超超臨界鍋爐燃燒器配風調整對NOx排放影響的試驗研究

施志敏

（浙江浙能溫州發電有限公司，浙江 溫州 325602）

近年來，國家相繼出臺《大氣污染防治行動計劃》《火電廠大氣污染物排放標準》《煤電節能減排升級與改造計劃》等規定。浙能集團在國內創造性地提出了燃煤機組排放達標到或優于燃氣機組排放標準的方向性目標，在全國率先提出“燃煤機組煙氣超低排放”的概念。浙能溫州發電有限公司四期擴建工程#7、#8機組的超低排放與主體工程按“三同時”（同時設計、同時施工、同時投產）建設投運的超超臨界660 MW機組[1]。煙氣清潔排放指燃煤機組達到《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223-2011）中燃氣輪機組排放限值標準，即在基準氧含量6%條件下，煙塵排放濃度≤5 mg/m3、二氧化硫排放濃度≤35 mg/m3、氮氧化物排放濃度≤50 mg/m3[2]。對于電廠來說，降低NOx排放最經濟和快捷的方式就是調整燃燒過程，而制粉系統運行方式的優劣直接影響爐內燃燒的質量。本文針對溫州電廠四期#7機組660 MW超超臨界鍋爐進行制粉系統燃燒器配風優化調整試驗，就制粉系統的不同組合方式、燃燒器外二次風、內二次風旋流葉片調整、中心風調整試驗等對鍋爐出口NOx排放的影響規律進行分析，以滿足鍋爐出口NOx排放要求。

1 制粉系統及燃燒器簡介

1.1 設備簡介

7號機組660 MW超超臨界燃煤鍋爐為北京B&W公司制造的超超臨界變壓運行直流鍋爐，型號為B&WB-1958/29.3-M。采用螺旋爐膛、一次再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架和露天布置的Π型鍋爐，制粉系統為中速磨煤機正壓直吹系統。鍋爐負荷在BRL工況時保證熱效率不小于94.35%，鍋爐出口NOx排放不超過240 mg/Nm3（以NO2計，O2=6%）。主要設計參數如表1所示，燃用設計煤種如表2所示[3]。

表1 鍋爐主要設計參數

表2 燃煤特性

1.2 制粉系統簡介

采用中速磨煤機正壓冷一次風直吹式制粉系統，配置6臺HP1003-Dyn型碗式中速磨煤機，采用前后墻對沖燃燒方式，配有24只AireJet燃燒器、12只DRB-4Z型燃燒器，分三層布置在鍋爐的前后墻上，其中24只AireJet燃燒器布置在前、后墻的上層和中層，12只DRB-4Z型燃燒器布置在前、后墻的下層，每層前后排各6只燃燒器。磨煤機按照推薦的分離器轉速與磨煤機出力關系曲線運行，如圖1所示，并按照推薦的風煤比曲線運行，如圖2所示。

AireJet燃燒器能夠高效地燃燒煤粉，通過合適的調節手段在燃燒器喉口處建立穩定的著火點，實現燃料和空氣分級燃燒，并與OFA噴口聯合使用，大幅度降低NOx的排放。

圖1 分離器轉速與磨煤機處理關系曲線

圖2 風煤比曲線

AireJet燃燒器軸向的中心風區域依次被環形的煤粉噴口、內二次風區域、外二次風區域環繞。憑借中心風區和內、外二次風區的設計，環形煤粉噴口的一次風粉混合物被自內向外和自外向內地點燃和著火。軸向的熱中心風能夠加速和強化點火，提供更多的氧到燃料內部，使火焰根部劇烈燃燒，產生的高溫促使更多的煤粉在燃燒過程早期析出揮發分。由于火焰內部氧的消耗，富燃料狀態瞬間產生，產生烴基，這些烴基從NO分子中搶奪氧，將NOx還原為無害的氮。內二次風通過固定軸向葉片快速旋轉，與煤粉氣流的外表面相接以加速點火和燃燒。外二次風通過可調軸向葉片適當地旋轉，促使近火焰處形成大的內部回流區，卷吸高溫煙氣回流到中心富燃料處，使早期形成的NOx在進入火焰中心欠氧區后被還原為無害的氮。隨著火焰向爐膛深處傳播，燃燒器的二次風繼續與燃燒產物混合。

DRB-4Z型燃燒器布置為兼有微油點火（僅后墻）及穩燃功能的燃燒器，利用了分級燃燒的特點。煤粉噴口位于燃燒器中心區，可以有效地控制空氣/煤粉在火焰根部的相互作用，二次風通過一次風道外側的三個環形風道進入燃燒器，二次風量可以調節。其中，少量的二次風進入環繞在一次風道外圍的過渡區，以控制火焰中心富燃料區域的氧量，這有利于降低NOx的生成量。在過渡區外環依次是內二次風區和外二次風區，二次風可分別進入這兩個區域，通過可調軸向葉片產生旋轉的二次風氣流，控制空氣與一次風的混合，再通過控制燃燒率及二次風量來降低NOx的生成量。二次風在燃燒過程中逐漸地與初期燃燒的產物混合，完成煤粉的燃盡，如圖3所示[4]。

圖3 DRB-4Z型燃燒器設計原理

2 試驗結果與分析

2.1 磨煤機組合方式試驗

2.1.1 640 MW左右負荷試驗

在640 MW左右負荷進行了ABDEF、ABCEF、ABCDE磨煤機組合方式試驗，參數如3表所示。

表3 640 MW左右負荷試驗參數

ABCEF和ABDEF磨煤機組合方式對比試驗結果表明，與D磨運行相比，C磨運行時生成的NOx濃度低，壁溫和汽溫等參數更好，建議多采用ABCEF的磨煤機運行方式。

2.1.2 500 MW負荷試驗

在500 MW進行了ABEF、ACEF、ABDF磨煤機組合方式試驗，參數如表4所示。

表4 500 MW負荷試驗參數

ABEF、ACEF、ABDF等磨煤機組合方式試驗結果表明，相同負荷啟動一臺上層磨煤機運行，NOx會升高30～50 mg/Nm3，建議在500 MW負荷附近盡量采用四臺磨煤機代替五臺磨煤機運行。

2.1.3 330 MW左右負荷試驗

在330 MW左右分別進行了ABF、AEF等磨煤機組合方式試驗，參數如表5所示。

表5 330 MW負荷試驗參數

ABF、AEF、ABEF等磨煤機組合方式試驗結果表明，相同負荷停一臺磨煤機運行，NOx可降低60～100 mg/Nm3，且ABF比AEF的磨煤機組合方式NOx的生成更少。建議在330 MW負荷附近盡量采用三臺磨煤機代替四臺磨煤機運行，在降低廠用電率的同時，降低NOx生成，并保證二次風箱壓力。

2.2 燃燒器外二次風旋流葉片調整試驗

在維持鍋爐其他運行參數基本不變的條件下，通過調整燃燒器外二次風葉片開度改變外二次風的風量和旋流強度，以考察燃燒器外二次風風量和旋流強度變化對鍋爐運行安全性與經濟性的影響，如表6所示。

表6 燃燒器外二次風旋流葉片調整試驗參數

外二次風旋流葉片開度越大，氣流的旋轉越弱，卷吸高溫煙氣回流的能力越差；適當增強燃燒器（尤其是底層燃燒器）的旋流強度，對提高火炬的穩燃能力有利。另外，旋流強度增強還會改變火炬的形狀，對火檢探測有利。旋流葉片旋流增強會在一定程度上增加燃燒器噴口的阻力，提高氣流的抗爐膛負壓擾動能力。

2.3 燃燒器內二次風旋流葉片調整試驗

在維持鍋爐其他運行參數基本不變的條件下，通過調整燃燒器內二次風擋板的開度改變燃燒器內二次風的風量分配和旋流強度，以考察燃燒器內二次風風量分配和旋流強度對鍋爐運行安全性及經濟性的影響，如表7所示。

表7 燃燒器內二次風旋流葉片調整試驗參數

改變內二次風的旋流葉片開度，目的是提高穩燃能力，但35°的內二次風旋流會導致偏燒加重和渣量增加。建議內二次風旋流葉片的開度調整為45°。

2.4 中心風調整試驗

如表8所示，中心風關小，可以提高風箱壓力，但SCR入口NOx的生成濃度會顯著升高。中心風關小對提高低負荷火炬著火區域溫度和穩燃有利，但會增加NOx生成。建議考慮在負荷低于330 MW時，將運行層的1號和6號燃燒器的中心風關小至15%運行，其他層的中心風仍保持55%的開度

表8 中心風調整試驗參數

2.5 二次風配風方式調整試驗

通過改變各層二次風的調風套筒開度，分別進行了正塔型、倒塔型和均等型二次風配風方式調整試驗，如表9所示。

表9 二次風配風方式調整試驗參數

倒塔型二次風配風方式可降低SCR入口NOx的濃度，但會造成爐膛左右側氧量偏差。建議二次風小風門采用80、45、30、30、45、80的U型二次風配風方式，在保證二次風箱壓力的同時，提高爐膛爐膛熱負荷和配風的均勻性。

3 結論

本文通過現場試驗研究了制粉系統的運行方式，分析了制粉系統的不同組合方式、燃燒器外二次風、內二次風旋流葉片調整、中心風調整試驗等對鍋爐出口NOx排放的影響規律，相關結果可以為鍋爐安全環保經濟運行提供參考。

磨煤機組合方式較多，必須合理選擇。當五臺磨煤機運行時，盡量采取ABEF磨加C磨的方式，在500 MW負荷運行時盡早停運上層C或D磨煤機運行，保持ABEF制粉系統運行。在330 MW運行時保持三臺磨煤機運行，推薦ABF磨煤機的組合方式。燃燒器外二次風旋流葉片開度通過試驗表明，推薦AF燃燒器外二次風旋流葉片開度55°；BE燃燒器外二次風旋流葉片開度60°或70°；CD燃燒器外二次風旋流葉片開度70°。

燃燒器內二次風旋流葉片開度通過試驗表明，推薦燃燒器內二次風旋流葉片開度統一開至45°。中心風門開度通過試驗表明，推薦330 MW及以上負荷：中心風門開至55%；對于330 MW以下負荷，將未投運燃燒器的中心風門關小至10%。在一系列的試驗過程中，煤種變化對NOx的排放有一定的影響。