旋流燃燒器低氮燃燒控制研究

王永剛，趙小兵，張小剛

（酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司，甘肅嘉峪關(guān)，735100）

引言

某電廠2×350 MW 熱電聯(lián)產(chǎn)機組鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運行直流鍋爐，一次中間再熱、平衡通風、煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、前后墻對沖燃燒的Π型鍋爐。

鍋爐制粉系統(tǒng)采用ZGM95G-II 型中速輥式磨煤機。每臺爐配5 臺中速磨，燃用設(shè)計煤種時，4 運1 備；燃用校核煤種時，5 臺運行。煤粉細度為R90≤15%，均勻性指數(shù)n=1.0。其所配的煤粉分離器為靜態(tài)擋板式分離器，燃燒設(shè)備為旋流煤粉燃燒器，分前墻3 層后墻2 層布置，每層4 只旋流煤粉燃燒器，每臺磨煤機為同層的4只煤粉燃燒器提供風粉混合物；在前、后墻旋流煤粉燃燒器的上方各布置了2層燃盡風，每層4只燃盡風噴口，在前、后墻各布置了2只側(cè)燃盡風噴口；每層風室入口處設(shè)置二次風門擋板用以調(diào)節(jié)風室的進風量。

燃燒器配風分為一次風、內(nèi)二次風和外二次風，分別通過一次風管，燃燒器內(nèi)同心的內(nèi)二次風、外二次風環(huán)形通道在燃燒的不同階段分別送入爐膛,其中內(nèi)二次風為軸向固定角度旋流、外二次風為切向可變角度旋流。

1 旋流煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)原理

燃燒器將燃燒用空氣分為四部分：從內(nèi)到外依 次為中心風、一次風、內(nèi)二次風、外二次風。

圖1 旋流煤粉燃燒器

1.1 一次風

一次風粉混合物進入燃燒器的一次風入口管，然后經(jīng)過布置在一次風管中的煤粉濃縮器，濃縮器使煤粉氣流產(chǎn)生徑向分離，形成外濃內(nèi)淡的煤粉氣流，濃煤粉氣流從外側(cè)經(jīng)穩(wěn)焰齒環(huán)進入環(huán)形回流區(qū)燃燒；淡煤粉氣流從從中心區(qū)域噴入爐內(nèi)燃燒[1]。

1.2 內(nèi)二次風

內(nèi)二次風為旋流，內(nèi)二次風通道內(nèi)布置有固定葉片傾角為45°的軸向旋流器，內(nèi)二次風門手動調(diào)節(jié)裝置可使風門擋板在0～90°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，內(nèi)二次風的作用是通過旋轉(zhuǎn)氣流形成回流區(qū)迅速點燃煤粉，并在煤粉著火后混入提供氧氣進一步強化燃燒[2]。

1.3 外二次風

外二次風為旋流，外二次風門開度范圍是0°～75°，旋流角度改變的同時風量也在變化，外二次風量占燃燒器區(qū)域風量60%以上，是調(diào)節(jié)單個燃燒器風量，沿爐寬氧量分布的主要手段。進入每個燃燒器的外二次風量可通過燃燒器上切向布置的葉輪式擋板進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)擋板開度，即可調(diào)節(jié)外二次風量和外二次風旋流強度，改變鍋爐燃燒工況[2]。

1.4 中心風

中心風通過燃燒器最中心送入爐膛，風量只占總風量的1%左右，主要作用是燃油時補風與冷卻中心風管，通過手動擋板調(diào)整風量，可以改變火焰回流區(qū)域的位置，控制著火點。

2 “火焰內(nèi)NOX還原”的控制原理

NOX的生成機理有三種，分別是熱力型、快速型和燃料型，其中熱力型和快速型NOX是由空氣中N2生成，燃料型NOX由煤中N 生成。煤粉爐大部分NOX是燃料型NOX，因此燃燒控制主要是降低燃料型NOX的排放值[3]。

通過50000 多小時運行數(shù)據(jù)分析，分級燃燒采用大比例的燃盡風作為降NOX的主要手段，造成主燃區(qū)有不同程度的缺氧氛圍，水冷壁發(fā)生大面積高溫腐蝕現(xiàn)象。降低燃盡風使用比例，采用“火焰內(nèi)NOX還原”控制，在不降低火焰溫度的同時，使得NOX的排放急劇減少，提高旋流燃燒器低NOX控制水平，是減緩鍋爐高溫腐蝕的有效手段。

“火焰內(nèi)NOX還原”原理為旋流燃燒器單噴口分級燃燒，通過徑向濃淡、分級燃燒降的方式，控制不同階段的燃燒低燃料型NOX，使燃燒器區(qū)域NOX迅速分解，從而降低燃料型NOX。

2.1 一次風煤粉細度及均勻性對NOX影響

理論上，煤粉細度越細、NOX越高，其原因為煤粉越細，被加熱越快，燃燒加快導致爐內(nèi)溫度峰值和溫度水平提高，熱力型NOX增加。

試驗發(fā)現(xiàn)，配備靜態(tài)擋板式分離器的中速磨煤機，在磨煤機折向擋板開度為45°左右時，磨制哈氏可磨系數(shù)為46 的廣匯煤，其煤粉細度R90在35%左右，正常運行過程中容易在一次風管內(nèi)不同形式的煤粉沉積，進一步造成一次風管風速偏差，各粉管煤粉細度、濃度偏差大，同層各燃燒器熱功率失衡，鍋爐局部熱負荷高，引起鍋爐結(jié)渣、水冷壁傳熱惡化、爐膛出口煙溫偏差大、鍋爐兩側(cè)NOX不平衡等系列問題。將磨煤機折向擋板開度為15°左右時，其煤粉細度R90≤20%，各粉管熱態(tài)風速偏差±5%，同工況下NOX降低50 mg/m3，調(diào)整入口NOX不變，可增大燃燒區(qū)域風量約90 t/h，可有效降低飛灰可燃物。

2.2 鍋爐二次風箱壓力對旋流燃燒器“火焰內(nèi)NOX還原”影響

燃燒設(shè)備各層風箱入口均設(shè)有風門擋板，每個風箱的風門擋板均可通過各自的執(zhí)行器實現(xiàn)調(diào)節(jié)。風室擋板的作用是分配燃燒器各層風箱之間的風量

燃燒區(qū)域二次風箱壓力是確保低燃盡風率的基本條件，保證鍋爐各負荷段燃燒器二次風箱壓力，才能確保旋流燃燒器主燃區(qū)過量空氣系數(shù)。通過實驗，鍋爐運行過程中，對應各層風箱二次風擋板根據(jù)鍋爐負荷設(shè)定函數(shù)，并設(shè)置最低開度，防止壓力測點異常導致?lián)醢尻P(guān)閉。

燃盡風層風門擋板的開度，對燃燒器二次風箱的風壓影響非常明顯，而一定的風箱風壓是保證燃燒器高效、可靠、好可調(diào)性的條件之一。對應燃盡風層開度建議在保證NOX排放的情況下取偏小的開度。

2.3 中心風對NOX影響

中心風主要作用是燃油時補風與冷卻中心風管。正常運行時，當鍋爐采用中速輥式磨煤機，一次風率＞20%的中速磨煤機時，中心風可關(guān)小至30%～50%，中心風管溫度＜800 ℃，可保證燃燒器安全運行并降低一次風率，提高二次風箱壓力，控制NOX生成。

2.4 內(nèi)二次風門開度對NOX影響。

通過內(nèi)二次風擋板調(diào)節(jié)內(nèi)二次風風量來調(diào)整旋流強度，根據(jù)不同煤種控制回流區(qū)位置，推薦調(diào)整范圍為30°～65°。燃用高揮發(fā)分煤種時應開大內(nèi)二次風擋板，燃用低揮發(fā)發(fā)煤種時應關(guān)小內(nèi)二次風擋板。內(nèi)二次風量較大時，和一次風混合早，關(guān)小內(nèi)二次風擋板，可降低NOX成量，可以延遲燃燒的過程，降低火焰溫度。內(nèi)二次風擋板開度小于20°會導致噴燃器口掛焦加劇，影響火檢信號。

2.5 外二次風門開度對NOX影響。

外二次風調(diào)節(jié)擋板旋流角度在23°～45°，對應調(diào)節(jié)擋板調(diào)整范圍為30%～60%時，鍋爐氮氧化物較低。每層大風箱從左右側(cè)進風匯集，故中間風壓高于兩邊，為防止燃煤未燃盡火焰刷墻，調(diào)整內(nèi)外二次風兩側(cè)火嘴的擋板大于中間火嘴的擋板，控制外二次風兩側(cè)擋板50%～60%，中間擋板調(diào)整范圍為35%～45%。

圖2 外二次風與煤量對應曲線

3 結(jié)語

(1)在磨制哈氏可磨系數(shù)（HGI）為46，可磨系數(shù)1.09 的難磨煤種時，其分離器折向擋板采用推薦值時，煤粉細度超標，需將折向擋板開度降至20°，可滿足煤粉細度設(shè)計要求，可降低鍋爐NOX約50 mg/m3。

(2)二次風箱壓力滿足鍋爐設(shè)計條件是旋流燃燒器正常低NOX燃燒的基本條件，鍋爐運行過程中層風箱二次風擋板應根據(jù)鍋爐負荷設(shè)定函數(shù)，保證鍋爐不同負荷二次風箱壓力，降低燃盡風率，可控制鍋爐NOX在低限運行。

(3)鍋爐設(shè)計一次風率＞20%時，二次風箱壓力低于設(shè)計值，過大的燃盡風率影響旋流燃燒器“火焰內(nèi)NOX還原”理論?？稍谥行娘L管溫度＜800 ℃前提下，將中心風關(guān)小，可降低一次風率，提高二次風箱壓力，控制NOX生成。

(4)鍋爐內(nèi)二次風擋板根據(jù)煤種進行調(diào)整，外二次風擋板根據(jù)磨煤機煤量進行調(diào)整，可以有效降低鍋爐變煤種、變負荷導致鍋爐NOX生成量大幅度波動幅度，提高旋流燃燒器“火焰內(nèi)NOX還原”的控制水平，實現(xiàn)分級供風、低氮燃燒的效果。