W型火焰鍋爐低氮燃燒優(yōu)化改造

李 娟，楊 杰

（華能邯峰發(fā)電廠，河北 邯鄲 056200）

W型火焰鍋爐低氮燃燒優(yōu)化改造

李 娟，楊 杰

（華能邯峰發(fā)電廠，河北 邯鄲 056200）

在闡述了熱力型、燃料型和快速型NOx生成機(jī)理及其控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過剖析某發(fā)電廠2號鍋爐的結(jié)構(gòu)和燃燒特點(diǎn)，對其制定了低氮燃燒優(yōu)化改造方案。方案實(shí)施后，NOx排放量降低超過50 %，效果顯著。

W型火焰鍋爐；低氮燃燒；改造；氮氧化物

0 引言

在燃煤電廠排放的大氣污染物中，氮氧化物（NOx）是一種對生態(tài)環(huán)境和人體健康都有危害，且已經(jīng)成為重點(diǎn)治理對象的大氣污染物。隨著節(jié)能減排政策的深入，各種控制NOx排放的技術(shù)也在實(shí)踐中逐漸成熟。而W型火焰鍋爐本身由于爐膛容積相對較小，爐膛火焰溫度較高，所以排放的NOx單位數(shù)值較高，相對來說也較難控制和治理。

1 NOx生成機(jī)理和目前的控制技術(shù)

NOx主要指NO和NO2，還包括N2O，N2O3，N2O4，N2O5。在燃煤鍋爐生成的NOx中，NO占95 %，N2O大概占5 %，其他形式的NOx占比微乎其微。按照NOx的生成機(jī)理，可以分為3種：熱力型、燃料性和快速型。

1.1 NOx生成機(jī)理

熱力型NOx是空氣中的氮在高溫下氧化而成的，影響熱力型NOx生成的因素主要包括燃燒反應(yīng)的溫度、氧氣的濃度和燃燒反應(yīng)的時間，其中溫度對熱力型NOx生成的影響最大。實(shí)際上，溫度在1 350 ℃以下，熱力型NOx的生成量很少；隨著溫度的上升，熱力型NOx的生成量隨之快速上升；當(dāng)溫度上升到1 600 ℃以上時，熱力型NOx生成量能夠占到總NOx生成量的25 %-30 %。

燃料型NOx生成量占鍋爐燃燒NOx總生成量的70 %-80 %。一般認(rèn)為，燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃燒過程中產(chǎn)生熱分解，再進(jìn)一步氧化生成的，同時還存在NO的還原反應(yīng)。燃料型NOx的生成與還原，不僅與煤種的特性、燃料中氮化合物的狀態(tài)、煤中的氮熱分解時在揮發(fā)分和焦炭中所分配的比例和各組分成分有關(guān)，還與燃燒過程中氧的濃度和燃燒溫度等因素有關(guān)。

快速型NOx的生成是通過燃料中產(chǎn)生的CH原子團(tuán)撞擊N2分子，生成HCN類化合物，再進(jìn)一步氧化生成的，這個反應(yīng)很快，所以生成的NOx稱為快速型NOx。溫度對快速型NOx的影響比較小，與熱力型和燃料型NOx的生成量相比，快速型NOx的生成量要少得多。

一般來說熱力型、燃料型和快速型NOx的生成量和溫度的變化關(guān)系可以用圖1來定性描述。

圖1 NOx生成量和火焰溫度的關(guān)系

1.2 目前的控制技術(shù)

目前，燃煤鍋爐的NOx的燃燒控制技術(shù)比較多，并已在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。適宜于燃煤鍋爐的NOx控制技術(shù)主要有低NOx燃燒器、空氣分級、燃料再燃、煙氣再循環(huán)，根據(jù)NOx減排要求不同，這些技術(shù)既可單獨(dú)使用也可組合使用。

（1） 低NOx燃燒器。通過燃燒器噴嘴的局部煤粉濃縮與燃燒器二次空氣分級參與燃燒，實(shí)現(xiàn)燃燒初期的局部濃淡偏差燃燒，控制燃燒初期的氮基中間產(chǎn)物含量與NOx生成。

（2） 爐內(nèi)空氣分級。為充分利用煤粉火焰初期生成的氮基中間產(chǎn)物，將約20 %-30 %的二次空氣從燃燒器上方的燃燼風(fēng)噴口進(jìn)入爐膛，推遲與一次風(fēng)的混合，使燃燒器區(qū)域的過?？諝庀禂?shù)低于1．0，形成爐膛高度方向的空氣分級燃燒。低NOx燃燒器與空氣分級燃燒相結(jié)合，延長了氮基中間產(chǎn)物在還原性環(huán)境區(qū)域的停留時間，能夠提高整個燃燒系統(tǒng)的NOx控制能力。

（3） 燃料再燃。為改善因低氮燃燒所引起的煤粉燃燼問題，燃料再燃技術(shù)將爐膛分為3個燃燒區(qū)域：主燃區(qū)，采用傳統(tǒng)燃燒器高溫富氧（1．1-1．15）燃燒80 %-85 %煤粉，強(qiáng)化煤粉初期燃燒的同時，伴隨生成大量NOx；再燃區(qū)，15 %-20 %的二次燃料（天然氣為主）從燃燒器上方噴入爐膛，在缺氧（0．7-0．9）條件下生成大量HCN類化合物，用于還原來自主燃區(qū)域的NOx；燃燼區(qū)，剩余二次風(fēng)由OFA（燃燼風(fēng)）噴口送入燃燼區(qū)，富氧（1．15）燃燒未燃燼C與CO。再燃技術(shù)可降低NOx排放約50 %-70 %。

（4） 低氮燃燒優(yōu)化系統(tǒng)。在精確監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化煤粉燃燒系統(tǒng)各參數(shù)之間的非線性對應(yīng)關(guān)系，能夠充分挖掘與發(fā)揮現(xiàn)有燃燒裝置的NOx控制潛力。

2 W型火焰鍋爐簡介和其低氮燃燒方案

2.1 某電廠2號鍋爐簡介

某電廠2號鍋爐容量660 MW，型式為W型火焰、亞臨界п型爐，設(shè)計摻燒煤種為50 %貧煤和50 %無煙煤。由于爐型特點(diǎn)和煤質(zhì)特性，鍋爐燃燒過程中產(chǎn)生的NOx最高到2 200 mg/Nm3。鍋爐采用雙拱形爐膛，并配備6臺D-12-D型雙進(jìn)雙出球磨機(jī)，每臺磨煤機(jī)設(shè)計了6組雙旋風(fēng)筒式燃燒器與分級配風(fēng)方式，燃燒器錯列均勻布置在前后墻拱上，煤粉氣流往下噴射形成“W”火焰。W型火焰不僅具有較長的火焰行程，而且高溫火焰能夠回流卷吸到燃燒器火焰根部，有利于提高煤粉的快速著火與穩(wěn)燃。

鍋爐爐膛采用膜式水冷壁，爐膛寬度為34 480 mm，上爐膛深度為9 525 mm，下爐膛深度為15 631 mm，爐膛高度（爐膛至頂棚）為39 680 mm，最低燃燒器至灰斗高度為8 030 mm，上排燃燒器至屏過距離為20 390 mm。由于鍋爐本身爐膛容積相對較小，且制粉系統(tǒng)與燃燒器設(shè)備存在的不足，鍋爐燃燒過程中NOx排放量較高。鍋爐在滿負(fù)荷下，無煙煤摻燒比例在14．6 %-27．8 %時，NOx排放量約為1 600-2 200 mg/Nm3。

2.2 W型火焰鍋爐的基本改造方案

為了燃燒難燃無煙煤，下沖火焰W型鍋爐通常采取高煤粉濃度、高溫、高氧量集中送風(fēng)、高停留時間方式組織燃燒，而高氧量集中送風(fēng)則是造成鍋爐NOx排放濃度高達(dá)1 600-2 200 mg/Nm3的主要原因，且其中熱力型NOx所占比例較高，這也是無煙煤W型鍋爐通過燃燒控制NOx難度高的主要原因。

現(xiàn)代低NOx燃燒技術(shù)將煤質(zhì)、制粉系統(tǒng)、燃燒器、二次風(fēng)及燃燼風(fēng)等技術(shù)作為一個整體考慮，以低NOx燃燒器與空氣分級為核心，在爐內(nèi)組織燃燒溫度、氣氛與停留時間，形成早期的、強(qiáng)烈的、煤粉快速著火欠氧燃燒，利用燃燒過程產(chǎn)生的氨基中間產(chǎn)物來抑制或還原已經(jīng)生成的NOx。針對W型火焰鍋爐，如何在高溫下組織爐內(nèi)空氣分級燃燒，尤其是控制高溫區(qū)域內(nèi)的含氧量是抑制NOx生成濃度的關(guān)鍵。此外，還需兼顧煤粉燃燼、防結(jié)渣與防腐蝕等問題。

（1） 低NOx燃燒器。煤粉燃燒器的首要任務(wù)是燃燒，W型火焰鍋爐除采用長火焰大回流燃燒方式外，還采用細(xì)煤粉（篩余R90與煤的揮發(fā)分?jǐn)?shù)值相近）、低一次風(fēng)煤比（約1．2）、煤粉濃縮（濃縮分離后，濃相一次風(fēng)煤比約0．7）、低一次風(fēng)率（15 %-20 %）、低射流速度（10-15 m/s）、一次風(fēng)粉預(yù)熱（風(fēng)粉溫度通常約100 ℃，一次風(fēng)粉置換或熱風(fēng)送粉可達(dá)190 ℃）及噴嘴穩(wěn)燃鈍體等措施，來降低煤粉的著火熱，提高揮發(fā)分的析出速率和析出量。高濃度煤粉在高溫?zé)煔庵械臐獾钊紵环矫婺軌驅(qū)崿F(xiàn)煤粉的早期著火燃燒，同時還為在火焰鋒面上通過缺氧氣氛控制早期的燃料型NOx生成創(chuàng)造了有利條件。

（2） 爐內(nèi)空氣分級。為增加濃相煤粉在欠氧氣氛區(qū)域內(nèi)的停留時間，充分利用燃燒初期產(chǎn)生的氨基中間產(chǎn)物，提高燃燒過程中的NOx自還原能力，通常推遲燃燒器區(qū)域的二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合，并在爐膛上部布置一層或多層高位燃燼風(fēng)，在爐內(nèi)縱向形成大范圍的空氣分級燃燒。W型火焰鍋爐早期在燃燒室內(nèi)采取多級分級配風(fēng)，減少燃燒初期的助燃空氣的摻入量；當(dāng)前則還將部分助燃空氣從二次風(fēng)中分離構(gòu)成SOFA（分離式燃燼風(fēng)），使燃燒器區(qū)域的過剩空氣系數(shù)小于0．8-0．9，控制燃燒初期的燃料型NOx，并通過燃燼風(fēng)的后期加入，完成焦炭、CO及其他中間產(chǎn)物的燃燼。

將高效低NOx燃燒器與空氣分級相結(jié)合，這是一般鍋爐燃燒過程中控制NOx生成的主要措施。對于燃燒無煙煤的W型火焰鍋爐，由于煤粉著火特性較差，燃燒過程中的NOx控制難度相對要大一些。

3 低氮燃燒改造

該發(fā)電廠2號鍋爐低氮燃燒改造采用了“引射回流、多點(diǎn)分級”的低氮燃燒技術(shù)。低氮燃燒改造范圍如圖2所示，主要包括：燃燒器改造，即采用2級煤粉濃淡分級+高低速噴口的新型燃燒器；增加拱上二次風(fēng)噴口；增加AB風(fēng)門，用于控制拱上二次風(fēng)；D/E風(fēng)門開度完善；F風(fēng)下傾改造；增加OFA系統(tǒng)；衛(wèi)燃帶優(yōu)化改造。

圖2 低氮燃燒改造范圍示意

3.1 燃燒器改造

將原有36臺百葉窗濃淡分離式燃燒器更換為36臺配有2級煤粉濃淡分離裝置+高低速噴嘴的新型燃燒器。燃燒器主噴嘴及乏氣噴嘴的數(shù)量和位置與改造前基本一致，即每個燃燒器具有2個主噴嘴（安裝在原主噴嘴位置）、1個乏氣噴嘴（從油槍風(fēng)噴口伸入爐膛，由于乏氣管處溫度較高，原來的陶瓷防磨改為更能耐高溫的SIC膠泥防磨）。本次改造采用的新型燃燒器通過采用2級煤粉濃淡分離裝置可以提高煤粉分離效果，同時采用高低速噴口在主噴口出口處形成外濃內(nèi)淡、外低速內(nèi)高速的濃煤粉氣流形態(tài)，可有效促進(jìn)濃煤粉氣流著火并保證濃煤粉氣流下射剛性，為低氮燃燒創(chuàng)造條件。

3.2 增加拱上二次風(fēng)噴口

本次低氮改造在燃燒器側(cè)后方前、后爐拱上各增加20個拱上二次風(fēng)噴口，將大量二次風(fēng)由拱下F風(fēng)噴口移至拱上向下送入爐膛，使其卷吸高溫?zé)煔?，增?qiáng)高溫?zé)煔饣亓髦翝饷悍蹥饬鞲?，促進(jìn)濃煤粉氣流著火，引射并攜帶濃煤粉氣流下行，提高濃煤粉氣流下射深度，有利于控制飛灰可燃物含量；同時拱上二次風(fēng)分級補(bǔ)入濃煤粉氣流中，有利于控制NOx排放量。本次低氮燃燒改造中新增加的40個拱上二次風(fēng)噴口中，位于爐膛4個角（防止翼墻與側(cè)墻結(jié)焦）及中心線附近的總共8個拱上二次風(fēng)噴口，每個噴口需改造3根水冷壁管；其余32個拱上二次風(fēng)噴口，每個需改造5根水冷壁管，共計拱上水冷壁管需改造184根，涉及管子對接焊縫約371道。在新更換的水冷壁管下部焊接衛(wèi)燃帶耙釘，待鍋爐水壓試驗(yàn)完成后，采用剛玉自流料對拱上衛(wèi)燃帶進(jìn)行恢復(fù)澆筑。

3.3 新增AB風(fēng)門

本次低氮燃燒改造將大量二次風(fēng)由拱下F風(fēng)噴口移至拱上，通過新增拱上二次風(fēng)噴口送入爐膛，但根據(jù)負(fù)荷變化以及煤質(zhì)變化需對拱上二次風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。因此，本次低氮燃燒改造將原尺寸較小的AB風(fēng)門去除，安裝36臺尺寸為1 000 mm×680 mm的新AB風(fēng)門，用于控制拱上二次風(fēng)量與燃燒器噴口冷卻風(fēng)量。

3.4 D/E風(fēng)門開度完善

由于D/E風(fēng)送入位置在煤粉氣流根部，溫度較低的D/E風(fēng)送入不利于煤粉氣流的著火；但同時考慮到該部位爐膛結(jié)焦情況，本次低氮燃燒改造D/E風(fēng)門開度全部關(guān)至較小的10 %開度。

3.5 F風(fēng)下傾改造

本次低氮燃燒改造將大量二次風(fēng)由拱下F風(fēng)噴口移至拱上新增的二次風(fēng)噴口送入爐膛。為了保證F風(fēng)的入射速度，達(dá)到繼續(xù)引射煤粉氣流下行的作用，并提高煤粉氣流的下射深度，保證煤粉顆粒在爐內(nèi)的停留時間，本次低氮燃燒改造重新制作F風(fēng)導(dǎo)流裝置取代原有導(dǎo)流裝置。新的F風(fēng)導(dǎo)流裝置下傾20°布置，同時采用孔隙率較小的均流板對F風(fēng)噴口上半部分進(jìn)行封堵，以在較小風(fēng)量下保證F風(fēng)入射速度。

3.6 新增OFA系統(tǒng)

本次低氮燃燒改造在上爐膛前后墻標(biāo)高為+28 640 mm處分別增加20組OFA噴口（前后墻共40組）。其中爐膛兩側(cè)的2組OFA噴口采用方形噴口（前后墻共4組），噴口尺寸為300 mm× 300 mm，設(shè)計風(fēng)速為50 m/s，入射角度可在水平0°與下傾30°之間調(diào)節(jié)，以消除爐膛兩側(cè)自由上行的煙氣通道，可進(jìn)一步提高燃燒效率及保證較低的NOx，CO的排放。其余36組OFA噴口采用直流外旋流的出口氣流形式，同時OFA噴口下傾15°布置，該OFA噴口較原鍋爐有如下2點(diǎn)改進(jìn)：

（1） OFA噴口整體長度由1 025 mm減小至690 mm；

（2） 中心直流風(fēng)噴口直徑由Φ253 mm增加至Φ335mm。

OFA取至環(huán)形二次風(fēng)箱左右側(cè)，OFA風(fēng)箱從環(huán)形二次風(fēng)箱左右兩側(cè)各引出2個風(fēng)道延伸得到，其中上爐膛前后墻外燃燼風(fēng)風(fēng)道尺寸為1 470 mm× 2 100 mm，較原鍋爐1 400 mm×2 000 mm，通流面積增加了約10 %。以上改進(jìn)可進(jìn)一步減小燃燼風(fēng)阻力損失，提高燃燼風(fēng)入射速度，使燃燼風(fēng)與煙氣的后期混合更為充分，可進(jìn)一步提高燃燒效率及保證較低的NOx，CO排放。新增的OFA風(fēng)箱4個角安裝電動調(diào)節(jié)門和風(fēng)量測量裝置，以控制及測量OFA系統(tǒng)的風(fēng)量。需對新增的每個方形OFA噴口的4根水冷壁管進(jìn)行改造，共計對4×4=16根水冷壁管進(jìn)行了改造；需對每個內(nèi)直流外旋流的OFA噴口的6根水冷壁管進(jìn)行改造，共計對36×6=216根水冷壁管進(jìn)行了改造。共計對40組OFA噴口的232根水冷壁管進(jìn)行了改造，加上個別吹灰器水冷壁管拉直處理，OFA噴口安裝共涉及約541道管子對接焊縫的焊接。

4 結(jié)束語

該發(fā)電廠2號鍋爐于2015-01-22T14：00開啟送風(fēng)機(jī)，并于22：00投油點(diǎn)火。鍋爐啟動過程中，當(dāng)2號機(jī)組負(fù)荷達(dá)到330 MW時，鍋爐撤出全部油槍，此時燃燒穩(wěn)定，汽水參數(shù)正常，啟動過程中未發(fā)現(xiàn)任何因低氮燃燒改造而出現(xiàn)的問題。改造后該機(jī)組正常運(yùn)行將近9個月，鍋爐燃燒穩(wěn)定，汽水參數(shù)正常，減溫水低于改造前水平，初步調(diào)整后NOx排放量降低。通過本次低氮燃燒改造，優(yōu)化工況下NOx排放量可降至752 mg/Nm3，相對于改造前NOx排放量降低超過50 %。

1 樊泉桂．鍋爐原理［M］．北京：中國電力出版社，2008．

2 閻維平．清潔煤發(fā)電技術(shù)［M］．北京：中國電力出版社，2002．

2015-09-16；

2016-04-13。

李 娟（1978-），女，工程師，主要從事集控運(yùn)行工作，email：chicheng_01@126．com。

楊 杰（1984-）， 男，工程師，主要從事鍋爐運(yùn)行工作。