中間倉儲(chǔ)式熱風(fēng)送粉貧煤鍋爐低氮燃燒器改造

楊海勇，熊顯巍，冉桂林

(1.中節(jié)環(huán)立為(武漢)能源技術(shù)有限公司，武漢 430000；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

0 引言

煤燃燒過程中生成的NOx有熱力型、瞬時(shí)反應(yīng)型和燃料型：前兩者是空氣中的氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)生成的，主要受反應(yīng)溫度的影響，可統(tǒng)稱為高溫型NOx；燃料型NOx中的氮來源于燃料，因此燃料型NOx生成量與煤中氮元素含量、存在形式以及燃燒反應(yīng)氛圍有極大關(guān)系[1-2]。煤粉燃燒生成的NOx中，燃料型NOx占80%～90%，其余10%～20%為高溫型NOx[1,3-4]。煤粉燃燒過程中，通過分級(jí)燃燒降低燃燒溫度、控制燃燒氧量是降低NOx的主要技術(shù)手段。但分級(jí)燃燒容易導(dǎo)致飛灰含碳量和排煙溫度升高，降低鍋爐效率[4-7]，對(duì)于燃用貧煤且采用鋼球磨煤機(jī)中間倉儲(chǔ)式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)的鍋爐，以上問題更為突出[2,4,8-9]。本文針對(duì)這種鍋爐，提供了一種將三次風(fēng)進(jìn)行濃淡分離，重新布置三次風(fēng)噴口的改造方案，并在工程應(yīng)用中取得了很好的效果。

1 設(shè)備及系統(tǒng)簡介

WGZ1025/17.5-6型鍋爐為亞臨界Π形自然循環(huán)汽包鍋爐。鍋爐采用鋼球磨煤機(jī)中間倉儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)，熱風(fēng)送粉，直流式百葉窗水平濃淡燃燒器，四角布置，爐內(nèi)四角雙切圓燃燒方式，尾部雙煙道，煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，容克式三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，固態(tài)排渣。

鍋爐的設(shè)計(jì)煤種三次風(fēng)風(fēng)率為17.3%，校核煤種為19.0%。一、二次風(fēng)的切圓直徑分別為802，974 mm。

每個(gè)燃燒器共布置14層噴口，包括4層一次風(fēng)噴口、7層二次風(fēng)噴口(其中3層布置有啟爐燃油裝置)、2層三次風(fēng)噴口及1層燃盡風(fēng)噴口，如圖1所示。二次風(fēng)一部分風(fēng)作為燃料風(fēng)，設(shè)在每個(gè)一次風(fēng)煤粉噴口的兩側(cè)，與一次風(fēng)相間布置，以此形成均等配風(fēng)；一部分風(fēng)作為頂部燃盡風(fēng)，經(jīng)燃燒器頂部的二次風(fēng)噴口送入爐膛。所有二次風(fēng)都通過電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)二次風(fēng)門來調(diào)節(jié)。整個(gè)燃燒器高度為8 444 mm，最上層燃燒器距大屏底19.08 m。燃燒器特性參數(shù)(鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況)見表1。

表1 原燃燒器特性參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of the original burner

圖1 原燃燒器布置Fig.1 Configuration of the original burner

2 改造技術(shù)思路

燃燒過程中，燃料中含氮有機(jī)化合物在氧化性條件下會(huì)生成NOx，但在缺氧條件下會(huì)和NO反應(yīng)生成N2，只要溫度不是特別高，就不會(huì)生成NOx。而對(duì)于熱力型NOx，隨著反應(yīng)溫度的升高，NO生成速度呈指數(shù)級(jí)增加，當(dāng)燃燒溫度高于1 400 ℃時(shí)，溫度每提高100 ℃，反應(yīng)速率提高6～7倍[1,10]。

因此，采用分級(jí)燃燒降低主燃燒區(qū)域氧量及火焰溫度是降低NOx的主要技術(shù)手段。但由于分級(jí)燃燒降低了主燃燒區(qū)域氧量，增加了后期煤粉顆粒的燃盡時(shí)間，對(duì)于已投運(yùn)的鍋爐，由于爐膛尺寸限制，無法增加燃燒時(shí)間，因此，必須采取其他有效措施增強(qiáng)燃燒的可靠性。

3 改造難點(diǎn)及改造方案

3.1 改造難點(diǎn)

分級(jí)燃燒通常需要將30%左右的二次風(fēng)引到燃燒器上部，保持主燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)在0.8左右[4,11]。此次改造采用中間倉儲(chǔ)式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)，三次風(fēng)帶有15%～20%的粉，本身風(fēng)量占總風(fēng)量的19%左右，實(shí)際運(yùn)行中，由于煤粉含水量增加等原因，三次風(fēng)量往往大于設(shè)計(jì)值。如果將大量的二次風(fēng)引入上部作為分級(jí)風(fēng)使用，那么三次風(fēng)下部主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)將小于0.7，加上主燃燒器上部冷三次風(fēng)的注入，會(huì)導(dǎo)致煤粉燃燒工況變差，飛灰、爐渣含碳量必然大幅度增加；同時(shí)，燃燒火焰中心向上偏移，會(huì)引起過熱器、再熱器超溫，降低鍋爐的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

對(duì)于燃盡特性良好的煙煤，通過燃燒器濃淡分離技術(shù)來提高燃燒器著火、燃盡性能，效果較好，但對(duì)于燃盡特性差的貧煤、無煙煤，效果通常不理想[4,6]。原設(shè)計(jì)煤種的著火穩(wěn)定指數(shù)為4.64、燃盡指數(shù)為2.73，改造設(shè)計(jì)煤種著火穩(wěn)定指數(shù)為4.77、燃盡指數(shù)為2.86，均屬于難著火、難燃盡煤[4]。

煤質(zhì)的難燃盡性以及大量低溫三次風(fēng)的存在都使得分級(jí)配風(fēng)很困難，難以兼顧降低NOx與保證煤粉燃燒穩(wěn)定性，需要采用更合理的方式來布置三次風(fēng)噴口。

3.2 改造方案

針對(duì)鍋爐原設(shè)計(jì)情況和入爐煤質(zhì)特性，在燃燒器上方增加1組分離燃盡風(fēng)(SOFA)燃燒器(4層噴口)，約占總風(fēng)量的30%。SOFA燃燒器噴嘴可在垂直方向±30°擺動(dòng)，同時(shí)可以水平方向手動(dòng)±15°擺動(dòng)；每個(gè)噴嘴均有調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板對(duì)噴嘴的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了分級(jí)燃燒的分級(jí)效果以及分級(jí)燃燒的可調(diào)節(jié)性。

為避免二次風(fēng)分級(jí)后燃燒區(qū)氧量過低以及提高后期煤粉混合，降低飛灰含碳量，將E層三次風(fēng)進(jìn)行濃淡分離，分為上下濃淡2層，將原E層含有極少量煤粉的約50%空氣，經(jīng)淡相出口引入原DE層，替代原二次風(fēng)噴口，而另外含有大量煤粉的約50%空氣被引入到原CD層；同時(shí)，適當(dāng)降低新的CD，DE層的三次風(fēng)速。

安裝時(shí)將CD，DE，F(xiàn)層三次風(fēng)及D層一次風(fēng)噴口下傾10°，并將最上層燃盡風(fēng)(OFA)噴口二次風(fēng)擋板封閉，僅留少量冷卻風(fēng)量。改造后燃燒器特性參數(shù)見表2。

采用此種布置方式后，下層三次風(fēng)的投入可以增加主燃燒區(qū)域氧量，主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)能保持在0.8左右。通過濃淡分離技術(shù)提高了C，D層的煤粉濃度，增強(qiáng)了還原性氣氛。C，D層雖然位于燃燒器、爐膛的高溫區(qū)域，但由于一次風(fēng)噴口采用了上下濃淡中間帶穩(wěn)燃鈍體的燃燒器，降低了一次風(fēng)流速，因此將E層的冷三次風(fēng)投入到此區(qū)域不會(huì)影響燃燒的穩(wěn)定性，同時(shí)還可以降低高溫區(qū)域熱力型NOx的生成。而速度較高的CD，DE，F(xiàn)層的下傾三次風(fēng)有利煤粉與上升的熱煙氣充分混合，降低飛灰、爐渣含碳量，提高燃燒效率。改造后燃燒器立面布置及分離器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表2 改造后燃燒器特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of the burner after retrofit

圖2 改造后燃燒器布置及分離器結(jié)構(gòu)Fig.2 Configuration of the burner and structure of the separator after retrofit

4 改造前、后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比及分析

改造前、后運(yùn)行煤種分析數(shù)據(jù)見表3，由表3可以看出，改造后的煤質(zhì)與改造前的煤質(zhì)相比，揮發(fā)分略低，固定碳略高，熱值基本相同。

表3 改造前、后運(yùn)行煤種分析數(shù)據(jù)Tab.3 Analysis data of coal before and after retrofit

改造前、后省煤器出口煙氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。由表4可以看出，改造后，在煤質(zhì)揮發(fā)分下降的情況下，省煤器出口NOx排放質(zhì)量濃度從620.75 mg/m3降至487.13 mg/m3，降低了大約22%；同時(shí)，不同負(fù)荷下鍋爐飛灰含碳量平均值從4.03%降至1.69%，爐渣含碳量平均值從10.68%降至8.35%，省煤器出口煙氣溫度下降了約10 ℃。

改造后，鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)，主蒸汽、再熱蒸汽均達(dá)到了設(shè)計(jì)值，達(dá)到了低氮改造預(yù)期的目標(biāo)，同時(shí)降低了飛灰、爐渣含碳量以及排煙溫度，提高了鍋爐效率。

表4 改造前、后省煤器出口煙氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of flue gas at the economizer outlet before and after retrofit

5 結(jié)束語

對(duì)于采用鋼球磨煤機(jī)中間倉儲(chǔ)式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)且燃燒貧煤的鍋爐，在進(jìn)行分級(jí)送風(fēng)低氮改造的過程中，能否合理布置三次風(fēng)噴口對(duì)于改造的效果有較大的影響，本文提出了一種將部分三次風(fēng)進(jìn)行濃淡分離，并將三次風(fēng)下移的布置方式，在工程實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的改造效果。