300 MW燃煤鍋爐低氮燃燒器改造及試驗研究

王彥菊，劉建航，楊志杰，劉學(xué)書，馬國智

（國家能源菏澤發(fā)電有限公司，山東 菏澤 274032）

0 引言

為響應(yīng)國家“節(jié)能減排”政策號召［1-2］，在保證改造后鍋爐安全運行且鍋爐效率達(dá)到性能要求的前提下［3-4］，需積極對燃煤機組鍋爐進(jìn)行低氮燃燒改造。本文通過更換低氮燃燒器，新增燃盡風(fēng)（OFA）燃燒器，進(jìn)行空氣分級、布置分級風(fēng)、乏氣風(fēng)等一系列措施，起到降低NOx排放的效果，尤其是解決中低負(fù)荷（240 MW及以下）時氮氧化物排放濃度高的問題，減輕了脫硝、脫硫系統(tǒng)運行壓力，達(dá)到了火電機組排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 機組概況

某300 MW機組鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)加內(nèi)螺紋管、單爐膛、全懸吊、平衡通風(fēng)、W型火焰、露天布置、固態(tài)排渣燃煤汽包爐，布置6臺給煤機，爐后尾部標(biāo)高12.42 m，布置兩臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器［5］，原設(shè)計在爐膛前后火拱上分三排布置了24組狹縫式燃燒器，鍋爐燃燒系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 燃燒系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

為摸清該機組鍋爐內(nèi)部燃燒狀況和NOx生成特性，對其進(jìn)行鍋爐熱態(tài)性能模擬試驗，試驗工況及測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗工況及測試數(shù)據(jù)

由表2分析可以發(fā)現(xiàn)，鍋爐主要存在兩個方面的問題：滿負(fù)荷下鍋爐NOx排放量高達(dá)1 282.77 mg/Nm3（O2=6%）；鍋爐燃燒效率較低。

2 解決方案

針對鍋爐燃燒系統(tǒng)存在的問題，在不影響鍋爐總體性能的前提下，進(jìn)行低氮燃燒器改造［6-7］，改造后前后拱共布置12個燃燒器單元，上爐膛新增16個OFA燃燒器，下爐膛前后墻共布置24個分級風(fēng)噴口。

為降低鍋爐NOx排放值采取的主要措施：將乏氣風(fēng)引到爐拱下方，提高主燃燒區(qū)的燃燒穩(wěn)定性；更換新型低氮燃燒器及煤粉分離裝置；進(jìn)行空氣分級，降低主燃燒區(qū)的氧量；增強一次風(fēng)氣流剛性，提高下爐膛的充滿度以及煤粉停留時間和NOx還原反應(yīng)時間；增強分級風(fēng)剛性，提高分級風(fēng)對火焰后期的托舉與混合。

為降低爐底熱風(fēng)對下爐膛燃燒區(qū)域氧量的影響，在設(shè)計時，經(jīng)過多個負(fù)荷的計算，保證各負(fù)荷下爐底熱風(fēng)占總風(fēng)量6%左右［8］。中低負(fù)荷多余的爐底熱風(fēng)從燃盡風(fēng)送入爐膛，維持主燃燒區(qū)的化學(xué)當(dāng)量，以解決中低負(fù)荷工況時氮氧化物排放濃度高的問題［9］。

2.1 低氮燃燒器改造

將原有的12只縫隙式燃燒器更換為中心風(fēng)旋流燃燒器，布置在下爐膛拱上，并與垂直方向形成5°的入射角。點火油槍、油火檢探頭安裝在燃燒器旋流二次風(fēng)導(dǎo)管外側(cè)，燃燒器外側(cè)安裝有相應(yīng)的導(dǎo)管。煤火檢、看火孔安裝于燃燒器旋流二次風(fēng)通道內(nèi)。另外，外環(huán)二次風(fēng)葉片設(shè)置為可調(diào)葉片，增加燃燒器對煤種的適應(yīng)性，燃燒器基本構(gòu)造如圖1所示。

圖1 燃燒器基本構(gòu)造

2.2 增設(shè)OFA噴口

在燃燒器風(fēng)箱拱上增設(shè)一層OFA噴口以實現(xiàn)分級燃燒。OFA噴口位置在燃燒器風(fēng)箱拱上適當(dāng)位置（標(biāo)高27 100 mm），噴口傾斜向下15°布置。OFA噴口與原燃燒器對應(yīng)布置，前后墻各布置8只，共16只。前后墻左右側(cè)靠邊均為貼壁OFA，共4只。

2.3 煤粉濃縮器改造

鍋爐原設(shè)計為旋風(fēng)筒式煤粉濃縮器，裝置阻力大，低一次風(fēng)速加上縫隙式結(jié)構(gòu)致使主火焰剛性差，煤粉顆粒需依靠周圍的二次風(fēng)引流。要提高煤粉顆粒在下爐膛的停留時間就需要增加一次風(fēng)速，提高煤粉氣流自身的剛性。因此，將原旋風(fēng)筒式煤粉分離器更換為低阻力的煤粉濃縮器。

受到設(shè)備安裝位置限制，現(xiàn)場共布置了2種分離器。其中分離式濃縮器8只，彎頭式濃縮器4只。鍋爐原有的旋風(fēng)筒分離裝置，純一次風(fēng)壓力損失為1 200 Pa，而新改造的分離式煤粉濃縮器和彎頭式煤粉濃縮器，純一次風(fēng)壓力損失約為300 Pa。通過提高一次風(fēng)速，在保證改造后燃燒效果不變的前提下，不會增加一次風(fēng)總阻力［10］。

由于分離式煤粉濃縮器的直段長度有要求，煤粉管道標(biāo)高不足的4只燃燒器入口布置彎頭式分離器。彎頭式分離器結(jié)構(gòu)如圖2所示，來自磨煤機的一次風(fēng)煤粉氣流在煤粉管道彎頭前，經(jīng)一段偏心異徑管加速，一次風(fēng)氣流中部及彎頭外側(cè)的煤粉顆粒由于慣性顆粒的離心作用，沿彎頭外側(cè)內(nèi)壁流動，而彎頭內(nèi)側(cè)的煤粉顆粒在撞擊彎頭中舌型板后，也能隨一次風(fēng)氣流向彎頭外側(cè)聚集。通過彎頭及舌型板的分離作用，能使50%的一次風(fēng)和10%～15%煤粉分離，經(jīng)乏氣管垂直向下引到乏氣噴口直接噴入爐膛燃燒，其余50%的一次風(fēng)和85%～90%煤粉由燃燒器一次風(fēng)噴口噴入爐內(nèi)燃燒。其他燃燒器入口段的煤粉管道內(nèi)增設(shè)分離式煤粉濃縮器，以實現(xiàn)煤粉的濃淡分離。

圖2 彎頭式分離器結(jié)構(gòu)

煤粉氣流經(jīng)過分離器中的擴散裝置，煤粉顆粒向管道壁運動，與一次風(fēng)進(jìn)行第一次分離。然后煤粉氣流通過布置在管道壁的離心葉片發(fā)生旋轉(zhuǎn)，煤粉顆粒在離心力作用下向管道壁運動，在近煤粉管道壁形成濃相煤粉，小顆粒則集中在管道中心，從而在管道中形成了外濃內(nèi)淡的煤粉氣流。該氣流通過分岔管，將兩股氣流分別從管道中引出。該裝置分離效率超過85%，阻力僅330 Pa左右，可為煤粉氣流的著火創(chuàng)造有利條件。

2.4 乏氣風(fēng)優(yōu)化布置

改造過程中對乏氣風(fēng)進(jìn)行了優(yōu)化布置，將每只燃燒器由煤粉濃縮器分離出的乏氣風(fēng)管道向下引至下爐膛垂直段標(biāo)高19 400 mm處，下傾35°引入下爐膛，乏氣風(fēng)噴口與燃燒器主噴口的豎直平面錯開布置。乏氣風(fēng)管道設(shè)置氣動關(guān)斷門，并增設(shè)可調(diào)縮孔，通過改變?nèi)紵饕淮物L(fēng)與乏氣風(fēng)之間的風(fēng)量分配，實現(xiàn)鍋爐煤種變化時調(diào)節(jié)，增強鍋爐煤種適應(yīng)性。

2.5 分級風(fēng)優(yōu)化布置

鍋爐原分級風(fēng)系統(tǒng)從拱下前后墻下傾50°，通過縫隙進(jìn)入爐膛，由于管子的影響、縫隙的結(jié)構(gòu)限制，剛性、穿透性差，不利于火焰的托舉以及飛灰和大渣含碳量的降低。改造過程中將下傾角度調(diào)整為25°，并提高分級風(fēng)風(fēng)量，同時將分級風(fēng)更改為圓形噴口，提高氣流的剛性。這樣既可提高在垂直方向的分級，降低NOx濃度，又可提高分級風(fēng)的穿透性，增強分級風(fēng)與煙氣的混合。

2.6 拱上二次風(fēng)布置

燃燒器更換和乏氣風(fēng)優(yōu)化布置后，需相應(yīng)對拱上二次風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的拱上二次風(fēng)布置如圖3所示。本次改造拱上二次風(fēng)的設(shè)計結(jié)合了旋流燃燒器及直流狹縫式燃燒器的特點，采用燃燒器中心風(fēng)、外環(huán)二次風(fēng)與拱上狹縫二次風(fēng)相結(jié)合的配風(fēng)形式。改造后可通過調(diào)節(jié)擋板，對每只燃燒器對應(yīng)的拱上二次風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 拱上二次風(fēng)優(yōu)化布置圖

每個燃燒單元布置方形二次風(fēng)噴口，由于該噴口和一次風(fēng)間隔布置且風(fēng)速較高，可以避免二次風(fēng)過早與燃燒器一次風(fēng)射流匯合，有利于形成合理的分級配風(fēng)，使煤粉燃燒初期處于還原性氣氛，對于抑制NOx排放更為有利。靠近角部的燃燒器外側(cè)布置有長條二次噴口，對側(cè)墻水冷壁起到保護(hù)作用，避免結(jié)焦。

2.7 衛(wèi)燃帶優(yōu)化布置

鍋爐原設(shè)計燃用無煙煤，本次低氮改造設(shè)計燃用貧煤。為確保低氮燃燒改造后燃燒穩(wěn)定，爐內(nèi)結(jié)焦情況可控，通過優(yōu)化衛(wèi)燃帶以杜絕大焦塊掉落造成安全事故［11］。根據(jù)鍋爐現(xiàn)運行情況及改造后爐內(nèi)的燃燒情況，在維持現(xiàn)有衛(wèi)燃帶總面積的前提下，合理調(diào)整衛(wèi)燃帶的位置及形式。為避免噴口處結(jié)焦，在乏氣風(fēng)噴口和分級風(fēng)噴口位置設(shè)置隔離帶。因此，低氮燃燒改造時會增加衛(wèi)燃帶的總面積（在翼墻和左右側(cè)墻增加），以達(dá)到“W”型鍋爐穩(wěn)燃的需求。對增加的衛(wèi)燃帶進(jìn)行區(qū)域成塊處理，確保在穩(wěn)燃的同時避免衛(wèi)燃帶大塊結(jié)焦。

2.8 風(fēng)箱風(fēng)道改造

改造后的供風(fēng)系統(tǒng)由原燃燒器分隔風(fēng)箱及其分風(fēng)道和新增的OFA風(fēng)箱及其分風(fēng)道組成。在主風(fēng)道上引出OFA分風(fēng)道。在OFA分風(fēng)道上設(shè)置風(fēng)量測量裝置，并設(shè)有電動調(diào)節(jié)擋板，以調(diào)節(jié)OFA風(fēng)量分配，適應(yīng)燃料及運行工況的變化。在分風(fēng)道采用金屬膨脹節(jié)，吸收鍋爐及主風(fēng)道的膨脹差。OFA風(fēng)道布置充分考慮現(xiàn)有鋼架位置，合理布置OFA分風(fēng)道走向。

2.9 翼墻風(fēng)增設(shè)

由于“W”型鍋爐的燃燒特點，無煙煤或貧煤的燃燒較易結(jié)焦，特別是翼墻的位置如果結(jié)大焦，將會對鍋爐安全造成較大影響。設(shè)計風(fēng)量時，取一小部分風(fēng)作為翼墻防焦風(fēng)，以解決鍋爐翼墻結(jié)焦的問題。在翼墻頂各角開翼墻風(fēng)孔，從頂部向下吹風(fēng)。

2.10 水冷壁改造

增設(shè)OFA噴口處需對水冷壁開孔，并填補原該區(qū)域吹灰器孔。由于采用中心風(fēng)旋流燃燒器替換原有燃燒器，并對拱上二次風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化，需對拱上燃燒器區(qū)水冷壁進(jìn)行更換。重新布置乏氣風(fēng)，將乏氣風(fēng)由拱上引至拱下，需對乏氣風(fēng)新開孔區(qū)域的水冷壁進(jìn)行改造。重新布置分級風(fēng)后，需封閉原縫隙長條開孔，對該區(qū)域的水冷壁開孔。

3 燃燒試驗

針對新安裝的燃燒系統(tǒng)和當(dāng)前入爐煤狀況，優(yōu)化現(xiàn)有的燃燒配風(fēng)方式，觀察不同配風(fēng)方式下鍋爐經(jīng)濟性指標(biāo)、NOx排放指標(biāo)的變化趨勢，通過試驗工況對比分析影響鍋爐運行經(jīng)濟性的關(guān)鍵因素并提出推薦配風(fēng)方式［12］。

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，分別在300 MW、240 MW和180 MW負(fù)荷下，進(jìn)行鍋爐配風(fēng)優(yōu)化試驗。經(jīng)過試驗調(diào)整得到最佳運行方式，如表3所示。其中低負(fù)荷3臺磨煤機運行工況下，一次風(fēng)率高，NOx生成量增加，氧量可適當(dāng)降低0.2%左右，燃盡風(fēng)開度增加10%。磨煤機風(fēng)量控制目前沒有準(zhǔn)確料位顯示，可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上整體增加10%通風(fēng)量，以實現(xiàn)磨煤機低料位。

表3 鍋爐配風(fēng)優(yōu)化試驗情況

4 結(jié)語

通過更換低氮燃燒器、新增OFA燃燒器，并采取優(yōu)化空氣分級、分級風(fēng)布置、乏氣風(fēng)布置等一系列措施，確保鍋爐燃燒穩(wěn)定，降低了NOx排放量，減輕了脫硝、脫硫系統(tǒng)運行壓力，滿足了環(huán)保排放要求。