對(duì)沖燃燒鍋爐低氮燃燒改造中2種燃燒器的應(yīng)用分析

趙 剛，應(yīng)明良，王 磊，茅建波，戴宇寧

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100029；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3.北京巴布科克·威爾科克斯有限公司，北京 100043）

近幾年來(lái)，我國(guó)先后出臺(tái)了改善大氣環(huán)境質(zhì)量的火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策、火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)于執(zhí)行大氣污染物特別排放限值的公告，對(duì)火電廠大氣污染物如NOX的排放等提出了很高的要求。而國(guó)內(nèi)火電廠早期投運(yùn)的鍋爐低氮燃燒技術(shù)相對(duì)落后，NOX排放濃度普遍較高，要對(duì)早期投運(yùn)的鍋爐NOX進(jìn)行排放濃度控制，由于受現(xiàn)場(chǎng)條件的制約，增設(shè)鍋爐尾部煙氣脫硝裝置的改造難度和工作量較大，且成本較高。相對(duì)而言，低氮燃燒器改造是一種經(jīng)濟(jì)、有效的減排方法。因此，低氮燃燒技術(shù)應(yīng)作為燃煤電廠氮氧化物控制的首選技術(shù)[1]。

1 設(shè)備概況

1.1 改造前概況

某電廠300 MW機(jī)組鍋爐是由北京巴布科克·威爾科克斯有限公司（簡(jiǎn)稱北京巴威）引進(jìn)美國(guó)B&W公司RB鍋爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的亞臨界壓力、單爐膛、一次再熱、自然循環(huán)、平行煙道、單汽包型箱式煤粉爐，型號(hào)為B&WB-1025/17.5-M，鍋爐爐膛寬為13 800 mm，深度為12 300 mm，高為48 500 mm。配用5臺(tái)MPS-ZGM95N型中速磨的直吹式制粉系統(tǒng)，采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，配置20只B&W標(biāo)準(zhǔn)的雙調(diào)風(fēng)DRBXCL型旋流煤粉燃燒器，前后墻各10只，分3層前后對(duì)稱布置，上、中、下分別為2，4，4只。

1.2 改造概況

1.2.1 燃燒器改造

本次改造對(duì)原系統(tǒng)20只燃燒器進(jìn)行了更換，使用美國(guó)B&W公司研制的AireJet以及DRB-4Z型超低NOX雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器替代原有燃燒器。為使最上排燃燒器投運(yùn)時(shí)能使煤粉在爐膛斷面范圍內(nèi)更為均勻，將最上層燃燒器的布置方式由原來(lái)的前、后墻各2只，改為4只燃燒器全部布置在前墻。為滿足下排燃燒器使用微油點(diǎn)火設(shè)備的需要，下排8只燃燒器使用DRB-4Z型燃燒器，其余12只全部使用AireJet型燃燒器。

AireJet燃燒器能夠高效地燃燒煤粉，并可通過(guò)與燃盡風(fēng)噴口聯(lián)合使用來(lái)大幅度降低NOX的排放。同時(shí)，AireJet燃燒器能夠在合適的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)在燃燒器喉口處建立穩(wěn)定的著火點(diǎn)。燃燒器在爐膛內(nèi)的布置既能控制NOX的排放，又能提供完全燃燒所需停留時(shí)間的熱環(huán)境。AireJet燃燒器設(shè)計(jì)獨(dú)特，空氣可直接供到燃燒器的火焰內(nèi)部，使燃燒更加迅速。因而該型燃燒器能在更低的過(guò)量空氣系數(shù)下運(yùn)行，同時(shí)將一氧化碳和飛灰含碳量降到最低。

DRB-4Z燃燒器充分利用了空氣分級(jí)燃燒的特點(diǎn)，煤粉噴口位于燃燒器中心區(qū)，可以有效控制空氣與煤粉在火焰根部的相互作用。二次風(fēng)通過(guò)一次風(fēng)道外側(cè)的3個(gè)環(huán)形風(fēng)道進(jìn)入燃燒器，二次風(fēng)量可以調(diào)節(jié)，其中少量的二次風(fēng)進(jìn)入環(huán)繞在一次風(fēng)道外圍的過(guò)渡區(qū)，以控制火焰中心富燃料區(qū)域的氧量，有利于降低NOX的生成量。在過(guò)渡區(qū)外環(huán)依次是內(nèi)二次風(fēng)區(qū)和外二次風(fēng)區(qū)，二次風(fēng)可分別進(jìn)入這2個(gè)區(qū)域，通過(guò)可調(diào)軸向葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的二次風(fēng)氣流，控制空氣與一次風(fēng)的混合，再通過(guò)控制燃燒率及二次風(fēng)量來(lái)降低NOX的生成量。二次風(fēng)在燃燒過(guò)程中逐漸與初期燃燒的產(chǎn)物混合，完成煤粉的燃盡，從而使NOX的生成降到最低。

1.2.2 燃盡風(fēng)改造

本次改造在燃燒器上部增加10只B&W公司的雙風(fēng)區(qū)燃盡風(fēng)噴口（前、后墻各5只），并固定旋流方向，對(duì)應(yīng)主燃燒區(qū)域燃燒器的旋流方向，以實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí)燃燒。雙風(fēng)區(qū)燃盡風(fēng)噴口中心風(fēng)區(qū)為直流，以保證燃盡風(fēng)有足夠的速度覆蓋爐膛的深度；外環(huán)風(fēng)區(qū)為旋流風(fēng)（可調(diào)），以保證燃盡風(fēng)在爐寬方向的均勻分布。燃盡風(fēng)的進(jìn)風(fēng)量由每只燃盡風(fēng)噴口上的二次風(fēng)套筒進(jìn)行調(diào)節(jié)。

新增加燃盡風(fēng)噴口后，在維持總空氣量不變的情況下，主燃燒區(qū)域的部分風(fēng)量分到上層燃盡風(fēng)風(fēng)箱，主燃燒區(qū)域富燃料環(huán)境得以加強(qiáng)，同時(shí)主燃燒區(qū)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。另一方面，主燃燒區(qū)域燃燒推遲，有利于減少熱力型NOX的生成。燃盡風(fēng)從主燃燒區(qū)域上噴入，以確保前期產(chǎn)生的還原性氣體和未燃盡燃料的燃盡。

2 燃燒調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

2.1 燃燒器開(kāi)度調(diào)整

鍋爐低氮燃燒改造啟動(dòng)后，結(jié)合對(duì)鍋爐燃燒狀況的觀察，首先進(jìn)行了燃燒器二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度及內(nèi)、外二次風(fēng)葉片角度的優(yōu)化調(diào)整工作。調(diào)整后爐膛內(nèi)火焰充盈度好，火焰形狀完整，顏色明亮，無(wú)火焰沖刷側(cè)水冷壁情況，燃燒器區(qū)域水冷壁及燃燒器喉口無(wú)積灰。

試驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)整調(diào)風(fēng)盤(pán)開(kāi)度對(duì)飛灰含碳量影響不大，而外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)飛灰含碳量影響較大，增強(qiáng)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度、減弱外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度會(huì)降低飛灰含碳量，因此將各燃燒器外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度基本調(diào)至最弱。

2.2 AireJet燃燒器層風(fēng)箱風(fēng)門(mén)開(kāi)度調(diào)整

在機(jī)組負(fù)荷為300 MW，B，C，D，E磨運(yùn)行工況下，將AireJet燃燒器層風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度由50%關(guān)至35%時(shí)，NOX排放由380 mg/m3降低至250 mg/m3，可見(jiàn)關(guān)小AireJet燃燒器層風(fēng)門(mén)擋板可降低NOX排放，但風(fēng)門(mén)開(kāi)度低于35%時(shí)，NOX排放值又有所提高，如圖1所示。

2.3 DRB-4Z燃燒器層風(fēng)箱風(fēng)門(mén)開(kāi)度調(diào)整

圖1 NOX隨AireJetTM燃燒器層風(fēng)箱風(fēng)門(mén)開(kāi)度變化趨勢(shì)

在機(jī)組負(fù)荷為300 MW，B，C，D，E磨運(yùn)行工況下，將DRB-4Z燃燒器層風(fēng)箱風(fēng)門(mén)開(kāi)度由50%開(kāi)至85%時(shí)，NOX排放值由280 mg/m3提升到410 mg/m3，風(fēng)門(mén)開(kāi)度再次關(guān)至45%時(shí)，NOX排放值又降至260 mg/m3。風(fēng)門(mén)開(kāi)度低于45%時(shí)，NOX排放值迅速提高，如圖2所示。

圖2 NOX隨DRB-4Z燃燒器層風(fēng)箱擋板開(kāi)度變化趨勢(shì)

2.4 燃盡風(fēng)箱二次風(fēng)風(fēng)門(mén)調(diào)整

在機(jī)組負(fù)荷為300 MW，A，B，D，E磨運(yùn)行工況下，在燃盡風(fēng)風(fēng)箱擋板由100%關(guān)至50%的過(guò)程中，省煤器出口NOX排放由240 mg/m3升高至260 mg/m3，由50%關(guān)至15%的過(guò)程中，省煤器出口NOX排放值由260 mg/m3升至410 mg/m3，由15%關(guān)至8%的過(guò)程中，A側(cè)NOX排放值升至450 mg/m3，B側(cè)NOX排放值升至490 mg/m3。從試驗(yàn)結(jié)果看，隨著燃盡風(fēng)風(fēng)箱擋板開(kāi)度的減小，NOX排放值升高，如圖3所示。

2.5 燃盡風(fēng)噴口二次風(fēng)套筒開(kāi)度調(diào)整

在機(jī)組負(fù)荷為300 MW，A，B，D，E磨運(yùn)行工況下，在燃盡風(fēng)噴口全開(kāi)（250 mm）時(shí)，省煤器出口NOX排放值最小。當(dāng)開(kāi)度關(guān)至100 mm時(shí)，省煤器出口NOX的排放值達(dá)到最高，平均值達(dá)440 mg/m3。由此可見(jiàn)，開(kāi)大燃盡風(fēng)噴口二次風(fēng)套筒開(kāi)度，有利于降低NOX排放，如圖4所示。

圖3 省煤器出口NOX隨燃盡風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度變化趨勢(shì)

圖4 省煤器出口NOX隨燃盡風(fēng)噴口二次風(fēng)套筒開(kāi)度變化趨勢(shì)

2.6 燃盡風(fēng)噴口中心風(fēng)開(kāi)度設(shè)置

關(guān)小燃盡風(fēng)中心風(fēng)擋板開(kāi)度后，單只燃盡風(fēng)噴口進(jìn)風(fēng)量不足，會(huì)引起對(duì)應(yīng)部位的末級(jí)過(guò)熱器超溫，故燃盡風(fēng)噴口中心風(fēng)擋板開(kāi)度全部固定在全開(kāi)狀態(tài)（250 mm）。

2.7 燃盡風(fēng)外二次風(fēng)葉片角度調(diào)整

在機(jī)組負(fù)荷為300 MW，A，B，D，E磨運(yùn)行工況下，燃盡風(fēng)外二次風(fēng)葉片角度由90°關(guān)至25°后，鍋爐NOX排放由330 mg/m3降低至 260 mg/m3。分析認(rèn)為，在二次風(fēng)壓不變的情況下，關(guān)小外二次風(fēng)葉片角度，減小了燃盡風(fēng)噴口的通流面積，燃盡風(fēng)通過(guò)更小的面積進(jìn)入爐膛，增加了燃盡風(fēng)的風(fēng)速，使燃盡風(fēng)更好地覆蓋整個(gè)爐膛的縱深，同時(shí)燃盡風(fēng)噴口外二次風(fēng)旋流較大，很好地覆蓋了爐膛的寬度方向，使NOX明顯下降，如圖5所示。

2.8 備用燃燒器層風(fēng)箱風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度調(diào)整

在機(jī)組負(fù)荷為300 MW，B，C，D，E磨運(yùn)行工況下，備用燃燒器層風(fēng)門(mén)擋板由25%關(guān)至7%，NOX排放由300 mg/m3降低至260 mg/m3；當(dāng)風(fēng)門(mén)關(guān)至7%后，備用燃燒器壁溫有超溫現(xiàn)象；將風(fēng)門(mén)開(kāi)大至15%，燃燒器壁溫超溫現(xiàn)象消失，但NOX排放未見(jiàn)明顯增加。由此可見(jiàn)，關(guān)小備用燃燒器層風(fēng)門(mén)開(kāi)度后，有更多的二次風(fēng)進(jìn)入燃盡風(fēng)風(fēng)箱，強(qiáng)化了空氣分級(jí)燃燒，使得NOX排放值降低，如圖6所示。

圖5 省煤器出口NOX隨外二次風(fēng)葉片角度開(kāi)度變化趨勢(shì)

圖6 省煤器出口NOX隨備用燃燒器層風(fēng)箱擋板開(kāi)度變化趨勢(shì)

2.9 爐膛氧量調(diào)整

在機(jī)組負(fù)荷為300 MW，A，B，D，E磨運(yùn)行工況下對(duì)爐膛氧量進(jìn)行調(diào)整。從圖7看，爐膛氧量由2.6%升到4.4%，NOX排放值由270 mg/m3升到460 mg/m3。隨著爐膛運(yùn)行氧量的升高，燃燒區(qū)域富燃料環(huán)境變差，同時(shí)爐膛燃燒峰值溫度升高，使NOX排放值大大增加。

圖7 省煤器出口NOX隨爐膛運(yùn)行氧量的變化趨勢(shì)

2.10 燃燒器改造前后的排放數(shù)據(jù)對(duì)比

2.10.1 改造前

燃燒器改造前，在機(jī)組負(fù)荷維持300 MW時(shí)進(jìn)行的不同磨煤機(jī)運(yùn)行組合下的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1—表 2。

表1 燃燒器改造前燃煤分析數(shù)據(jù)

表2 燃燒器改造前300 MW負(fù)荷時(shí)不同磨煤機(jī)運(yùn)行組合下的測(cè)試結(jié)果

2.10.2 改造后

經(jīng)過(guò)降低NOX的調(diào)整試驗(yàn)后，在機(jī)組負(fù)荷為300 MW時(shí)進(jìn)行的不同磨煤機(jī)運(yùn)行組合下的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3—表4。

從測(cè)試數(shù)據(jù)看，改造后NOX排放值明顯低于改造前，經(jīng)過(guò)降低NOX的優(yōu)化調(diào)整后，鍋爐NOX排放可控制在280 mg/m3以下。燃燒器改造后飛灰含碳量也基本正常，控制在3%以下。

3 結(jié)論

鍋爐應(yīng)用AireJet和DRB-4Z燃燒器以及加裝雙風(fēng)區(qū)燃盡風(fēng)的低氮燃燒改造，經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后取得了良好的NOX減排效果。

表3 燃燒器改造后燃煤分析數(shù)據(jù)

表4 燃燒器改造后300 MW負(fù)荷時(shí)不同磨煤機(jī)運(yùn)行組合下的測(cè)試結(jié)果

在鍋爐運(yùn)行中，燃盡風(fēng)風(fēng)箱擋板開(kāi)度在50%～100%時(shí)，燃盡風(fēng)噴口二次風(fēng)套筒、中心風(fēng)擋板開(kāi)度全開(kāi)，外二次風(fēng)葉片角度關(guān)小，對(duì)降低NOX的排放有很好的效果。

經(jīng)實(shí)際運(yùn)行摸索，在燃盡風(fēng)風(fēng)箱擋板開(kāi)度50%～100%，AireJet燃燒器層風(fēng)門(mén)開(kāi)度 35%，DRB-4Z層燃燒器風(fēng)門(mén)開(kāi)度在45%～55%時(shí)，可獲得降低NOX的最優(yōu)效果。同時(shí)，在保證燃燒器喉口壁溫不超溫的前提下，盡量關(guān)小備用燃燒器層的風(fēng)箱擋板開(kāi)度，有利于降低NOX排放值。在保證鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)降低爐膛運(yùn)行氧量，同樣有利于降低NOX排放值。在機(jī)組負(fù)荷300 MW時(shí)，省煤器出口NOX排放值由改造前的500～700 mg/m3降低至 280 mg/m3以下。

[1]火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策（環(huán)發(fā)[2010]10號(hào)文）[R].環(huán)境保護(hù)部，2010.

[2]王東平，賈宏祿，劉小平.利港電廠2×350 MW機(jī)組鍋爐低氮燃燒改造及其對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響[J].熱力發(fā)電,2008，37（12）:38-44.

[3]應(yīng)明良，戴成峰，胡偉峰，等.600 MW機(jī)組對(duì)沖燃燒鍋爐低氮燃燒改造及運(yùn)行調(diào)整[J].中國(guó)電力，2011，44（4）:55-58.