國產(chǎn)660MW超超臨界機組鍋爐燃燒器低NOx改造

王國棟

大唐信陽華豫發(fā)電有限責(zé)任公司設(shè)備部，河南信陽 464100

0 引言

1）設(shè)備概況

大唐信陽發(fā)電有限責(zé)任公司2×660MW超超臨界機組鍋爐型號DG2000/26.15-Ⅱ2，東方鍋爐廠制造，超超臨界參數(shù)變壓直流爐，一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。鍋爐前、后墻各布置3層DBC-OPCC-Ⅰ型燃燒器，為東方鍋爐廠在日立公司巴布科克技術(shù)上自主開發(fā)的設(shè)備，每層6只，共計36只燃燒器（后墻最下層F層為小油槍燃燒器），每臺磨煤機單獨對應(yīng)一層燃燒器。

2）鍋爐燃燒器運行情況

（1）現(xiàn)鍋爐煙氣中NOx排放濃度高。鍋爐燃用煤種接近設(shè)計煤種時，NOx排放濃度407/Nm3（干態(tài)O2=6%）（168后試驗）[1]，燃用煤種與設(shè)計煤種偏差較大時，煙氣中NOx排放濃度高達 450mg/Nm3～550mg/Nm3；

（2）燃燒器噴口變形、燒損、穩(wěn)燃環(huán)脫落，鍋爐運行存在較大安全隱患。

1 燃燒器低NOx改造分析

1.1 NOx生成機理[2]

煤燃過程中產(chǎn)生的氮氧化物主要是NO和NO2二者統(tǒng)稱為NOX，煤燃過程中，生成NOx的途徑有三個：

熱力型：空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成的NOx；

燃料型：燃料中含有的氮化合物在燃燒過程中熱分解后氧化而生成的NOX；

快速型：燃燒時空氣中的氮氣和燃料中的碳?xì)潆x子團如CH等反應(yīng)生成的NOX。

煤粉燃燒所生成的NOx中：燃料型占NOx總生成量的6%～80%；熱力型NOx的生成和燃燒溫度的關(guān)系很大，在溫度足夠高時，可占NOx總生成量的20%～30%；快速型NOx在煤燃過程中生成量很小。

1.2 NOx生成主要影響因素分析

燃燒器改造首要的目標(biāo)就是降低氮氧化物排放濃度，根據(jù)NOx生成規(guī)律，煤在燃燒過程中影響NOx生成和破壞的主要因素是：

1）煤種特性，如煤的含氮量、揮發(fā)分含量、燃料比Fc/V等；2）燃燒溫度；3）爐膛反應(yīng)區(qū)中煙氣的氣氛，即煙氣中的O2、N2、NO和CHi的含量；4）燃料及燃燒產(chǎn)物在火焰高溫區(qū)和爐膛內(nèi)的停留時間。

根據(jù)主要影響因素，對于某一特定的鍋爐，影響最終排放濃度的因素就是：煤質(zhì)、燃燒器組布置和燃燒器燃盡風(fēng)口結(jié)構(gòu)性能，分別分析如下：

1）煤質(zhì)是根本

由NOX生成機理可知，煙煤由于其揮發(fā)分含量高，通過控制過量空氣系數(shù)可大幅度降低NOX排放濃度，而貧煤、無煙煤由于其揮發(fā)分含量低，降低較為困難，排放濃度較高，因此說煤質(zhì)是根本因素。

2）分級配風(fēng)（燃燒器組總體布置）是基礎(chǔ)

根據(jù)NOx生成機理，揮發(fā)分N轉(zhuǎn)化為NOx時對當(dāng)?shù)乜諝?燃料比極為敏感的特點原理發(fā)展了低過量空氣系數(shù)、空氣分級燃燒等低氮燃燒技術(shù)。由于低過量空氣系數(shù)會引起較大飛灰損失，空氣分級低氮燃燒技術(shù)能同時兼顧高效與清潔兩方面要求而得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)降低氮氧化物相關(guān)煤粉燃燒的理論和實踐指出：采用空氣分級方式，一級燃燒區(qū)域的過?？諝庀禂?shù)在0.75～0.85之間時氮氧化物生成水平最低，工程上首先要保證高效穩(wěn)燃，取值0.85左右過剩空氣系數(shù)能滿足兼顧要求，設(shè)計一級燃燒區(qū)域過?？諝庀禂?shù)0.95，因此從過?？諝庀禂?shù)角度看，還有下降空間，目前機組運行時，二次風(fēng)壓只有～0.7Kpa，通過風(fēng)門調(diào)節(jié)達到這一風(fēng)率調(diào)配不可能，因此燃盡風(fēng)口的改造就是必需的工程改造內(nèi)容。

3）燃燒器是關(guān)鍵

對于煤粉鍋爐而言，煤粉燃燒器是鍋爐燃燒系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，不但煤粉是通過燃燒器送入爐膛，而且煤粉燃燒所需要的空氣也是通過燃燒器進入爐膛。煤粉氣流的著火過程、爐膛中的空氣動力結(jié)構(gòu)和燃燒工況，主要是通過燃燒器的結(jié)構(gòu)及其在爐膛上的布置來決定的。從燃燒角度看，燃燒器的性能對煤粉燃燒設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟性起著主要作用；從NOX生成機理看，占NOX絕大部分的燃料型NOX是在煤粉的著火階段生成的。因此通過特殊設(shè)計的燃燒器結(jié)構(gòu)、以及改變?nèi)紵黠L(fēng)煤配比，將空氣分級、燃料分級和煙氣再循環(huán)降低NOX的原理用于燃燒器，以盡可能的降低著火區(qū)的氧濃度、適當(dāng)降低著火區(qū)的溫度，達到最大限度的抑制NOX生成的目的。由于低NOX燃燒器能在煤粉著火階段就抑制NOX的生成，可以達到更低的NOX排放值，因而低NOX燃燒器是實現(xiàn)低NOX排放的關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)核心。

1.3 原燃燒器結(jié)構(gòu)特點分析[3]

根據(jù)提供資料介紹，采用外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤粉燃燒器（DBC-OPCC型），前后墻對沖燃燒。燃燒器分為中心風(fēng)、一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)，中心風(fēng)取自大風(fēng)箱，手動風(fēng)門調(diào)節(jié)；二次風(fēng)采用軸向固定導(dǎo)葉、套筒式風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量；三次風(fēng)采用徑向可調(diào)擋板調(diào)節(jié)旋流強度和風(fēng)量；大風(fēng)道總風(fēng)門可以調(diào)節(jié)風(fēng)箱壓力。一次風(fēng)采用撞擊式二級濃縮形成外濃內(nèi)淡的氣流流態(tài)。出口處一次風(fēng)設(shè)置12片齒塊、二次風(fēng)擴錐，二次風(fēng)筒設(shè)置三次風(fēng)擴錐體。

經(jīng)入口彎頭后進入一次風(fēng)管，在噴口前部受到二級撞擊錐的撞擊形成粉氣離析，因而出口煤粉顆粒的分布極不均勻，彎頭外側(cè)較濃，而內(nèi)側(cè)較稀，這樣的結(jié)果是：1）造成部分設(shè)備過度磨損而較快失效；2）影響燃燒器的著火穩(wěn)燃性能，煤種適應(yīng)性差；3）煤質(zhì)好時，噴口、擴流錐體容易燒損變形。

原燃燒器存在一次風(fēng)氣流組織不合理，造成煤粉顆粒分布嚴(yán)重不均；二、三次風(fēng)由于擴流錐體結(jié)構(gòu)問題，造成燃燒器出口有旋轉(zhuǎn)發(fā)散現(xiàn)象，所以原燃燒器必須經(jīng)過改造，才能形成有利于煤粉氣流著火的高溫高濃度區(qū)域，而這一點正是降低氮氧化物的關(guān)鍵所在。

1.4 燃盡風(fēng)結(jié)構(gòu)分析

原兩側(cè)燃盡風(fēng)結(jié)構(gòu)與燃燒器相同，只是尺寸稍小，特性相同。燃盡風(fēng)分為兩部分：中心直流風(fēng)、套筒式風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量；外圈16片～24片固定導(dǎo)葉、蓋板拉動調(diào)節(jié)風(fēng)量。通過大風(fēng)箱總風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)箱壓力。

根據(jù)核算結(jié)果，在E-CR工況時，所有二次風(fēng)平均軸向風(fēng)速30m/s，在同一個大風(fēng)箱供風(fēng)、壓頭只有0.7kPa的條件下，直流風(fēng)速勉強可以保證，旋流部分軸向速度不能得到保證，因此出口后占大部分風(fēng)量的旋流風(fēng)很快發(fā)散，直流部分所占份額較少，在高溫?zé)煔庵械拇┩噶Σ蛔?，補氧效果不理想。

2 燃燒器改造方案

根據(jù)前面分析結(jié)論，在目前設(shè)備現(xiàn)狀和實際燃用煤質(zhì)情況下，結(jié)合鍋爐運行對改造的綜合要求，只能進行燃燒器改造以增強燃燒器本身的低NOx性能、抗變形燒損能力和適當(dāng)提高燃盡風(fēng)率所需的燃盡風(fēng)口改造來達到改造目的。

改造方案為將現(xiàn)ABCDE 5層共30臺燃燒器全部更換為PH-XSLNB型燃燒器，更換后的燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 一次風(fēng)

從入口彎頭至噴口端面間部件整體更換，包含一次風(fēng)固定管前部、彎頭、一次風(fēng)管，以及設(shè)置于一次風(fēng)管內(nèi)的中心油燃燒器組件、組合式濃淡分離組件和一次風(fēng)出口與噴口相連接的內(nèi)擴流錐體、穩(wěn)焰齒環(huán)。內(nèi)擴流錐體與一次風(fēng)管采用插接式銷栓連接，安全可靠、便于施工安裝及檢修更換，齒環(huán)采用SiC齒塊鑲嵌結(jié)構(gòu)，提高齒環(huán)的使用壽命。

2.1.2 二次風(fēng)

等徑更換前部350長耐熱段，避免原設(shè)計碳鋼風(fēng)管高溫碳化脫落；與外擴流錐體連接結(jié)構(gòu)采用套管插接雙面焊接、背面加強筋補焊加強，避免外擴錐目前存在的受熱變形脫落問題。

2.1.3 三次風(fēng)

三次風(fēng)水冷壁耐火澆注擴口漲角單邊夾角25°不變，增加調(diào)節(jié)套筒，形成雙通道三次風(fēng)，克服原結(jié)構(gòu)擋板調(diào)節(jié)方式旋流強度與通流面積同步改變的缺陷。套筒水平拉桿調(diào)節(jié)通道面積，切向擋板調(diào)節(jié)旋流強度，保證不同負(fù)荷下、系統(tǒng)風(fēng)壓變化時旋流強度和速度維持不變。

圖2 數(shù)值計算出口濃度分布

2.2 性能分析

1）合理的濃度分布

濃淡分離組件與一次風(fēng)管、彎頭有機組合在一起，可以實現(xiàn)高效低阻濃淡分離、并保證能夠出口煤粉顆粒的均勻分布，如圖2所示。

2）性能特點

對一次風(fēng)氣流的合理組織，形成較為均勻理想的出口濃度分布，良好的空氣動力結(jié)構(gòu)，在在燃燒器出口附近一二次風(fēng)界面處形成穩(wěn)定的高溫回流區(qū)域，形成有利于煤粉著火和抑制氮氧化物生成的高溫、高濃度區(qū)域，齒環(huán)使煤粉顆粒在高溫區(qū)滯止減速滯留時間延長，極大提高熱質(zhì)交換能力，而被快速加熱升溫，揮發(fā)分快速大量析出著火燃燒，揮發(fā)分在這一缺氧區(qū)域著火燃燒，可最大限度的抑制NOx生成。

隨后中心的淡相氣流及時補充殘?zhí)咳紵糠盅趿?，溫度持續(xù)升高，因二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)而稍后才能補入，形成的還是高溫還原火焰，使已生成NOx得到還原，因而可以大幅度降低NOx排放；其后二三次風(fēng)不斷分級補入，殘?zhí)吭诟邷丨h(huán)境下充分燃燒，提高煤粉燃盡度，強化燃燒穩(wěn)定性，使煤種適應(yīng)性增強。

[1]大唐信陽發(fā)電有限責(zé)任公司2×660MW鍋爐性能試驗報告[R].河南電力試驗研究院，2009，12：19-23.

[2]吳碧君，劉曉勤.燃燒過程NOx的控制技術(shù)與原理[J].電力環(huán)境保護，2004(2)：40-50.