低NOX旋流燃燒器的整爐改造

（浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責任公司，浙江寧波315722）

低NOX旋流燃燒器的整爐改造

邱成勇，陳文剛，趙立奇，趙學(xué)峰，胡繼斌

（浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責任公司，浙江寧波315722）

通過介紹烏沙山發(fā)電廠的低氮燃燒器整爐改造工作和新型低氮旋流燃燒器前后墻對沖燃燒系統(tǒng)的技術(shù)改造成果，闡述了該燃燒器的技術(shù)特征以及使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題，提出進一步的改進建議。

：鍋爐；LNASB；低氮；技術(shù)改造

1 低NOX旋流燃燒器

烏沙山發(fā)電廠鍋爐設(shè)計煤種為神府東勝煙煤，校核煤種為大同塔山煙煤。鍋爐爐膛斷面寬22.187 m、深15.632 m，頂棚管標高65.55 m。爐膛容積熱負荷82.17kW/m3，爐膛截面熱負荷4.259MW/m2。

燃燒器布置方式采用前后墻布置，對沖燃燒。前、后墻各布置3層燃燒器，每層各有5只低NOX旋流燃燒器（Low NOXAxial Swirl Burner，LNASB），其中前墻下層布置等離子燃燒器。在最上層煤粉燃燒器上方，前、后墻各布置1層燃燼風裝置，每層布置5只燃燼風噴嘴。LNASB結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃燒器上排一次風噴嘴中心線到屏式過熱器底部為19.374 m、下排一次風噴嘴中心線到冷灰斗彎管處為3.007 m。

圖1 低NOX旋流燃燒器結(jié)構(gòu)

低NOX旋流燃燒器將分級送風技術(shù)和煤粉局部濃集燃燒法相結(jié)合，達到了降低NOX生成量的目的。該燃燒器燃燒風的分級是通過把燃燒風分為獨立的旋流內(nèi)二次風和旋流外二次風（三次風）來實現(xiàn)的，從而形成雙調(diào)風型旋流燃燒器。旋流內(nèi)二次風分別由手動套筒擋板和手動旋流器拉桿調(diào)節(jié)風量和旋流強度，旋流外二次風僅由手動旋流器拉桿調(diào)節(jié)旋流強度，安裝時預(yù)先將旋流器位置調(diào)整好，運行中不能調(diào)整。在二次風壓不變的前提下，通過改變內(nèi)二次風套筒擋板位置來改變內(nèi)二次風量與外二次風量的比例，通過移動內(nèi)二次風旋流葉片來改變繞過葉片的直流風和通過葉片的旋流風的比例，最終達到改變內(nèi)二次風旋流強度的目的。煤粉局部濃集燃燒是通過安裝在一次風管爐膛端的4個收集器來實現(xiàn)的。4個收集器殼體固定在一次風管內(nèi)表面上，旋轉(zhuǎn)的一次風通過收集器，在燃燒器出口形成4股獨立的高煤粉濃度風粉流，以控制一次風環(huán)行套筒周圍風粉比的變化，符合分段燃燒降低NOX生成的原則。在一次風管入口裝有煤粉分配器，以達到均勻分配煤粉的目的，燃燒器尖部安裝有一個火焰保持器，用以穩(wěn)定火焰根部。燃燒器設(shè)中心風管，用以布置點火設(shè)備。一股小流量的中心風通過中心風管送入爐膛，提供點火設(shè)備所需要的風量，并在點火設(shè)備停運時防止灰渣在此聚集。

燃料完全燃燒所需風量的差額通過最上排燃燒器上方的燃燼風補充。燃燼風噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。燃燼風噴嘴以兩股氣流高速進入爐膛，一股為一次風，以較高的軸向速度沖出，以保證穿透爐膛氣流，稱之為內(nèi)部空氣；另一股為二次風，以外圍旋流方式進入爐膛，以保證空氣與未燃燼物質(zhì)的充分混合，稱之為外部空氣。每個燃燼風噴嘴通過一次風擋板調(diào)整一、二次風比例。調(diào)整桿穿過燃燼風噴嘴的面板與一次風擋板連接，并允許擋板的位置變化。

圖2 燃燼風噴嘴結(jié)構(gòu)

2 實際使用中出現(xiàn)的問題

鍋爐自投運以來燃燒狀況穩(wěn)定，經(jīng)濟性較高，但也存在一些問題。首先是燃燒器磨損嚴重，直接影響燃燒器的安全可靠運行；其次燃燒器結(jié)渣嚴重，造成燃燒器及其周圍水冷壁管超溫；同時鍋爐NOX排放量仍然較高。

燃燒器磨損的主要部位是連接入口BANJO和燃燒器耐熱鋼的一段連接短管，材質(zhì)為Q235，磨損穿透后會造成一次風粉進入二次風箱，著火燃燒從而損壞燃燒器。磨損的主要原因是一次風粉進入BANJO后產(chǎn)生強烈的周向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過8塊小的導(dǎo)葉后進入一次風連接短管，沖擊角度在加速磨損的范圍內(nèi)，磨損具有顯微切削特性，能在不足一萬小時內(nèi)磨損穿透連接短管。

燃燒器的噴口結(jié)焦比較嚴重，主要原因是一次風粉濃縮效果不好，風粉混合不均勻，加之預(yù)混段比較長，著火點在燃燒器內(nèi)部，炙熱的火焰經(jīng)過喉口時，耐火磚來不及將其冷卻到固體狀態(tài)，造成焦渣不斷增加，最終達到臨界質(zhì)量而脫落，造成周期性掉焦現(xiàn)象。

NOX排放較高的主要原因可能是燃燒器結(jié)構(gòu)型式欠妥，燃燒器一、二次風混合稍早，不利于抑制NOX生成。原設(shè)計雖然進行了全爐膛分級燃燒，但燃燼風率偏小，從燃燒器區(qū)域加入的空氣過多，給氮氧化物的產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件。燃燼風離最上層燃燒器距離過近，沒有留出足夠的還原距離。

3 燃燒改造方案

主要改造了鍋爐A，C，D，E，F(xiàn)層對應(yīng)的25只燃燒器，保留等離子燃燒器；在原有燃燼風裝置上方新增10只燃燼風裝置，并在4個風道豎井上方引出燃燼風風箱。

將原有燃燒器的一次風及中心風結(jié)構(gòu)改成中心給粉一次風結(jié)構(gòu)。新型燃燒器數(shù)量、布置位置及旋轉(zhuǎn)方向均保持不變，燃燒器噴口與水冷壁開孔的密封方式不變。同時，將燃燒器的一次風通道連接處斷開，接口位置不變，取消原燃燒器的一次風管，安裝中心給粉燃燒器一次風管；改造后中心給粉旋流煤粉燃燒器保留原燃燒器的內(nèi)、外二次風道連接，在內(nèi)二次風管上增加擴口，點火油槍保留在燃燒器中心。

改造后燃燒器的空氣分為3股，即一次風、內(nèi)二次風和外二次風。一次風攜帶煤粉經(jīng)布置有煤粉濃縮器的一次風管進入爐膛。煤粉濃縮器使大量煤粉富集在燃燒器中心區(qū)域，有利于煤粉的著火，同時產(chǎn)生大量的還原性氣體，可抑制NOX生成。燃燒器的內(nèi)、外二次風由燃燒器風箱提供，每個燃燒器均有風量均衡擋板，使進入各燃燒器的風量保持平衡。內(nèi)、外二次風通過燃燒器內(nèi)同心的內(nèi)、外二次風環(huán)形通道在燃燒的不同階段分別送入爐膛。

保留鍋爐原有的燃燼風裝置，取消原有燃燼風裝置上方的一層吹灰器，并在此高度的前、后墻各安裝一層燃燼風裝置，每層5只，總計新增10只燃燼風裝置。燃燼風采用大風箱布置方式，在風箱兩側(cè)入口安裝機翼測速裝置。

4 改造的技術(shù)細節(jié)

本次低氮燃燒器的改造主要集中在一次風管部分，改造原則是增加一個高效煤粉濃縮系統(tǒng)，延遲一次風與內(nèi)二次風的混合及內(nèi)二次風與外二次風的混合，減少燃燒中心的氧氣供應(yīng)。改造工程中涉及的主要技術(shù)細節(jié)如下：

（1）內(nèi)、外二次風之間套筒加長298mm，采用Φ936×8的耐熱鋼管，其后新增長約210mm的25°擴口，燃燒器出口端面直徑1 198mm，新增擴口端面直徑1 123mm，斷面橫向距離75mm，擴口上預(yù)留打焦孔和煤油火檢開口。該擴口的主要作用是縮短內(nèi)、外二次風的預(yù)混段，防止內(nèi)、外二次風過早混合，避免出現(xiàn)中心氧量過多、溫度難以控制、氮氧化物排量增高、噴口結(jié)焦嚴重等情況。

（2）將原煤粉濃縮系統(tǒng)更換成新型高效煤粉濃縮系統(tǒng)。新型燃燒器一次風粉直接進入燃燒器，經(jīng)過3塊濃縮環(huán)和1個整流器，將分離后的濃、淡氣流導(dǎo)出一次風管，防止已分離的煤粉再次混合。3個濃縮環(huán)就是3個直徑不斷變小的漸縮噴口，濃縮環(huán)利用固定翅固定在一次風管上，所有易磨損的地方均貼有耐磨陶瓷。

（3）原有燃燒器配有穩(wěn)燃齒，其主要作用是穩(wěn)燃，但帶來了結(jié)焦和高氮氧化物排放的負面效應(yīng)。隨著燃燒器的不斷完善，穩(wěn)燃的問題已經(jīng)解決，因此可取消原一次風管出口的穩(wěn)燃齒。

（4）將原中心風噴口直徑從311mm降低為219mm，中心風的截面積減少近50%。原中心風取自中心風箱，中心風箱取自送風母管，現(xiàn)改為取自各層二次風箱，經(jīng)二次風門節(jié)流，供風壓力大大降低，故中心風量大為降低，從而使中心氧量降低，一次風擴展角縮小，燃燒更加徹底。

（5）將一次風管接長500mm，使一次風口與內(nèi)二次風口平齊，距離水冷壁面僅264mm。該設(shè)計基本去除一次風與二次風預(yù)混段，防止一次風與內(nèi)二次風過早混合。同時，為配合改造，將原燃燒器的油槍向燃燒器噴口方向水平移動511mm，至一次風噴口端面。

5 改造效果

改造完成后，鍋爐點火一次成功，低氮燃燒器降氮效果顯著。改造前，氮氧化物排放水平約為350mg/Nm3，改造后，在50%～100%的負荷區(qū)間內(nèi)均能穩(wěn)定維持在200mg/Nm3以下，即使鍋爐氧量超過3.39%，氮氧化物排放量依然小于220mg/Nm3。在燃用現(xiàn)運行煤時，鍋爐在額定負荷下飛灰含碳量為1.11%、大渣含碳量為1.08%，鍋爐整體性能未降低。

鍋爐改造后，運行穩(wěn)定，爐膛負壓穩(wěn)定，主蒸汽壓力、主蒸汽溫度達到設(shè)計要求，沒有汽溫壁溫超限情況；水冷壁進行改造后，未破壞鍋爐的水動力特性。

本次改造有效抑制了噴口結(jié)焦，去除穩(wěn)焰環(huán)、加長一次風管，能有效避免一次風與內(nèi)二次風過早混合，在內(nèi)二次風與外二次風的界筒上增加25°擴口，能有效延遲內(nèi)、外二次風混合，較好地實現(xiàn)風包粉的燃燒方式，消除了紊流影響，有效提高風速，解決了噴口結(jié)焦問題。

鍋爐NOX排放量的降低，還為電廠節(jié)省了相當可觀的運行費用。

6 經(jīng)驗總結(jié)

（1）不需改變中心風管直徑。本次中心風管的改造主要是將原來的Φ311mm改為Φ219mm，并取消中心風箱，改為二次風箱供風。中心風的改造比較成功，在中心風截面積減小一半、風壓下降明顯的情況下，中心風量大幅度降低，有效控制中心氧量，不影響油槍燃燒，也能有效控制一次風的擴散角。實驗證明，在中心風門全開的情況下，著火點位于燃燒器出口0.1 m處，氮氧化物最低，燃燒效率也高。中心風全關(guān)狀態(tài)下，著火點位于燃燒器出口1.2 m處，雖能有效控制燃燒區(qū)域中心氧量，但過低的氧量供應(yīng)造成著火點大幅度推后，氮氧化物排量反而升高。因此，應(yīng)重新計算中心風量是否偏小，在降低中心風壓的情況下，可不再降低中心風噴口直徑，維持Φ311mm不變。

（2）對燃燼風不需要進行改造。燃燼風的作用是對爐膛整體進行分級以及頂部助燃。該燃燒器整體分級效果不明顯，頂部助燃由原燃燼風即可完成。改造時為防止燃燼風風量不足，特意將送風大風箱向上延伸，而不是采用燃燼風箱向上延伸的方式。但從結(jié)果來看，是否需要進行燃燼風的改造值得商榷。從改造后的運行狀況來看，即使不開燃燼風，氮氧化物排放水平也能夠控制在200mg/Nm3的水平，開啟燃燼風并控制氧量雖然可以使氮氧化物排放水平更低，但是因燃燒區(qū)域氧量過低，CO濃度很高，燃燼風區(qū)域補氧造成的燃燒當量過大，火焰中心上移，可能導(dǎo)致汽溫、壁溫超限，影響機組安全運行。

（3）增加內(nèi)、外二次風的旋流強度。中心過濃的煤粉必須依靠強烈擾動來燃燼?？梢詫⒃S向葉片改為切向葉片，增強旋流強度，增大回流區(qū)。通過改造后的冷態(tài)試驗，發(fā)現(xiàn)改造后燃燒器中心回流區(qū)較小，主要原因是本次改造在原LNASB的基礎(chǔ)上僅更改了一次風結(jié)構(gòu)，而原內(nèi)、外二次風系統(tǒng)采用軸向葉片，且葉片角度較小，燃燒器旋轉(zhuǎn)能力較弱。可考慮進一步更換燃燒器的二次風結(jié)構(gòu)，將內(nèi)二次風更換為軸向彎曲葉片，外二次風更換為切向葉片，以增加燃燒器的旋轉(zhuǎn)能力，使燃燒器具有更合理的中心回流區(qū)，從而有利于煤粉的燃燼，進一步降低鍋爐NOX的排放。本次技改內(nèi)、外二次風部分未作改動，僅改動一次風管及中心給粉的方式，使得煤粉過于集中，擴散角明顯減小，原回流區(qū)相應(yīng)顯得偏小，從而使穩(wěn)燃和燃燼受到影響。雖然實際運行指標尚佳，但仍可做相應(yīng)改動，以提高鍋爐效率。

（4）低氮燃燒器的低氮手段無非就是濃淡分離、延遲混合、控制燃燒當量、控制主燃區(qū)氧量和爐膛整體分級燃燒等，這些都會造成鍋爐效率下降，所以應(yīng)采用提高煤粉細度、增加煤粉均勻性、優(yōu)化煤粉分配方式的優(yōu)化措施，建議通過改為動態(tài)分離器和優(yōu)化燃燼風的方式彌補鍋爐效率的下降。

（5）因內(nèi)、外二次風之間的25°擴口會影響火檢和打焦孔的布置，所以應(yīng)注意燃燒器改造后火檢和打焦孔的布置。

[1]閻維平.潔凈煤燃燒技術(shù)[M].北京∶中國電力出版社，2002.

[2]岑可法，姚強，駱仲泱，等.燃燒理論與污染控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3]岑可法，姚強，駱仲泱，等.高等燃燒學(xué)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.

[4]姚強，陳超.潔凈煤技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

（本文編輯：徐晗）

Retrofit of Low NOXAxial Swirl Burners

QIU Cheng-yong，CHEN Wen-gang，ZHAO Li-qi，ZHAO Xue-feng，HU Ji-bin
（Zhejiang Datang International Wushashan Power Generation Co.，Ltd，Ningbo Zhejiang 315722，China）

The retrofit of the low NOXaxial swirl burners（LNASB）in Wushashan Power Plant and the technical retrofit achievements of the opposed wall firing system for the new LNASB are introduced.The technical characteristics and problems of the burners found in application are elaborated and the suggestions for further improvement are also made.

boiler；LNASB；low NOX；technical retrofit

TK223.23

：B

：1007-1881（2012）06-0051-04

2011-10-23

邱成勇（1980-），男，湖北隨州人，工程師，主要從事火電廠鍋爐運行管理工作。