W型火焰鍋爐低氮燃燒優化改造

李 娟，楊 杰

（華能邯峰發電廠，河北 邯鄲 056200）

W型火焰鍋爐低氮燃燒優化改造

李 娟，楊 杰

（華能邯峰發電廠，河北 邯鄲 056200）

在闡述了熱力型、燃料型和快速型NOx生成機理及其控制技術的基礎上，通過剖析某發電廠2號鍋爐的結構和燃燒特點，對其制定了低氮燃燒優化改造方案。方案實施后，NOx排放量降低超過50 %，效果顯著。

W型火焰鍋爐；低氮燃燒；改造；氮氧化物

0 引言

在燃煤電廠排放的大氣污染物中，氮氧化物（NOx）是一種對生態環境和人體健康都有危害，且已經成為重點治理對象的大氣污染物。隨著節能減排政策的深入，各種控制NOx排放的技術也在實踐中逐漸成熟。而W型火焰鍋爐本身由于爐膛容積相對較小，爐膛火焰溫度較高，所以排放的NOx單位數值較高，相對來說也較難控制和治理。

1 NOx生成機理和目前的控制技術

NOx主要指NO和NO2，還包括N2O，N2O3，N2O4，N2O5。在燃煤鍋爐生成的NOx中，NO占95 %，N2O大概占5 %，其他形式的NOx占比微乎其微。按照NOx的生成機理，可以分為3種：熱力型、燃料性和快速型。

1.1 NOx生成機理

熱力型NOx是空氣中的氮在高溫下氧化而成的，影響熱力型NOx生成的因素主要包括燃燒反應的溫度、氧氣的濃度和燃燒反應的時間，其中溫度對熱力型NOx生成的影響最大。實際上，溫度在1 350 ℃以下，熱力型NOx的生成量很少；隨著溫度的上升，熱力型NOx的生成量隨之快速上升；當溫度上升到1 600 ℃以上時，熱力型NOx生成量能夠占到總NOx生成量的25 %-30 %。

燃料型NOx生成量占鍋爐燃燒NOx總生成量的70 %-80 %。一般認為，燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃燒過程中產生熱分解，再進一步氧化生成的，同時還存在NO的還原反應。燃料型NOx的生成與還原，不僅與煤種的特性、燃料中氮化合物的狀態、煤中的氮熱分解時在揮發分和焦炭中所分配的比例和各組分成分有關，還與燃燒過程中氧的濃度和燃燒溫度等因素有關。

快速型NOx的生成是通過燃料中產生的CH原子團撞擊N2分子，生成HCN類化合物，再進一步氧化生成的，這個反應很快，所以生成的NOx稱為快速型NOx。溫度對快速型NOx的影響比較小，與熱力型和燃料型NOx的生成量相比，快速型NOx的生成量要少得多。

一般來說熱力型、燃料型和快速型NOx的生成量和溫度的變化關系可以用圖1來定性描述。

圖1 NOx生成量和火焰溫度的關系

1.2 目前的控制技術

目前，燃煤鍋爐的NOx的燃燒控制技術比較多，并已在國內外得到了廣泛應用。適宜于燃煤鍋爐的NOx控制技術主要有低NOx燃燒器、空氣分級、燃料再燃、煙氣再循環，根據NOx減排要求不同，這些技術既可單獨使用也可組合使用。

（1） 低NOx燃燒器。通過燃燒器噴嘴的局部煤粉濃縮與燃燒器二次空氣分級參與燃燒，實現燃燒初期的局部濃淡偏差燃燒，控制燃燒初期的氮基中間產物含量與NOx生成。

（2） 爐內空氣分級。為充分利用煤粉火焰初期生成的氮基中間產物，將約20 %-30 %的二次空氣從燃燒器上方的燃燼風噴口進入爐膛，推遲與一次風的混合，使燃燒器區域的過剩空氣系數低于1．0，形成爐膛高度方向的空氣分級燃燒。低NOx燃燒器與空氣分級燃燒相結合，延長了氮基中間產物在還原性環境區域的停留時間，能夠提高整個燃燒系統的NOx控制能力。

（3） 燃料再燃。為改善因低氮燃燒所引起的煤粉燃燼問題，燃料再燃技術將爐膛分為3個燃燒區域：主燃區，采用傳統燃燒器高溫富氧（1．1-1．15）燃燒80 %-85 %煤粉，強化煤粉初期燃燒的同時，伴隨生成大量NOx；再燃區，15 %-20 %的二次燃料（天然氣為主）從燃燒器上方噴入爐膛，在缺氧（0．7-0．9）條件下生成大量HCN類化合物，用于還原來自主燃區域的NOx；燃燼區，剩余二次風由OFA（燃燼風）噴口送入燃燼區，富氧（1．15）燃燒未燃燼C與CO。再燃技術可降低NOx排放約50 %-70 %。

（4） 低氮燃燒優化系統。在精確監測的基礎上，通過優化煤粉燃燒系統各參數之間的非線性對應關系，能夠充分挖掘與發揮現有燃燒裝置的NOx控制潛力。

2 W型火焰鍋爐簡介和其低氮燃燒方案

2.1 某電廠2號鍋爐簡介

某電廠2號鍋爐容量660 MW，型式為W型火焰、亞臨界п型爐，設計摻燒煤種為50 %貧煤和50 %無煙煤。由于爐型特點和煤質特性，鍋爐燃燒過程中產生的NOx最高到2 200 mg/Nm3。鍋爐采用雙拱形爐膛，并配備6臺D-12-D型雙進雙出球磨機，每臺磨煤機設計了6組雙旋風筒式燃燒器與分級配風方式，燃燒器錯列均勻布置在前后墻拱上，煤粉氣流往下噴射形成“W”火焰。W型火焰不僅具有較長的火焰行程，而且高溫火焰能夠回流卷吸到燃燒器火焰根部，有利于提高煤粉的快速著火與穩燃。

鍋爐爐膛采用膜式水冷壁，爐膛寬度為34 480 mm，上爐膛深度為9 525 mm，下爐膛深度為15 631 mm，爐膛高度（爐膛至頂棚）為39 680 mm，最低燃燒器至灰斗高度為8 030 mm，上排燃燒器至屏過距離為20 390 mm。由于鍋爐本身爐膛容積相對較小，且制粉系統與燃燒器設備存在的不足，鍋爐燃燒過程中NOx排放量較高。鍋爐在滿負荷下，無煙煤摻燒比例在14．6 %-27．8 %時，NOx排放量約為1 600-2 200 mg/Nm3。

2.2 W型火焰鍋爐的基本改造方案

為了燃燒難燃無煙煤，下沖火焰W型鍋爐通常采取高煤粉濃度、高溫、高氧量集中送風、高停留時間方式組織燃燒，而高氧量集中送風則是造成鍋爐NOx排放濃度高達1 600-2 200 mg/Nm3的主要原因，且其中熱力型NOx所占比例較高，這也是無煙煤W型鍋爐通過燃燒控制NOx難度高的主要原因。

現代低NOx燃燒技術將煤質、制粉系統、燃燒器、二次風及燃燼風等技術作為一個整體考慮，以低NOx燃燒器與空氣分級為核心，在爐內組織燃燒溫度、氣氛與停留時間，形成早期的、強烈的、煤粉快速著火欠氧燃燒，利用燃燒過程產生的氨基中間產物來抑制或還原已經生成的NOx。針對W型火焰鍋爐，如何在高溫下組織爐內空氣分級燃燒，尤其是控制高溫區域內的含氧量是抑制NOx生成濃度的關鍵。此外，還需兼顧煤粉燃燼、防結渣與防腐蝕等問題。

（1） 低NOx燃燒器。煤粉燃燒器的首要任務是燃燒，W型火焰鍋爐除采用長火焰大回流燃燒方式外，還采用細煤粉（篩余R90與煤的揮發分數值相近）、低一次風煤比（約1．2）、煤粉濃縮（濃縮分離后，濃相一次風煤比約0．7）、低一次風率（15 %-20 %）、低射流速度（10-15 m/s）、一次風粉預熱（風粉溫度通常約100 ℃，一次風粉置換或熱風送粉可達190 ℃）及噴嘴穩燃鈍體等措施，來降低煤粉的著火熱，提高揮發分的析出速率和析出量。高濃度煤粉在高溫煙氣中的濃淡偏差燃燒，一方面能夠實現煤粉的早期著火燃燒，同時還為在火焰鋒面上通過缺氧氣氛控制早期的燃料型NOx生成創造了有利條件。

（2） 爐內空氣分級。為增加濃相煤粉在欠氧氣氛區域內的停留時間，充分利用燃燒初期產生的氨基中間產物，提高燃燒過程中的NOx自還原能力，通常推遲燃燒器區域的二次風與一次風的混合，并在爐膛上部布置一層或多層高位燃燼風，在爐內縱向形成大范圍的空氣分級燃燒。W型火焰鍋爐早期在燃燒室內采取多級分級配風，減少燃燒初期的助燃空氣的摻入量；當前則還將部分助燃空氣從二次風中分離構成SOFA（分離式燃燼風），使燃燒器區域的過剩空氣系數小于0．8-0．9，控制燃燒初期的燃料型NOx，并通過燃燼風的后期加入，完成焦炭、CO及其他中間產物的燃燼。

將高效低NOx燃燒器與空氣分級相結合，這是一般鍋爐燃燒過程中控制NOx生成的主要措施。對于燃燒無煙煤的W型火焰鍋爐，由于煤粉著火特性較差，燃燒過程中的NOx控制難度相對要大一些。

3 低氮燃燒改造

該發電廠2號鍋爐低氮燃燒改造采用了“引射回流、多點分級”的低氮燃燒技術。低氮燃燒改造范圍如圖2所示，主要包括：燃燒器改造，即采用2級煤粉濃淡分級+高低速噴口的新型燃燒器；增加拱上二次風噴口；增加AB風門，用于控制拱上二次風；D/E風門開度完善；F風下傾改造；增加OFA系統；衛燃帶優化改造。

圖2 低氮燃燒改造范圍示意

3.1 燃燒器改造

將原有36臺百葉窗濃淡分離式燃燒器更換為36臺配有2級煤粉濃淡分離裝置+高低速噴嘴的新型燃燒器。燃燒器主噴嘴及乏氣噴嘴的數量和位置與改造前基本一致，即每個燃燒器具有2個主噴嘴（安裝在原主噴嘴位置）、1個乏氣噴嘴（從油槍風噴口伸入爐膛，由于乏氣管處溫度較高，原來的陶瓷防磨改為更能耐高溫的SIC膠泥防磨）。本次改造采用的新型燃燒器通過采用2級煤粉濃淡分離裝置可以提高煤粉分離效果，同時采用高低速噴口在主噴口出口處形成外濃內淡、外低速內高速的濃煤粉氣流形態，可有效促進濃煤粉氣流著火并保證濃煤粉氣流下射剛性，為低氮燃燒創造條件。

3.2 增加拱上二次風噴口

本次低氮改造在燃燒器側后方前、后爐拱上各增加20個拱上二次風噴口，將大量二次風由拱下F風噴口移至拱上向下送入爐膛，使其卷吸高溫煙氣，增強高溫煙氣回流至濃煤粉氣流根部，促進濃煤粉氣流著火，引射并攜帶濃煤粉氣流下行，提高濃煤粉氣流下射深度，有利于控制飛灰可燃物含量；同時拱上二次風分級補入濃煤粉氣流中，有利于控制NOx排放量。本次低氮燃燒改造中新增加的40個拱上二次風噴口中，位于爐膛4個角（防止翼墻與側墻結焦）及中心線附近的總共8個拱上二次風噴口，每個噴口需改造3根水冷壁管；其余32個拱上二次風噴口，每個需改造5根水冷壁管，共計拱上水冷壁管需改造184根，涉及管子對接焊縫約371道。在新更換的水冷壁管下部焊接衛燃帶耙釘，待鍋爐水壓試驗完成后，采用剛玉自流料對拱上衛燃帶進行恢復澆筑。

3.3 新增AB風門

本次低氮燃燒改造將大量二次風由拱下F風噴口移至拱上，通過新增拱上二次風噴口送入爐膛，但根據負荷變化以及煤質變化需對拱上二次風風量進行調節控制。因此，本次低氮燃燒改造將原尺寸較小的AB風門去除，安裝36臺尺寸為1 000 mm×680 mm的新AB風門，用于控制拱上二次風量與燃燒器噴口冷卻風量。

3.4 D/E風門開度完善

由于D/E風送入位置在煤粉氣流根部，溫度較低的D/E風送入不利于煤粉氣流的著火；但同時考慮到該部位爐膛結焦情況，本次低氮燃燒改造D/E風門開度全部關至較小的10 %開度。

3.5 F風下傾改造

本次低氮燃燒改造將大量二次風由拱下F風噴口移至拱上新增的二次風噴口送入爐膛。為了保證F風的入射速度，達到繼續引射煤粉氣流下行的作用，并提高煤粉氣流的下射深度，保證煤粉顆粒在爐內的停留時間，本次低氮燃燒改造重新制作F風導流裝置取代原有導流裝置。新的F風導流裝置下傾20°布置，同時采用孔隙率較小的均流板對F風噴口上半部分進行封堵，以在較小風量下保證F風入射速度。

3.6 新增OFA系統

本次低氮燃燒改造在上爐膛前后墻標高為+28 640 mm處分別增加20組OFA噴口（前后墻共40組）。其中爐膛兩側的2組OFA噴口采用方形噴口（前后墻共4組），噴口尺寸為300 mm× 300 mm，設計風速為50 m/s，入射角度可在水平0°與下傾30°之間調節，以消除爐膛兩側自由上行的煙氣通道，可進一步提高燃燒效率及保證較低的NOx，CO的排放。其余36組OFA噴口采用直流外旋流的出口氣流形式，同時OFA噴口下傾15°布置，該OFA噴口較原鍋爐有如下2點改進：

（1） OFA噴口整體長度由1 025 mm減小至690 mm；

（2） 中心直流風噴口直徑由Φ253 mm增加至Φ335mm。

OFA取至環形二次風箱左右側，OFA風箱從環形二次風箱左右兩側各引出2個風道延伸得到，其中上爐膛前后墻外燃燼風風道尺寸為1 470 mm× 2 100 mm，較原鍋爐1 400 mm×2 000 mm，通流面積增加了約10 %。以上改進可進一步減小燃燼風阻力損失，提高燃燼風入射速度，使燃燼風與煙氣的后期混合更為充分，可進一步提高燃燒效率及保證較低的NOx，CO排放。新增的OFA風箱4個角安裝電動調節門和風量測量裝置，以控制及測量OFA系統的風量。需對新增的每個方形OFA噴口的4根水冷壁管進行改造，共計對4×4=16根水冷壁管進行了改造；需對每個內直流外旋流的OFA噴口的6根水冷壁管進行改造，共計對36×6=216根水冷壁管進行了改造。共計對40組OFA噴口的232根水冷壁管進行了改造，加上個別吹灰器水冷壁管拉直處理，OFA噴口安裝共涉及約541道管子對接焊縫的焊接。

4 結束語

該發電廠2號鍋爐于2015-01-22T14：00開啟送風機，并于22：00投油點火。鍋爐啟動過程中，當2號機組負荷達到330 MW時，鍋爐撤出全部油槍，此時燃燒穩定，汽水參數正常，啟動過程中未發現任何因低氮燃燒改造而出現的問題。改造后該機組正常運行將近9個月，鍋爐燃燒穩定，汽水參數正常，減溫水低于改造前水平，初步調整后NOx排放量降低。通過本次低氮燃燒改造，優化工況下NOx排放量可降至752 mg/Nm3，相對于改造前NOx排放量降低超過50 %。

1 樊泉桂．鍋爐原理［M］．北京：中國電力出版社，2008．

2 閻維平．清潔煤發電技術［M］．北京：中國電力出版社，2002．

2015-09-16；

2016-04-13。

李 娟（1978-），女，工程師，主要從事集控運行工作，email：chicheng_01@126．com。

楊 杰（1984-）， 男，工程師，主要從事鍋爐運行工作。