤機出力，其一次風風率控制的較差，一次風風率普遍在42%甚至更高。較高的一次風風率使得煤粉氣流著火延遲，同時二次風無法對一次風進行攜帶，來自上游的一次風氣流會對下游的一次風氣流產生一定的沖擊，進而導致了煤粉氣流的偏斜及刷墻。而主蒸汽、再熱汽溫度未能達到設計值，主要是火焰貼近水冷壁，增強了水冷壁的換熱強度，造成爐膛出口煙氣溫度低從而影響了對流受熱面的吸熱。

圖2 改造前爐膛燃燒器區域的溫度場及速度場分布

而本工程造成一次風風率較大的原因主要如下：

(1)二次風溫度較設計值低；TRL負荷下，原二次風溫度設計值為384 ℃。而本工程在實際550 MW運行中，其二次風風溫在360 ℃左右，較設計值低24 ℃。干燥出力不夠，導致單臺磨的通風量變大；

(2)煤質變差，導致磨煤機投運數量增加，一次風風率高；在低負荷情況下，50%THA工況時，設計二次風風溫為334 ℃，而在實際運行中360 MW負荷下，二次風風溫在332 ℃左右。從上可看出，低負荷下二次風風溫與設計值相當。但是由于煤質熱值變差，單臺磨的磨煤量變大，需要增加一臺磨運行，以便滿足運行的給煤要求。而高負荷時同樣也存在類似問題，再加上高負荷下二次風風溫低，其也需增加一臺磨運行。

而鍋爐的一次風風率過大后，會導致NOx排放的上升。同時，由于出現的掃墻現象，電廠運行人員為了防止水冷壁壁溫超溫，選取了燃燒器區域高氧量運行的方式，SOFA風量較少，分級燃燒不明顯，進而又加劇了NOx排放的上升。可見解決一次風風率過高或者解決煤粉氣流掃墻現象，就會解決上述問題。

3 燃燒系統改造方案

鑒于本工程現狀，解決一次風風率過高，需要對原有的制粉系統進行改造，如增加暖風器設備對一次風風溫進行加熱、再提高等，這樣改造投資成本很大。因此本次改造的方案主要從解決鍋爐切圓過大方面著手。

根據現場實際情況進行方案設計，改造方案如下：

(1)保持原有的一次風噴口標高不變，主燃區低氮燃燒器整體向爐膛中心偏轉一定的角度，縮小原有的燃燒假想切圓，防止一次風氣流沖刷水冷壁；

(2)二次風噴口仍按垂直于水冷壁壁面的方向射入爐膛。

根據目前的改造方案，應用相應的數值模擬軟件，對改造后爐內動力場及溫度場進行了相應的數值模擬，模擬發現：鍋爐爐內一次風掃墻的現象得到有效解決。

改造后的燃燒器布置圖如圖3-4所示。

圖3 改造后爐膛燃燒器區域的溫度場及速度場分布

圖4 改后燃燒器平面布置圖

4 改造后鍋爐運行結果

該爐低氮燃燒器改造后，通過多方配合熱態燃燒調整，爐膛出口氮氧化物排放及CO均達到低排放的效果，達到了低氮改造的目的。主燃燒器區域的風門開度維持在20～30之間，停運層的風門維持在15%左右，SOFA風門維持在較大開度。在燃盡風并未改造的前提下，鍋爐高負荷NOX排放可達到200 mg/Nm3左右，CO：43.2 ppm，飛灰含碳量為1.0%；450 MW負荷段下SCR入口NOx：160 mg/Nm3，CO：15.9 ppm；300 MW負荷段下SCR入口NOx：230 mg/Nm3，CO：7.4 ppm。

5 結束語

該新型低氮燃燒器應用于墻式切圓褐煤鍋爐后，能夠在不更改原有制粉系統及煤質的情況下，有效的控制爐內燃燒的切圓，使得原有鍋爐一次風氣流掃墻的問題得以有效的解決，鍋爐能夠保鍋爐各項參數達到設計值，安全穩定的滿負荷運行，同時原有的鍋爐在NOx排放也有一定程度的降低。該新型燃燒器技術在燃燒器改造量很小的前提下，達到了理想的效果。預計該技術在國內類似燃燒褐煤的機組中有著非常廣闊的應用前景。