“W”型火焰鍋爐低NOx改造后燃燒優(yōu)化

　　摘要：為解決300MW“w”型火焰鍋爐NOx排放濃度過高的問題，針對300MW“W”型電廠鍋爐的特性，進(jìn)行低氮改造，通過低氮燃燒器更換，合理布置燃盡風(fēng)、乏氣風(fēng)，達(dá)到了降低NOx排放的效果;同時(shí)鍋爐蒸汽參數(shù)也得到了提高。但是改造也帶來了爐膛結(jié)焦、帶負(fù)荷困難等問題，仍需進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行措施，以確保鍋爐綜合運(yùn)行效益得到提升。

　　關(guān)鍵詞：“W”型火焰鍋爐;低氮燃燒改造;運(yùn)行調(diào)整;結(jié)焦

　　前言

　　隨著環(huán)保要求的提高，火電廠污染物排放控制問題，已越來越受到政府的關(guān)注和重視。早期投運(yùn)的鍋爐低氮燃燒技術(shù)相對落后，NOx排放質(zhì)量濃度普遍較高，盡管在鍋爐尾部增設(shè)煙氣脫硝裝置，但仍不能滿足超低排放要求;再者煙氣脫硝深度運(yùn)行，會給鍋爐運(yùn)行帶來不利影響。而低氮燃燒改造是一種經(jīng)濟(jì)、有效的減排方法。因此，低氮燃燒技術(shù)應(yīng)作為燃煤電廠實(shí)現(xiàn)氮氧化物超低排放的首選技術(shù)。

　　鍋爐概述：菏澤發(fā)電有限公司二期工程#3、#4鍋爐系英國巴布科克有限公司制造的與300MW機(jī)組配套鍋爐，鍋爐設(shè)計(jì)為亞臨界壓力、中間一次再熱、自然循環(huán)、固態(tài)排渣，配300MW汽輪發(fā)電機(jī)組，采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，單爐膛，“W”型火焰燃燒方式，露天布置。再熱汽溫通過爐底注入熱風(fēng)調(diào)節(jié)，并設(shè)有一級事故噴水減溫。鍋爐采用輕型敷管式爐墻、全懸吊鋼結(jié)構(gòu)型式。汽包中心高度49.9m，采用“W”火焰燃燒方式，在23m高度爐拱處分為上、下兩個(gè)部分，下爐膛截面為19320×15630mm，呈八角形;上爐膛為19320×7176mm，呈長方形，爐膛容積6557m3(如下圖所示)。

　　該爐制粉系統(tǒng)配有3臺美國Svedala公司制造的雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，每臺磨分為兩端，每端各連接一粗粉分離器，由粗粉分離器出口的一次風(fēng)管道在爐本體28m處又通過分配器分為2根，三臺磨煤機(jī)共有12根一次風(fēng)管道至燃燒器前，每一管道連接一臺旋風(fēng)子分離器(進(jìn)行濃淡分離，分為煤粉流、乏氣流兩部分，分別進(jìn)入爐膛燃燒)。燃燒器設(shè)計(jì)為直流縫隙式，共有24個(gè)煤粉燃燒器，前后拱各12個(gè)，每個(gè)煤粉燃燒器兩側(cè)各有一個(gè)二次風(fēng)噴口。二次風(fēng)前后墻各3個(gè)風(fēng)箱，與二次風(fēng)相對應(yīng)，煤粉燃燒器前后墻也各分為3組，每組4個(gè)燃燒器(如圖2所示)。

　　1鍋爐改造前存在的問題及原因分析

　　1.1存在的問題

　　鍋爐飛灰可燃物、爐渣含碳量高，鍋爐效率低;NOx排放量較高，環(huán)保壓力大(如表1所示)。

　　1.2原因分析

　　1.2.1鍋爐燃燒效率偏低的原因?yàn)椋?o:p>

　　(1)鍋爐排煙溫度高和空預(yù)器漏風(fēng)率偏大，造成排煙熱損失較大;

　　(2)煤種為較難燃盡的貧煤或無煙煤，灰渣含碳量偏高，造成機(jī)械熱損失增加;

　　(3)由于每臺磨煤粉細(xì)度的偏差較大以及一次風(fēng)風(fēng)速分布不均勻致使各燃燒器著火點(diǎn)之間偏差較大，造成著火距離較遠(yuǎn)的區(qū)域煤粉燃燒不充分，增加機(jī)械熱損失。

　　1.2.2鍋爐NOx排放量高原因分析

　　(1)燃燒器噴口布置不合理

　　拱部每組燃燒器噴口布置不利于降低NOx排放量：燃燒器的一、二次風(fēng)噴口呈相間密集布置(見圖3)，由于二次風(fēng)速遠(yuǎn)高于一次風(fēng)速，一次風(fēng)離開噴口后即混入二次風(fēng)中使一次風(fēng)速增加，在離開一次風(fēng)噴口的一段距離內(nèi)，一次風(fēng)氣流即完全混入二次風(fēng)中。由以上分析可知，一次風(fēng)離開噴口后即混入二次風(fēng)中，使一次風(fēng)速迅速升至最大并達(dá)到與二次風(fēng)速相等。這就使得鍋爐運(yùn)行時(shí)一次風(fēng)煤粉氣流長期處于富氧燃燒狀態(tài)，導(dǎo)致煤粉燃燒初期熱力型NOx和燃料型NOx生成量都較高。從原鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)可知，原鍋爐拱上二次風(fēng)風(fēng)率達(dá)到65-80%，這種配風(fēng)方式一方面使得下爐膛過量空氣系數(shù)過大，使得所有煤粉一進(jìn)入爐膛就處于富氧燃燒狀態(tài)，這雖然有利于煤粉燃盡，但同時(shí)也為燃料型NOX的大量生成創(chuàng)造了有利條件。

　　(2)燃燒器組整體布置不合理

　　布置增加了局部熱流密度，使沿爐膛寬度方向熱負(fù)荷分布不均勻，造成局部溫度區(qū)分布較多，下爐膛局部溫度遠(yuǎn)超過1500℃，造成熱力型NOx呈指數(shù)上升而生成了大量NOx。(如圖4)

　　(3)爐膛配風(fēng)不合理

　　爐膛配風(fēng)從降低NOx排放角度來看，存在兩個(gè)缺陷：鍋爐配風(fēng)包括拱上的一次風(fēng)、乏氣、二次風(fēng)和貼壁風(fēng)和拱下送入的分級風(fēng)，未配有專用于降低NOx排放的燃盡風(fēng);拱上風(fēng)率高達(dá)85%，拱下用于分級燃燒送入的分級風(fēng)風(fēng)率僅15%，且分級風(fēng)噴口呈組布置，每組分級風(fēng)間距達(dá)1.5m，分級風(fēng)易于衰減，分級燃燒程度很有限。

　　2.低NOx燃燒改造方案

　　2.1為避免二次風(fēng)過早混入一次風(fēng)粉氣流中,改變原一、二次風(fēng)的布置方式，單組燃燒器一次風(fēng)噴口集中并排布置,將二次風(fēng)噴口部分集中布置于一次風(fēng)的兩側(cè)，以實(shí)現(xiàn)拱上燃料和空氣的分級布置。緊貼一次風(fēng)的二次風(fēng)攜帶一次風(fēng)下射并提供煤粉前期燃燒所需過量空氣，外側(cè)的二次風(fēng)在下射入一定深度后才與其混合并繼續(xù)深入，從而在拱上形成一次風(fēng)與二次風(fēng)分離、二次風(fēng)分成兩級而逐步攜帶一次風(fēng)粉下行的低NOx燃燒器布置方式，使一次風(fēng)煤粉長時(shí)間處于遠(yuǎn)離化學(xué)當(dāng)量比燃燒狀態(tài)，抑制了燃料型NOx的生成。

　　2.2燃燒器重新分組，即沿爐膛寬度方向均勻布置，降低燃燒器局部區(qū)域的熱流密度，使沿爐膛寬度方向的溫度分布均勻，降低熱力型NOx的生成。

　　2.3分級風(fēng)下傾45°并分兩級噴入爐膛，推遲了煤粉氣流與分級風(fēng)的混合，在下爐膛實(shí)現(xiàn)了第二級的空氣分級燃燒，使煤粉處于低氧燃燒,抑制了NOx的生成。

　　2.4下爐膛出口1m處布置占總風(fēng)量10%且下傾45°噴入的燃盡風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了第三級分級燃燒。由于一次風(fēng)粉垂直下射進(jìn)入下爐膛，受二次風(fēng)引射作用沿近前、后水冷壁側(cè)下行，而燃盡風(fēng)在靠近下爐膛出口1m處向爐膛中心傾斜45°噴入，因此燃盡風(fēng)不會混入一次風(fēng)粉中參與燃燒。由于一次風(fēng)粉在深入到冷灰斗中部后折轉(zhuǎn)上行，煤粉顆粒在下爐膛出口區(qū)域與燃盡風(fēng)混合之前長期處于還原性氣氛下燃燒。

　　由以上分析可知：燃燒器噴口重新布置實(shí)現(xiàn)燃料和空氣的分級燃燒、分級風(fēng)下傾以及下爐膛出口1m處加燃盡風(fēng)，使一次風(fēng)煤粉長時(shí)間處于遠(yuǎn)離化學(xué)當(dāng)量比燃燒狀態(tài)，抑制了燃料型NOx的生成;沿爐膛寬度方向燃燒器組均勻布置均勻溫度分布抑制熱力型NOx的生成，從而降低鍋爐NOx的排放量。

　　3加強(qiáng)著火和穩(wěn)然，提高鍋爐效率措施

　　3.1因兩側(cè)二次風(fēng)的引射作用，在一次風(fēng)噴口集中并排布置的區(qū)域形成回流區(qū)，可回流部分煙氣，有利于煤粉的著火和穩(wěn)然;

　　3.2分級風(fēng)下傾45°減輕了流場偏斜，使?fàn)t內(nèi)燃燒更穩(wěn)定;

　　3.3一次風(fēng)噴口集中并排布置在提高一次風(fēng)粉動量的同時(shí)還延緩了射流衰減，即避免了火焰短路，從而延長了一次風(fēng)粉的行程而提高燃盡;

　　3.4動量大、剛性強(qiáng)的二次風(fēng)密集布置，緊貼一次風(fēng)布置的內(nèi)側(cè)二次風(fēng)先攜帶一次風(fēng)下行，在一次風(fēng)粉和內(nèi)二次風(fēng)流衰減至一定程度后再由外側(cè)二次風(fēng)攜帶繼續(xù)深入下爐膛，從而延長了一次風(fēng)粉的行程而提高燃盡;

　　3.5分級風(fēng)分成兩級并下傾45°噴入爐膛，一方面能攜帶煤粉進(jìn)一步向下深入爐膛而延長了一次風(fēng)粉的行程，另一方面能及時(shí)供給燃燒所需要的空氣，使?fàn)t內(nèi)燃燒更均勻，從而提高燃盡;

　　3.6燃盡風(fēng)在下爐膛出口1m處下傾45°噴入，可增強(qiáng)煙氣氣流的后期擾動，可促進(jìn)煤粉氣流的燃盡;燃盡風(fēng)降低NOx生成，但必須使燃盡風(fēng)射流能與上行煙氣充分混合，從而保證煤粉燃燒所需要的氧量，以降低爐膛出口的飛灰可燃物含量。為保證燃盡風(fēng)射流沿爐膛深度方向與煙氣充分混合，就必須盡可能地使燃盡風(fēng)射流沖到爐膛中部，這就需要足夠大的動量和足夠強(qiáng)的剛度而不易衰減。

　　將燃盡風(fēng)噴口沿爐寬方向均勻布置以減輕燃盡風(fēng)射流的衰減，占總風(fēng)量10%、風(fēng)速等同于二次風(fēng)的燃盡風(fēng)下傾45°(與水平方向夾角)噴入下爐膛出口，燃盡風(fēng)射流到大爐膛中心的混合點(diǎn)距大屏底部的距離為10m，燃盡風(fēng)在煤粉顆粒的反應(yīng)時(shí)間為1.406s，保證了足夠長的停留時(shí)間。

　　4.方案實(shí)施

　　4.1燃燒器改造目前“W”型火焰鍋爐NOx生成較多的主要原因就是富氧燃燒，火焰高度集中，為進(jìn)一步降低Nox排放，減少對環(huán)境的污染，將原單旋風(fēng)筒煤粉燃燒器

　　改造為變化噴口布置方式，乏氣噴口下移(如下圖5所示)

　　4.2設(shè)置分級風(fēng)箱，提高分級風(fēng)率。

　　原設(shè)計(jì)一次風(fēng)粉在進(jìn)入燃燒器前先經(jīng)過一個(gè)旋風(fēng)筒式分離器進(jìn)行煤粉濃縮分離，濃相氣流進(jìn)入爐膛外側(cè)的煤粉噴嘴，淡相氣流進(jìn)入爐膛內(nèi)側(cè)的乏氣噴嘴。每組燃燒器內(nèi)一、二次風(fēng)噴口間隔布置，在爐內(nèi)一、二次風(fēng)以直流方式垂直下射進(jìn)入爐膛，形成“W”形大回流長火焰燃燒方式。磨煤機(jī)與燃燒器對應(yīng)布置示意圖(見下圖6)，煤粉燃燒器與二次風(fēng)的設(shè)計(jì)參數(shù)(見下表2)，采用該種燃燒方式，在設(shè)計(jì)煤種下的最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷為50%BMCR。

　　為了深化空氣分級，優(yōu)化空氣流場，新設(shè)分級風(fēng)箱、新的分級風(fēng)噴口，出口加裝可調(diào)導(dǎo)流板、布風(fēng)板，分級風(fēng)率有所提高，噴口面積增大，并與水平方向呈一定角度噴入爐膛。

　　4.3增設(shè)燃盡風(fēng)為進(jìn)行全爐膛空氣分級降低燃料NOx和熱力NOx的生成，在燃燒器層由二次風(fēng)箱引出部分二次風(fēng)在上爐膛一定位置噴入，加裝OFA風(fēng)道、膨脹節(jié)、OFA風(fēng)箱、風(fēng)量調(diào)擋板、燃盡風(fēng)噴嘴、流量測量、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及附件等，水冷壁管重新彎管等設(shè)施。

　　4.4加設(shè)圍燃帶為增加爐膛溫度水平，強(qiáng)化燃燒，在爐膛拱部增加拱部衛(wèi)燃帶，并增大垂直墻部分衛(wèi)燃帶面積。

　　4.5更換靜態(tài)粗粉分離器制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)出口煤粉靜態(tài)分離器改造更換為自除雜物型動靜態(tài)分離器，分離器轉(zhuǎn)子采用變頻調(diào)速控制，電機(jī)減速機(jī)直連式結(jié)構(gòu)變頻馬達(dá)。磨煤機(jī)分離器采用動靜態(tài)旋轉(zhuǎn)分離器，動葉片轉(zhuǎn)速可調(diào)，靜葉片角度可在分離器外部調(diào)整，以適應(yīng)煤種變化，保證煤粉細(xì)度合格。

　　5.低NOx燃燒改造后的運(yùn)行情況

　　5.1低氮改造后的燃燒器著火情況良好，爐內(nèi)燃燒較穩(wěn)定，主汽溫和再熱汽溫均能滿足運(yùn)行要求，隨負(fù)荷波動汽溫有小幅波動，目前隨著爐膛溫度水平的提升及燃燒穩(wěn)定性的提高，升降負(fù)荷汽溫波動;

　　5.2飛灰含碳量偏高，300MW負(fù)荷下約為13%左右，入爐煤粉過粗，3臺磨煤粉細(xì)度R90從11%至20%不等，平均約為16%;

　　5.3分離器回粉管鎖氣器動作不靈，導(dǎo)致回粉管堵塞。

　　5.4啟動初期SCR反應(yīng)器入口NOx排放值約600mg/Nm3，之后將拱上二次風(fēng)門開大后，著火初期氧量增大，導(dǎo)致SCR入口NOx上升約200mg/Nm3，因此，NOx濃度有調(diào)節(jié)空間，在兼顧爐效的同時(shí)盡量降低SCR入口的NOx濃度。

　　5.運(yùn)行注意事項(xiàng)及需解決的問題

　　5.1磨煤機(jī)停止時(shí)及時(shí)關(guān)閉對應(yīng)的濃、淡粉閥，以防在主氣和乏氣噴口之間形成熱循環(huán)回路，導(dǎo)致乏氣管道燒紅。

　　5.2低氮改造后爐膛增加了部分衛(wèi)燃帶，為此機(jī)組長或主值每班次至少應(yīng)對12米、25米層各看火孔看火一次;并注意檢查爐底出渣量、渣樣是否正常，以判斷爐膛是否有結(jié)焦現(xiàn)象，注意加強(qiáng)調(diào)整。

　　5.3為防止?fàn)t膛結(jié)焦，氧量一般應(yīng)維持在3.5%以上。

　　5.4燃盡風(fēng)噴口為擺動式噴口，可實(shí)現(xiàn)上、下各30度，左、右各20度的擺動，其中上、下擺動為電動，可在一定程度上調(diào)節(jié)火焰中心高度，以改變主、再汽溫。燃盡風(fēng)量由鍋爐前、后墻四個(gè)燃盡風(fēng)道上的風(fēng)門進(jìn)行調(diào)節(jié)。分級風(fēng)導(dǎo)流板下傾角度為手動可調(diào)，在調(diào)試階段確定角度。F風(fēng)導(dǎo)流板的角度可改變拱上主氣流的下沖深度，下傾角度越大可使拱上氣流下沖越深。開啟燃盡風(fēng)擋板時(shí)應(yīng)緩慢，避免快開快關(guān)，特別是在加負(fù)荷過程中，由于氧量過低，可能造成汽溫波動。

　　5.5鍋爐運(yùn)行期間，通過對燃燒器觀火孔區(qū)域的結(jié)焦情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在部分拱上主燃燒器二次風(fēng)噴口處、拱下垂直墻乏氣風(fēng)噴口處、拱下垂直墻分級風(fēng)噴口上沿、翼墻上部以及燃盡風(fēng)噴口處;爐膛內(nèi)部個(gè)別側(cè)二次風(fēng)噴口、下二次風(fēng)噴口、燃盡風(fēng)噴口附近出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象。

　　6運(yùn)行優(yōu)化

　　6.1優(yōu)化提高主氣風(fēng)速

　　通過分析并借鑒國內(nèi)外鍋爐改造經(jīng)驗(yàn)，改造后拱上部位結(jié)渣的主要原因是主氣流著火過于提前，燃燒器噴口區(qū)域熱負(fù)荷偏高，熔融狀態(tài)的灰顆粒被高溫?zé)煔夤鼣y至燃燒器區(qū)域水冷壁，并附著其上累積形成大的渣塊。因此，提高主氣流噴口風(fēng)速是緩解爐內(nèi)結(jié)渣的重要手段。在旋風(fēng)子上部乏氣豎直段增設(shè)一12mm厚截流擋板，但保留15%的通流面積，同時(shí)結(jié)合可調(diào)鎖孔對乏氣風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，防止?jié)M負(fù)荷下主氣風(fēng)速過高而形成黑龍區(qū)過長或沖爐底灰斗的現(xiàn)象。

　　6.2調(diào)整優(yōu)化衛(wèi)燃帶輻射面積

　　在原有320m2衛(wèi)燃帶的基礎(chǔ)上，分別自拱部衛(wèi)燃帶下方邊界向爐膛中心側(cè)方向去除17m2衛(wèi)燃帶;去除乏氣噴口之上1m及左右的衛(wèi)燃帶，計(jì)41m2，自垂直墻下方邊界向上去除0.5m高度衛(wèi)燃帶，計(jì)13m2，去除垂直墻區(qū)域合計(jì)54m2;去除翼墻52m2衛(wèi)燃帶，共去除衛(wèi)燃帶123m2，保留衛(wèi)燃帶面積197m2。

　　6.3消除局部渦流

　　取消燃燒器前二次風(fēng)門;在主氣、后二次風(fēng)之間加設(shè)防焦風(fēng);在V管區(qū)域加設(shè)布風(fēng)板孔。(如圖7、圖8所示)

　　7結(jié)束語

　　通過此次改造并按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)試，達(dá)到了鍋爐燃燒系統(tǒng)技術(shù)升級、安全可靠、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，滿足了環(huán)境保護(hù)的要求，為燃煤電廠的超低排放奠定了良好基礎(chǔ)，同時(shí)也為國內(nèi)同類燃煤鍋爐的低氮改造和運(yùn)行調(diào)試優(yōu)化提供了經(jīng)驗(yàn)。