660 MW超超臨界鍋爐燃燒器改造及優化調整研究

蔡泓銘

(廣東紅海灣發電有限公司，廣東 汕尾 516600)

660 MW超超臨界鍋爐燃燒器改造及優化調整研究

蔡泓銘

(廣東紅海灣發電有限公司，廣東 汕尾 516600)

某660 MW超超臨界鍋爐燃燒器運行一段時間后出現嚴重燒損，通過對燃燒器改造方法分析得到改善側墻還原性氣氛減少腐蝕及避免燃燒器燒損方法，并通過改造后進行熱態燃燒優化調整研究，降低運行含氧量，有效降低NOx質量濃度和保證燃燒完全，提高鍋爐效率，對同類型鍋爐燃燒調整研究有指導意義。

超超臨界鍋爐；燃燒器改造；燃燒；優化調整

圖1 燃燒器燒損嚴重

0 引言

某660 MW超超臨界鍋爐采用東方鍋爐廠旋流燃燒器，運行一段時間后，發現燃燒器中心套筒及一次風噴口燒損嚴重，且鍋爐兩側墻均出現較嚴重的高溫腐蝕。同時選擇性催化還原脫硝系統(SCR)入口NOx質量濃度較高。經過分析，發現鍋爐兩側墻含氧量較低，形成了還原性氣氛，不利于鍋爐水冷壁面的安全，且原來燃燒器一次風、二次風擴流錐角度較大，容易造成一次風噴口穩定環燒損。為了保證燃燒器運行的安全性和煤種適應性，以及提高燃燒效率、降低NOx排放，進行了燃燒器改造，本文通過燃燒器改造后的優化調整，分析燃燒器改造的經濟性。

1 燃燒器改造方法研究

此鍋爐為超超臨界參數變壓直流爐，燃燒器采用東方鍋爐廠改進設計的外濃內淡型低 NOx旋流煤粉燃燒器。前后墻布置6層燃燒器，主燃區上部一定距離處前后墻布置1層燃燼風(OFA)。在滿負荷時，SCR進口NOx質量濃度達到450 mg/m3(標態)，而且停爐檢查時發現有燃燒器噴口燒損嚴重，如圖1所示。

根據氮氧化合物生成機理，影響氮氧化合物生成量的因素主要有火焰溫度、燃燒器區段含氧量、燃燒產物在高溫區停留時間和煤的特性[1-2]，而降低氮氧化合物生成量的途徑主要有2方面：降低火焰溫度，防止局部高溫；降低過量空氣系數和含氧量，使煤粉在缺氧的條件下燃燒。

但如果缺氧的話，鍋爐飛灰增加，鍋爐效率將會受到影響。既要低氮，又要保證降低飛灰、提高鍋爐效率，這對鍋爐實際運行調整增加了不小的難度。通常，有一個最佳的運行含氧量和合適的燃燼風率，使得排煙損失和氣體、固體未燃燼損失之和最低，鍋爐效率最高。

為了增加兩側墻的含氧量，降低CO質量濃度，降低還原性氣氛下由于S離子單獨存在而對鍋爐兩側墻高溫腐蝕的危險，同時為降低脫硝進口的NOx質量濃度，降低燃燒器燒損的風險，對燃燒器進行了下列改動：采用先進的新型OPCC低氮旋流煤粉燃燒器組件替換原旋流煤粉燃燒器(共30只)相應結構；燃燒器一次風擴錐角度由45°改為25°，二次風擴錐角度由45°改為30°；增加1層燃燼風，提高燃燼風率；對新設計的每只煤粉燃燒器增加空氣冷卻風系統，保證燃燒器在停運狀態時有可靠的冷卻措施。煤粉燃燒器將燃燒用空氣分為4部分：即一次風、內二次風、外二次風和中心風。更換后新型OPCC旋流煤粉燃燒器的結構如圖2所示。

圖2 燃燒器改造后結構

2 燃燒器改造前后NOx質量濃度對比

經過改造前后的實際測量，在滿負荷660 MW工況正常運行下，NOx質量濃度排放值從 450 mg/m3(標態)左右降低到250 mg/m3(標態)左右，低負荷時甚至達到了150 mg/m3(標態)的水平。這表明，燃燒器改造后，降低NOx排放效果十分明顯。

燃燒器改造后整個排放水平大幅下降，主要是以下幾方面原因。

(1)加裝1層OFA風后，提高了燃燼風率，強化了沿爐膛高度方向的煤粉分級燃燒，降低了主燃區的爐溫，有效控制了熱力型和燃料型NOx的生成[3]。

(2)一、二次風擴流錐改變后，一方面使煤粉在燃燒器出口提高濃淡分離的程度，另一方面擴大了煙氣回流區，強化了燃燒。

3 熱態試驗優化調整研究

雖然更換燃燒器后，整個NOx排放呈現大幅下降。為了進一步降低NOx排放及探討更換后燃燒器各風門及層燃風對燃燒的影響特性，選擇在鍋爐熱態時，進行優化調整研究。由于NOx質量濃度在50%額定負荷工況(660 MW)以上基本是線性關系[4]，因此在高負荷調試更有意義。在額定負荷660 MW基礎上進行試驗，通過燃燒器內外二次風和含氧量的調整，分析對NOx質量濃度、飛灰含碳量等參數的影響。

3.1基礎調整分析

為了摸底分析改造后含氧量及NOx，CO排放的情況，進行燃燒器初步調整，同時初步改善含氧量沿爐寬方向的分布情況，減少鍋爐側墻的腐蝕。

(1)調整前基礎工況(工況1：更換燃燒器后，在負荷660 MW下，保持風量2 200 t/h左右)分析。此工況下，上層OFA開度為50%，下層OFA開度為100%，A/C/D/E/F制粉系統運行，A/C/D/E/F燃燒器層風門開度為88%，B層燃燒器層風門開度為20%。在脫硝進口截面，沿爐寬方向，由爐右至爐左取等距離10個測點，測量煙氣成分分布，即運行含氧量、NOx質量濃度、飛灰含碳量。該工況下脫硝進口實測煙氣成分如圖3所示，折合NOx質量濃度為254 mg/m3(標態)。

圖3 工況1脫硝進口煙氣成分

從基礎工況的測試數據看，爐寬含氧量分布呈現出爐膛中間含氧量高、靠側墻含氧量低的規律，對應側墻CO質量濃度較中間稍高，在低含氧量狀態下CO質量濃度的分布規律將更為明顯。下層OFA擋板左右側開度有偏差的狀態下，右側含氧量最低為3.00%，左側含氧量高為4.60%。單從左、右側含氧量追求平衡的角度講，左、右側OFA開度最好一致。由于需要對汽溫偏差進行修正，下層OFA開度經常偏差較大。運行含氧量偏大，平均為4.37%，總風量為2 228 t/h，排煙損失大且風機電耗大。

(2)在工況1下，將未全開的OFA擋板全開，增加燃燼風率，并調整上層OFA偏轉角及下層OFA的旋流風，上層OFA#1和#2燃燒器向左偏轉15°，上層OFA#5和#6燃燒器向右偏轉15°，并提高兩側下層OFA旋流風開度，此工況為工況2，期望提升兩側煙氣中含氧量。實測煙氣折算NOx質量濃度為259 mg/m3(標態)。爐寬方向含氧量及CO質量濃度如圖4所示。

調整后，上層燃盡風偏轉15°對側墻的還原性氣氛改善不明顯，兩側含氧量依然偏低，雖然整體CO質量濃度不高，但含氧量低的位置CO 質量濃度較高，存在局部燃燒不完全的問題，飛灰也較工況1高，NOx沒有明顯變化。說明上層燃燼風在50%～100%開度對NOx排放的控制不敏感。

圖4 工況2脫硝進口煙氣成分分布

(3)降低總風量工況(工況3)分析。工況1和工況2運行含氧量偏大，為追求更好的經濟效益及NOx排放要求，將總風量由2 200 t/h降為2 000 t/h左右，配風方式不變，此為工況3。降低含氧量后，雖然風機電耗下降了，而且降低總風量后NOx質量濃度有所下降，折合NOx質量濃度為247 mg/m3(標態)，含氧量下降后CO生成量明顯上升，特別是在兩側墻還原性氣氛下，CO質量濃度上升幅度較大，兩側墻的CO質量濃度平均達到了400 mg/m3(標態)，個別測點達到1 000 mg/m3(標態)。飛灰含量也增大了很多，對鍋爐效率影響很大，明顯不經濟，也驗證了鍋爐燃燒NOx排放和CO質量濃度之間的矛盾關系[5]。

3.2強化燃燒調整

本節討論利用調整主燃燒器區域的內外二次風，進行強化燃燒，研究在減低總風量，減低風機電耗的情況下，如何進行強化燃燒調整，減低CO質量濃度的排放，保證經濟性。

(1)調整外二次風(工況4)。由于工況3的CO質量濃度上升幅度大，針對CO做了燃燒器外二次風的調整，以期降低CO質量濃度，為整體進一步降低總風量和配平煙量分布打基礎。燃燒器外二次風調整后開度見表1(#1～#6表示每層6個燃燒器，下同)。

表1 工況4 燃燒器外二次風旋流角度 (°)

調整中間4只燃燒器外二次風后CO質量濃度明顯下降，由1 000 mg/m3(標態)降低為100 mg/m3(標態)左右，表明旋流強度增大后卷吸增強，煤粉燃燒速度和強度更大，NOx質量濃度有上升趨勢，折算NOx質量濃度為276 mg/m3(標態)，脫硝進口煙氣成分如圖5所示。研究表明，調整外二次風后CO質量濃度較工況3明顯下降，但NOx質量濃度上升明顯，而且對側墻含氧量分布有所改善，但左側墻含氧量偏低，CO質量濃度較大，外二次風調小后強化了燃燒但不利于控制NOx，飛灰較工況3沒有明顯變化。

圖5 工況4脫硝進口煙氣成分

(2)調整燃燒器內二次風工況(工況5)分析。將燃燒器內二次風門調小以期望弱化初期燃燒降低NOx，本文通過調整內二次風拉桿長度來調節內二次風門開度，具體數據見表2，調整后CO質量濃度回升，實測煙氣成分如圖6所示。

表2 調整內二次風拉桿長度 mm

圖6 工況5脫硝進口煙氣成分

調整燃燒器內二次風后折合NOx質量濃度回升到工況3水平，為249 mg/m3(標態)。從變化趨勢看，CO質量濃度有所上升，但幅度較小，且能保持工況3的鍋爐兩側含氧量及CO質量濃度分布較均勻的效果。關小內二次風門后風機出口壓力約上升30 Pa，表明有一定的節流效果。

關小了中間4個燃燒器的內二次風后，降低了直流二次風對火焰的穿透力，降低了火焰溫度，減少了熱力型NOx的生成，而且更進一步提高了旋流外二次風量，保持燃燒的強化，CO質量濃度提高幅度可忽略不計，飛灰含碳有所降低。

4 結論

(1)改造后NOx質量濃度下降明顯，可以控制在240～260 mg/m3(標態)之間，飛灰含碳量低(低于1.5%)。說明燃燒器的擴流錐改變，在增加回流區強化燃燒、提高燃燒效率的情況下，能進一步促進煤粉的濃淡分離和降低主燃區溫度，有效地抑制了NOx的生成。

(2)從工況1與工況3的對比看，含氧量對NOx的影響符合熱力型NOx生成規律，降低含氧量后NOx質量濃度下降。

(3)根據工況4的結果看，燃燒器外二次風的旋流強度對NOx和CO的質量濃度影響明顯，燃燒器外二次風角度減小，旋流強度增大，強化燃燒，CO質量濃度趨于好轉，而NOx質量濃度上升。

(4)從飛灰及CO測試結果看，日常運行含氧量稍大，660 MW時總風量控制在2 100 t/h(含氧量3.0%左右)較合適，可減小排煙損失0.4%，且降低廠用電率。

(5)由于上層直流OFA偏轉角度以及主燃區外二次風的調整，可以有效改善兩側墻的還原性氣氛，可以有效抑制側墻的腐蝕，但因為受上層OFA偏轉角度以及外二次風調整幅度限制，難以做到使兩側墻保持與中心一致的含氧量分布，下一步可以考慮增加側墻燃燼風。

[1]袁鎮福.電站鍋爐原理[M].北京:中國電力出版社,1997.

[2]高小濤,黃磊,張恩先,等.1 000 MW機組鍋爐氮氧化物排放影響的試驗研究[J].熱能動力工程,2010,25(2):221-225.

[3]胡志宏,楊興森，王軍，等.1 000 MW超超臨界鍋爐燃燒優化調整[J].鍋爐技術，2008,39(4):42-46.

[4]高繼錄,鄒天舒,李志山,等.1 000 MW機組神華煤摻燒霍林河褐煤的試驗研究[J].動力工程學報,2012,32(6):430-434,475.

[5]王學棟,欒濤,程林,等.鍋爐燃燒調整對NOx排放和鍋爐效率影響的試驗研究[J].動力工程,2008,28(1):19-23.

(本文責編：劉炳鋒)

2017-04-24；

:2017-05-26

TK 222

：B

：1674-1951(2017)06-0037-04

蔡泓銘(1984—) ，男，廣東潮州人，工程師，工學碩士，主要從事電廠熱力設備優化運行研究(E-mail:caihm01@163.com)。