600MW機(jī)組低氮燃燒器改造的研究與應(yīng)用

史澤東

（四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司，四川 廣安 638500）

關(guān)健詞：鍋爐；燃燒器；低NOx燃燒；飛灰含碳量

1 前言

燃燒器作為燃煤機(jī)組的重要設(shè)備，其煤粉著火特性及穩(wěn)燃性能對(duì)鍋爐安全高效運(yùn)行就顯得至關(guān)重要。然而，受煤粉濃淡分布、爐內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)、受熱面磨損等因素的影響，燃燒系統(tǒng)出現(xiàn)了屏式過熱器超溫嚴(yán)重，NOx排放偏高，高溫受熱面煙氣熱偏差大，水冷壁高溫硫腐蝕和結(jié)焦，飛灰含碳量過高及大渣含碳高等現(xiàn)象，嚴(yán)重制約機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，研究燃燒器超溫結(jié)焦及氮氧化物排放高的原因并對(duì)燃燒器進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化改造就尤為重要。

朱振武等人針對(duì)前后墻對(duì)沖旋流燃燒鍋爐爐膛結(jié)渣等問題，采用在燃燒器出口新增加擴(kuò)錐、減小擴(kuò)錐角度的措施對(duì)燃燒器進(jìn)行改造，改造后鍋爐掉渣頻率明顯減少，機(jī)組運(yùn)行安全性顯著提高。袁宏偉等人針對(duì)OPCC型旋流煤粉燃燒器在運(yùn)行過程中存在NOx排放偏高、燃燒器區(qū)域結(jié)焦和部分燃燒器燒損等問題，采用改造設(shè)計(jì)煤種及改變?nèi)紵饕淮物L(fēng)、二次風(fēng)擴(kuò)角的方法對(duì)燃燒器進(jìn)行改造，改造后脫硝入口NOx下降到100mg/m3左右，并且燃燒器燒損、結(jié)焦現(xiàn)象得到明顯改善。邱成勇等人針對(duì)燃燒器磨損嚴(yán)重、結(jié)渣嚴(yán)重、水冷壁管超溫及鍋爐NOx排放量較高等問題，采用加長(zhǎng)一次風(fēng)管及增加25°內(nèi)二次風(fēng)與外二次風(fēng)界筒上擴(kuò)口的改造措施，改造后，氮氧化物水平下降150mg/m3左右，汽溫壁溫超限情況消失，并解決了噴口結(jié)焦問題。

一電廠600MW燃煤機(jī)組進(jìn)行了燃燒器優(yōu)化改造，在保證鍋爐效率的同時(shí)，有效解決了屏式過熱器超溫嚴(yán)重、飛灰含碳量、大渣含碳量高、水冷壁平均結(jié)焦及NOx排放高等問題，使鍋爐可以安全高效運(yùn)行。

2 機(jī)組概況

2.1 鍋爐概況

一電廠600MW機(jī)組61#鍋爐于2006年建成并投產(chǎn)，61#鍋爐為東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司設(shè)計(jì)制造的DG2028/17.45-II5型亞臨界參數(shù)自然循環(huán)鍋爐。鍋爐采用一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、全鋼構(gòu)架的∏爐，空氣預(yù)熱器置于鍋爐主體內(nèi)，采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，表1為鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

原燃燒系統(tǒng)采用東方鍋爐廠自行開發(fā)設(shè)計(jì)前后墻對(duì)沖燃燒方式的外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤分燃燒器（OPCC），總共30只旋流煤粉燃燒器分3層布置在前后墻的6只大風(fēng)箱上，配以6臺(tái)中速磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)為同一大風(fēng)箱上的5只煤粉燃燒器提供風(fēng)粉混合物。

2.2 制粉系統(tǒng)

本機(jī)組采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，制粉系統(tǒng)為中速磨正壓直吹式系統(tǒng)，磨煤機(jī)為ZGM113型中速磨煤機(jī)，共6臺(tái)，其中1臺(tái)備用。

同一層的5只燃燒器與一臺(tái)磨煤機(jī)相連，燃燒器的投、停與磨煤機(jī)的投、停同步，25只燃燒器投運(yùn)即可帶滿負(fù)荷，燃燒器與磨煤機(jī)的連接關(guān)系如圖1所示，表2為設(shè)計(jì)煤質(zhì)與改造煤質(zhì)參數(shù)。

圖1 燃燒器與磨煤機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 設(shè)計(jì)煤質(zhì)與改造煤質(zhì)參數(shù)

2.3 燃燒系統(tǒng)概況

鍋爐的燃燒設(shè)備主要由煤粉燃燒器、燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器、大風(fēng)箱、燃油裝置及風(fēng)門用氣動(dòng)執(zhí)行器等組成。

鍋爐水冷壁上共配有30只低NOx軸向旋流式煤粉燃燒器，分三層布置，前后墻每層各有5只燃燒器，燃燒器上部布置有燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器，前后墻上各有5只燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器布置成一排，圖2為爐膛燃燒系統(tǒng)布置圖。燃燒系統(tǒng)布置時(shí)充分考慮了燃燒器之間的相互影響：燃燒器層間距離、列間距離分別為4400mm和3680mm；燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器中心線距最上層燃燒器中心線4000mm；屏底距上層燃燒器中心線18947mm；冷灰斗拐點(diǎn)距下層燃燒器中心線3250mm；水冷壁距最外側(cè)燃燒器中心線2990mm。

圖2 爐膛燃燒系統(tǒng)布置圖

（1）燃燒器。在燃燒的不同階段，燃燒器一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)及中心風(fēng)分別通過一次風(fēng)管、燃燒器內(nèi)同心的二次風(fēng)、三次風(fēng)環(huán)形通道及中心管分別送入爐膛。其中二次風(fēng)通道內(nèi)布置有固定的軸向旋流器，三次風(fēng)采用切向旋流型式，其旋流強(qiáng)度可調(diào)；（2）燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器。燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器的配風(fēng)由內(nèi)外兩部分組成，中心部分為直流風(fēng)，外部為旋流風(fēng)；（3）大油槍層中心風(fēng)管。中心風(fēng)母管自大風(fēng)箱兩端引入中心風(fēng)，通過各支管與燃燒器內(nèi)的中心風(fēng)管相連，提供大油槍運(yùn)行時(shí)所需要的風(fēng)量，并起到停運(yùn)時(shí)冷卻和防止灰渣聚集的作用；（4）小油槍層助燃風(fēng)管。小油槍層助燃風(fēng)管由冷一次風(fēng)母管引入，為小油槍投運(yùn)時(shí)，提供必要的氧量，正常運(yùn)行中維持800～1200Pa壓力；（5）風(fēng)門用氣動(dòng)執(zhí)行器。大風(fēng)箱（含二次風(fēng)箱及燃盡風(fēng)箱）入口處風(fēng)門均配有執(zhí)行器，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，全爐共16只。中心風(fēng)母管入口處風(fēng)門執(zhí)行器，全爐共12只；（6）大風(fēng)箱。大風(fēng)箱由6只二次風(fēng)箱和2只燃盡風(fēng)箱組成，二次風(fēng)自空預(yù)器經(jīng)鍋爐兩側(cè)風(fēng)道送入前后墻的風(fēng)箱，每只風(fēng)箱為一層5只燃燒器或燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器提供所需用風(fēng)；（7）燃油裝置。鍋爐的燃油裝置采用兩級(jí)點(diǎn)火，即高能點(diǎn)火器點(diǎn)燃輕油油槍和輕油油槍點(diǎn)燃煤粉。單支油槍出力為1350kg/h，油槍采用機(jī)械霧化。

61#爐為B、C層的[DBC-OPCC型]旋流煤粉燃燒器原設(shè)計(jì)中心風(fēng)管放置點(diǎn)火啟動(dòng)大油槍取消，改為微油燃燒器，改造后可以實(shí)現(xiàn)使用微油量對(duì)煤粉的分級(jí)點(diǎn)火、分級(jí)燃燒和低負(fù)荷穩(wěn)燃，同時(shí)保證原有的燃燒特性和調(diào)節(jié)特性，鍋爐正常運(yùn)行中不會(huì)對(duì)爐內(nèi)燃燒工況產(chǎn)生任何不良影響。

3 燃燒系統(tǒng)現(xiàn)存問題及原因分析

鍋爐自投運(yùn)以來，燃用煤質(zhì)由于采用混煤（煙煤、次煙煤、貧煤）摻燒，雖然摻混后入爐煤質(zhì)的工業(yè)分析基本與設(shè)計(jì)值偏差不大，但存在以下主要問題。

（1）屏式過熱器超溫嚴(yán)重，減溫水量嚴(yán)重超標(biāo)。其主要原因?yàn)椋褐魅紵鞯囊淮物L(fēng)為外濃內(nèi)淡布置，不利于煤粉在低氮模式缺氧環(huán)境下的著火，著火推遲造成燃燒中心上移，鍋爐設(shè)計(jì)爐膛高度偏低，燃燒中心上移后加劇了對(duì)流受熱面超溫，減溫水量大的問題；（2）NOX排放偏高，平均質(zhì)量濃度為600～700mg/Nm3。其主要原因?yàn)椋哄仩t燃燒系統(tǒng)原設(shè)計(jì)燃盡風(fēng)與主燃燒區(qū)域距離太近；（3）高溫受熱面煙氣熱偏差大，煙溫偏差最高時(shí)達(dá)100～200℃，其主要原因?yàn)椋喝紵髌珶?。?）爐膛主燃燒器區(qū)域的側(cè)墻水冷壁高溫硫腐蝕嚴(yán)重，且存在結(jié)焦現(xiàn)象。燃燒器器區(qū)域水冷壁平均結(jié)焦在100～200mm，屏式過熱器底部結(jié)焦嚴(yán)重，最大焦塊在1噸左右。其主要原因?yàn)椋涸紵髟O(shè)計(jì)內(nèi)、外二次風(fēng)噴口擴(kuò)錐角度設(shè)計(jì)不合理，著火推遲，低氮模式下內(nèi)外二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)量下降，擴(kuò)散太快，使煤粉顆粒甩至燃燒器四周貼壁燃燒；（5）燃燒器存在噴口結(jié)焦、沖刷磨損、變形，其主要原因?yàn)椋褐行墓苤文p，造成中心管偏離；（6）飛灰含碳量過高，經(jīng)常性的飛灰含碳量高達(dá)到6%～7%。其主要原因?yàn)椋篊層為微油燃燒器，煤粉無濃淡設(shè)計(jì)，著火特性差，造成飛灰含碳較高；（7）大渣含碳高，全年平均大渣含碳量高達(dá)9%～10%。其主要原因?yàn)椋旱偷Ｊ较聝?nèi)外二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)量小，容易造成二次風(fēng)包不住煤粉顆粒。

4 改造方案

本次燃燒系統(tǒng)改造在不改變?nèi)紵鞑贾脴?biāo)高及位置、不新增燃燒器的基礎(chǔ)上，通過加強(qiáng)煤的著火，使著火提前，從而控制爐膛火焰中心高度，加強(qiáng)煤粉的燃盡的方法，保證了低氮燃燒，同時(shí)控制飛灰、大渣含碳水平及減溫水量。具體改造內(nèi)容涉及以下幾個(gè)方面：（1）C層支微油點(diǎn)火燃燒器（5只）改為內(nèi)濃外淡強(qiáng)著火燃燒器；（2）常規(guī)主燃燒器（共20只）改為內(nèi)濃外淡強(qiáng)著火燃燒器。

改造后，在BMCR工況下，燃燒器噴嘴性能設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 燃燒器噴嘴性能設(shè)計(jì)參數(shù)（BMCR 工況）

本次燃燒器改造采用內(nèi)濃外淡的煤粉分布，中心回流加熱，外環(huán)著火的燃燒組織形式，燃燒器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，改造包括以下幾方面內(nèi)容。

圖3 內(nèi)濃外淡強(qiáng)著火示意圖

（1）原內(nèi)淡外濃煤粉分離裝置改為內(nèi)濃外淡，主要體現(xiàn)為取消原一次風(fēng)風(fēng)筒內(nèi)的兩級(jí)撞擊椎體，改為在一次風(fēng)風(fēng)筒內(nèi)側(cè)布置喉口裝置，煤粉通過喉口裝置后形成內(nèi)濃外淡分層。因此，中心回流加熱可直接加熱濃側(cè)煤粉，在提高著火點(diǎn)濃度的同時(shí)，可以提高著火點(diǎn)煤粉的溫度，在低氮燃燒模式下（著火點(diǎn)缺氧）實(shí)現(xiàn)煤粉的提前著火。（2）為了防止燃燒器內(nèi)與煤粉接觸的部件磨損，在距離噴口較遠(yuǎn)的低溫區(qū)域，全部采用貼陶瓷片防磨，陶瓷片不僅通過高溫膠黏結(jié)在部件上，同時(shí)通過固定錐焊接固定在部件上，防止陶瓷片脫落；在距離噴口較近的高溫區(qū)域，所有部件采用耐高溫耐磨的高鉻高鎳鑄造合金鋼制造，材質(zhì)為ZG40Cr28Ni16Si2NRe。（3）將一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)擴(kuò)錐角度由45°更改為40°，同時(shí)縮小外二次風(fēng)面積，提高外二次風(fēng)剛性。為了防止受熱變形，二次風(fēng)擴(kuò)錐采用耐高溫的高鎳合金鋼整體鑄造成型，材質(zhì)為ZG40Cr25Ni20。外二次風(fēng)擴(kuò)錐采用剛玉高溫可塑現(xiàn)場(chǎng)制型。（4）在中心風(fēng)管前端設(shè)置穩(wěn)燃齒，加強(qiáng)燃燒器的穩(wěn)燃性能。為了防止中心管支撐磨損，造成中心管偏離，在中心風(fēng)管支撐的迎風(fēng)面設(shè)置整體貼陶瓷包裹。

5 燃燒器改后效果實(shí)驗(yàn)

61#鍋爐于2022年10月對(duì)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造。改造后機(jī)組于11月18日點(diǎn)爐，至今運(yùn)行正常。改造前后，運(yùn)行參數(shù)對(duì)比如表4所示。

表4 改造前后鍋爐運(yùn)行參數(shù)

改造后，在保證鍋爐效率的情況下，高溫受熱面煙氣熱偏差減少170℃，屏式過熱器減溫水減少120t/h，超溫現(xiàn)象得到明顯改善，飛灰含碳量減小3.2%，大渣含碳量減小6.9%，NOx排放減小367mg/m3，減碳降氮效果明顯。

6 結(jié)語

對(duì)60MW機(jī)組進(jìn)行了燃燒器優(yōu)化改造，實(shí)測(cè)了改造前后高溫受熱面煙氣熱偏差，屏式過熱器減溫水、飛灰含碳量、大渣含碳量及鍋爐NOx排放水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改造效果良好，具體結(jié)論如下。

（1）減小一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)擴(kuò)錐角度，同時(shí)縮小外二次風(fēng)面積，提高外二次風(fēng)剛性，可以延緩一次風(fēng)與二次風(fēng)的混合，從而減低NOx排放水平以及緩解水冷壁結(jié)焦問題，其中NOx排放水平減少367mg/m3。

（2）內(nèi)濃外淡煤粉分離裝置可以通過中心回流加熱可直接加熱濃側(cè)煤粉，提高著火點(diǎn)濃度的同時(shí)，可以提高著火點(diǎn)煤粉的溫度，從而在低氮燃燒模式下使煤粉著火提前，改造后屏式過熱器基本不超溫，減溫水減少到100t/h，飛灰含碳量減少3.6%，大渣含碳量減少6.9%。

（3）低溫區(qū)域采用貼陶瓷片，高溫區(qū)域采用耐高溫耐磨的高鎳合金鋼可以實(shí)現(xiàn)有效防磨，噴口結(jié)焦、沖刷磨損、變形現(xiàn)象得到明顯改善，高溫受熱面煙氣熱偏差小于30℃。