雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器在W火焰鍋爐低氮改造中的應(yīng)用

閆東海，劉啟亮，張樹同，馬國志，李 誠

（國家能源菏澤發(fā)電有限公司，山東 菏澤 274032）

1 鍋爐概況

鍋爐為英國巴布科克有限公司制造的亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)加內(nèi)螺紋管、單爐膛、全懸吊、平衡通風(fēng)、W 型火焰、露天布置、固態(tài)排渣燃煤汽包爐，配正壓直吹式制粉系統(tǒng)。鍋爐采用W型火焰燃燒方式，在爐膛前后拱上各布置3 組狹縫式直流燃燒器，每組包括2 只主煤粉噴口、2 只乏氣噴口和2 只油槍，二次風(fēng)與一次風(fēng)噴口間隔布置，三次風(fēng)從下部爐膛前后爐墻的底部進(jìn)入爐膛，燃燒器和風(fēng)系統(tǒng)布置如圖1 和圖2 所示。鍋爐設(shè)計(jì)燃用85%的無煙煤和15%半無煙煤的混合物（如表1 所示），配3 臺(tái)雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)的一端分別對應(yīng)一組燃燒器［1］。磨煤機(jī)單端出來的煤粉氣流送往爐拱上部的旋風(fēng)子，進(jìn)行濃淡分離后分別進(jìn)入主煤粉噴口和乏氣噴口垂直射入下爐膛燃燒。為降低NOx排放濃度，進(jìn)行了燃燒系統(tǒng)低氮改造。

圖1 爐膛噴燃器布置

圖2 爐膛一二三次風(fēng)及底部風(fēng)布置

表1 鍋爐設(shè)計(jì)煤種

2 改造方案

2.1 主燃燒器系統(tǒng)改造

將原設(shè)計(jì)的12 只主煤粉噴口由狹縫式直流燃燒器改造為中心風(fēng)旋流燃燒器，如圖3 所示，該燃燒器為環(huán)形套筒結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外依次為中心直流二次風(fēng)、中間環(huán)狀濃粉氣流、外環(huán)旋流二次風(fēng)。中間環(huán)狀噴口噴出的濃粉受到縱向剛性較強(qiáng)的中心二次風(fēng)和橫向旋流較強(qiáng)的外環(huán)二次風(fēng)裹挾［2］。燃燒器燃燒煤粉所需要的二次風(fēng)小部分通過方形口作為中心二次風(fēng)進(jìn)入爐膛，風(fēng)量由入口蝶形擋板門手動(dòng)調(diào)節(jié)；大部分通過調(diào)風(fēng)套筒后經(jīng)外環(huán)二次風(fēng)通道進(jìn)入爐膛。外環(huán)二次風(fēng)通道由煤粉管道和二次風(fēng)筒形成，內(nèi)裝12個(gè)軸向葉片，通過設(shè)置在燃燒器兩側(cè)的二次風(fēng)葉片調(diào)節(jié)桿可調(diào)節(jié)軸向葉片開度，開度減小，外旋二次風(fēng)旋流強(qiáng)度增強(qiáng)；反之旋流強(qiáng)度減弱，根據(jù)燃燒器燃燒需要，設(shè)定軸向葉片的開度范圍為40°～80°（與燃燒器軸線夾角為10°～50°），這個(gè)角度范圍內(nèi)噴出的二次風(fēng)既可使與煤粉氣流外表面旋轉(zhuǎn)接觸，又能確保煤粉的著火和火焰內(nèi)部的回流。除此之外，在燃燒器蓋板上裝有看火孔裝置、火焰溫度檢測器、電子點(diǎn)火裝置和油槍等裝置。

圖3 中心旋流燃燒器

2.2 乏氣風(fēng)口優(yōu)化改造

依據(jù)煤粉管道空間布置情況，將原設(shè)計(jì)的12 只旋風(fēng)子煤粉濃縮裝置更改為8 只分離式煤粉濃縮器和4 只彎頭式煤粉濃縮器。煤粉濃縮器分離出來淡粉氣流經(jīng)乏氣噴口下傾35°送入爐膛，乏氣噴口前后墻各6 個(gè)，較原設(shè)計(jì)位置下移，并將乏氣風(fēng)噴口與主煤粉噴口所在豎直平面錯(cuò)開布置，如圖4 所示。該布置方式優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：一是下移有利于回流的高溫?zé)煔饽苤苯蛹訜嵋淮物L(fēng)的根部；二是錯(cuò)列并下傾射入可避免乏氣直接沖擊主火焰，有效利用下爐膛的空間。二者均有利于煤粉的著火、穩(wěn)燃及燃盡。保留乏氣管路上可調(diào)縮孔并增設(shè)氣動(dòng)關(guān)斷插板門，當(dāng)入爐煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，可通過可調(diào)縮孔調(diào)整，增強(qiáng)機(jī)組的煤種適應(yīng)性；當(dāng)某組制粉系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，須將該磨組對應(yīng)的濃、淡粉燃燒器插板門關(guān)閉，以防爐膛高溫?zé)煔饣蚧鹧嬖跐獾弁ǖ篱g形成通道，燒損粉管及燃燒器。

圖4 乏氣風(fēng)下移結(jié)構(gòu)

2.3 新增設(shè)OFA 噴口

改造在燃燒器風(fēng)箱拱上標(biāo)高27 100 mm 增設(shè)一層燃盡風(fēng)（Over Fired Air，OFA） 噴口，前后墻各8只，下傾15°安裝。OFA 噴口采用雙風(fēng)區(qū)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，噴口中心區(qū)為圓形二次風(fēng)直射，以保持燃盡風(fēng)剛性能夠穿透進(jìn)入爐膛中心；噴口中心外環(huán)狀風(fēng)區(qū)為旋流，促進(jìn)二次風(fēng)與高溫?zé)煔獬浞只旌希瑵M足煤粉燃燒后期送入的二次風(fēng)沿爐膛左右寬度方向和近壁處均勻分布，OFA 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為煤粉的后期燃盡提供必需的氧量，利于促進(jìn)煤粉顆粒的充分燃燼，降低飛灰含碳量。OFA 噴口外環(huán)裝有開度40°（與燃燒器軸線夾角成50°）的固定葉片。

圖5 燃盡風(fēng)噴口

2.4 三次風(fēng)調(diào)整優(yōu)化

低氮改造前風(fēng)箱分為6 個(gè)分級風(fēng)風(fēng)箱，前、后墻各3 個(gè)，每個(gè)風(fēng)箱內(nèi)三次風(fēng)縫隙式水平射入。這樣的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)進(jìn)入爐膛時(shí)很容易發(fā)散，沒有剛度。本次改造在每個(gè)分級風(fēng)風(fēng)箱里設(shè)置4 只分級風(fēng)噴口，將噴口形狀由原來的長方形改為圓形，并增設(shè)導(dǎo)流管，下傾25°布置，以增強(qiáng)分級風(fēng)剛度，利于后期對煤粉燃燒氣流的托舉，保持火焰形狀，提升穩(wěn)燃能力［3］。為防止燒損變形，分級風(fēng)和乏氣噴口均采用Cr50Ni50 材質(zhì)。每個(gè)分級風(fēng)風(fēng)箱上由一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)擋板單獨(dú)控制，對應(yīng)磨組燃燒器停運(yùn)時(shí)，分級風(fēng)關(guān)小到冷卻狀態(tài)。二次風(fēng)系統(tǒng)如圖6 所示。

2.5 拱上二次風(fēng)噴口優(yōu)化

圖6 鍋爐二次風(fēng)系統(tǒng)

本次改造拱上二次風(fēng)的設(shè)計(jì)結(jié)合了美國巴威旋流燃燒器及英巴直流狹縫式燃燒器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用燃燒器中心風(fēng)、外環(huán)二次風(fēng)與拱上狹縫二次風(fēng)相結(jié)合的配風(fēng)形式（如圖7 和圖8 所示）。每個(gè)燃燒單元間隔布置方形二次風(fēng)噴口，由于該噴口和旋流燃燒器間隔布置且風(fēng)速較高，可以避免二次風(fēng)過早與旋流燃燒器一次風(fēng)射流會(huì)合，對于煤粉燃燒初期水平方向的配風(fēng)較為合理，使煤粉燃燒初期處于缺氧還原性氣氛，有利于抑制NOx的生成［4］。對于鍋爐前后墻角部燃燒器外側(cè)增設(shè)長條方形二次噴口，對側(cè)墻水冷壁也有一定的保護(hù)作用，避免結(jié)焦。

圖7 燃燒器與狹縫二次風(fēng)間隔布置

圖8 拱上狹縫二次風(fēng)結(jié)構(gòu)

2.6 鍋爐穩(wěn)燃與結(jié)焦控制優(yōu)化

由于W 火焰鍋爐的燃燒特點(diǎn)，無煙煤或貧煤的燃燒可能會(huì)引起結(jié)焦，特別是翼墻的位置如果結(jié)大焦，將會(huì)對鍋爐安全造成較大的影響。為此，取了一小部分二次風(fēng)作為翼墻防焦風(fēng)，在翼墻頂每個(gè)角，開翼墻風(fēng)孔，從頂部向下吹風(fēng)，在翼墻近壁處形成風(fēng)幕，防止翼墻結(jié)焦。

借鑒以往改造經(jīng)驗(yàn)，目前W 火焰鍋爐的衛(wèi)燃帶面積達(dá)不到鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃要求，利用此次機(jī)會(huì)在鍋爐翼墻和左右側(cè)墻增加了一些衛(wèi)燃帶，并對增加的衛(wèi)燃帶進(jìn)行區(qū)域成塊處理，在提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力的同時(shí)還能降低衛(wèi)燃帶結(jié)大塊焦的可能。

3 改造后效果分析及優(yōu)化調(diào)整

3.1 鍋爐初期運(yùn)行概況

改造后的雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器著火良好，爐內(nèi)燃燒較穩(wěn)定，一次風(fēng)及燃燒器系統(tǒng)阻力明顯減小，一次風(fēng)機(jī)耗電率明顯下降，主汽和再熱汽溫平均值及波動(dòng)幅度均能滿足規(guī)程要求，低負(fù)荷工況下再熱汽溫較額定值略低，后來隨燃燒系統(tǒng)調(diào)整優(yōu)化及煤質(zhì)摻配水平提升，主汽及再熱汽溫趨于額定值運(yùn)行；汽包水位隨負(fù)荷升降波動(dòng)明顯，鍋爐整體適應(yīng)山東電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制正常模式能力削弱。飛灰含碳量偏高，300 MW 負(fù)荷下約為15%，入爐煤粉取樣化驗(yàn)結(jié)果顯示不均勻且過粗，3 臺(tái)磨煤粉細(xì)度R90從7.5%至18%不等，平均約為13%（如表2 所示）；磨煤機(jī)分離器各回粉管鎖氣器頻繁卡澀，動(dòng)作不靈敏，造成回粉管長時(shí)間處于全開或堵塞狀態(tài)，導(dǎo)致進(jìn)入燃燒器的煤粉細(xì)度過粗或者不均勻。啟動(dòng)初期選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）反應(yīng)器入口原煙NOx排放值約600 mg／m3，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200 mg／m3，因此，燃燒調(diào)整時(shí)應(yīng)在兼顧爐效的同時(shí)盡量降低SCR 入口的NOx質(zhì)量濃度。

表2 各取樣位置煤粉細(xì)度化驗(yàn)結(jié)果 單位：%

3.2 優(yōu)化燃盡風(fēng)配比調(diào)整

為保證燃盡風(fēng)穿透自下而上的煙氣流射入爐膛中部，需要采用足夠高的風(fēng)量和風(fēng)速，但是從表3 可以看出，同等負(fù)荷工況下，燃盡風(fēng)門開大，會(huì)造成飛灰含碳量不同程度的上升，但是，不同燃盡風(fēng)門開度下爐膛出口原煙NOx質(zhì)量濃度整體不高，在煤質(zhì)差飛灰可燃物較高的情況下，可減小燃盡風(fēng)比例，建議燃盡風(fēng)開度在30%以下。

3.3 優(yōu)化拱上二次風(fēng)和分級風(fēng)配比

拱上二次風(fēng)和分級風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。低氮改造后更換了燃燒器形式，并將乏氣噴口下移，相對原設(shè)計(jì)，目前在分級風(fēng)區(qū)域燃燒的煤粉量增加了。試驗(yàn)中通過關(guān)拱上風(fēng)門和開分級風(fēng)門將二次風(fēng)從拱部向分級風(fēng)區(qū)域輸送，實(shí)際上二次風(fēng)系統(tǒng)的阻力是增大的，調(diào)整同時(shí)總的送風(fēng)量會(huì)下降。結(jié)合具體試驗(yàn)工況對比可以看到，高負(fù)荷分級風(fēng)比例相對低負(fù)荷要大一些，說明火焰中心是下移的，需要提高下爐膛配風(fēng)比例。

表3 燃盡風(fēng)比例調(diào)整試驗(yàn)

表4 拱上二次風(fēng)和分級風(fēng)比例調(diào)整試驗(yàn)

3.4 優(yōu)化燃燒器中心風(fēng)和外二次風(fēng)旋流調(diào)整試驗(yàn)

由于改造后煤粉下行深度是增加的，需要增強(qiáng)爐拱上高溫?zé)煔饣亓鞔龠M(jìn)煤粉氣流提前著火，保證煤粉的有效行程。本次試驗(yàn)中按照現(xiàn)有的煤質(zhì)和燃燒狀況摸底，對中心風(fēng)和外二次風(fēng)旋流進(jìn)行調(diào)整，控制中心風(fēng)量不過高，同時(shí)增強(qiáng)二次風(fēng)旋流。調(diào)整后的中心風(fēng)和外二次風(fēng)旋流如表5 所示，在調(diào)整后煤粉氣流著火提前，降低了飛灰可燃物含量［5］。

表5 燃燒器中心風(fēng)和外二次風(fēng)旋流調(diào)整試驗(yàn)

4 運(yùn)行注意事項(xiàng)及建議

負(fù)荷較低或者檢修需要停運(yùn)磨組時(shí)，要及時(shí)關(guān)閉磨組對應(yīng)的濃、淡粉閥，以防在濃粉燃燒器口和乏氣噴口之間形成煙氣循環(huán)回路，導(dǎo)致乏氣管道燒損。為防止?fàn)t膛結(jié)焦，鍋爐送風(fēng)量不能過小，確保省煤器后氧量顯示在3.2%以上。機(jī)組在低負(fù)荷三臺(tái)磨運(yùn)行工況下，由于一次風(fēng)率高，NOx生成量增加，氧量可適當(dāng)降低，同時(shí)燃盡風(fēng)開度可增加10%。對于磨風(fēng)量控制由于目前確料位顯示不準(zhǔn)確，建議在目前基礎(chǔ)上整體增加10%磨通風(fēng)量，控制低料位。

5 結(jié)語

鍋爐改造后基本達(dá)到了安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，滿足了超低排放的要求，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)化提供參考。為改善改造后鍋爐高負(fù)荷工況下結(jié)焦及飛灰含碳量高等問題，可進(jìn)一步更換A、B 動(dòng)態(tài)分離器降低煤粉細(xì)度，并加強(qiáng)入爐煤質(zhì)摻配調(diào)整。