600MW機組低氮燃燒器改造的研究與應用

史澤東

（四川廣安發電有限責任公司，四川 廣安 638500）

關健詞：鍋爐；燃燒器；低NOx燃燒；飛灰含碳量

1 前言

燃燒器作為燃煤機組的重要設備，其煤粉著火特性及穩燃性能對鍋爐安全高效運行就顯得至關重要。然而，受煤粉濃淡分布、爐內氣流結構、受熱面磨損等因素的影響，燃燒系統出現了屏式過熱器超溫嚴重，NOx排放偏高，高溫受熱面煙氣熱偏差大，水冷壁高溫硫腐蝕和結焦，飛灰含碳量過高及大渣含碳高等現象，嚴重制約機組安全經濟運行。因此，研究燃燒器超溫結焦及氮氧化物排放高的原因并對燃燒器進行相應的優化改造就尤為重要。

朱振武等人針對前后墻對沖旋流燃燒鍋爐爐膛結渣等問題，采用在燃燒器出口新增加擴錐、減小擴錐角度的措施對燃燒器進行改造，改造后鍋爐掉渣頻率明顯減少，機組運行安全性顯著提高。袁宏偉等人針對OPCC型旋流煤粉燃燒器在運行過程中存在NOx排放偏高、燃燒器區域結焦和部分燃燒器燒損等問題，采用改造設計煤種及改變燃燒器一次風、二次風擴角的方法對燃燒器進行改造，改造后脫硝入口NOx下降到100mg/m3左右，并且燃燒器燒損、結焦現象得到明顯改善。邱成勇等人針對燃燒器磨損嚴重、結渣嚴重、水冷壁管超溫及鍋爐NOx排放量較高等問題，采用加長一次風管及增加25°內二次風與外二次風界筒上擴口的改造措施，改造后，氮氧化物水平下降150mg/m3左右，汽溫壁溫超限情況消失，并解決了噴口結焦問題。

一電廠600MW燃煤機組進行了燃燒器優化改造，在保證鍋爐效率的同時，有效解決了屏式過熱器超溫嚴重、飛灰含碳量、大渣含碳量高、水冷壁平均結焦及NOx排放高等問題，使鍋爐可以安全高效運行。

2 機組概況

2.1 鍋爐概況

一電廠600MW機組61#鍋爐于2006年建成并投產，61#鍋爐為東方鍋爐（集團）股份有限公司設計制造的DG2028/17.45-II5型亞臨界參數自然循環鍋爐。鍋爐采用一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態排渣、尾部雙煙道、全鋼構架的∏爐，空氣預熱器置于鍋爐主體內，采用煙氣擋板調節再熱汽溫，表1為鍋爐主要設計參數。

表1 鍋爐主要設計參數

原燃燒系統采用東方鍋爐廠自行開發設計前后墻對沖燃燒方式的外濃內淡型低NOx旋流煤分燃燒器（OPCC），總共30只旋流煤粉燃燒器分3層布置在前后墻的6只大風箱上，配以6臺中速磨煤機，每臺磨煤機為同一大風箱上的5只煤粉燃燒器提供風粉混合物。

2.2 制粉系統

本機組采用前后墻對沖燃燒方式，制粉系統為中速磨正壓直吹式系統，磨煤機為ZGM113型中速磨煤機，共6臺，其中1臺備用。

同一層的5只燃燒器與一臺磨煤機相連，燃燒器的投、停與磨煤機的投、停同步，25只燃燒器投運即可帶滿負荷，燃燒器與磨煤機的連接關系如圖1所示，表2為設計煤質與改造煤質參數。

圖1 燃燒器與磨煤機的對應關系

表2 設計煤質與改造煤質參數

2.3 燃燒系統概況

鍋爐的燃燒設備主要由煤粉燃燒器、燃盡風調風器、大風箱、燃油裝置及風門用氣動執行器等組成。

鍋爐水冷壁上共配有30只低NOx軸向旋流式煤粉燃燒器，分三層布置，前后墻每層各有5只燃燒器，燃燒器上部布置有燃盡風調風器，前后墻上各有5只燃盡風調風器布置成一排，圖2為爐膛燃燒系統布置圖。燃燒系統布置時充分考慮了燃燒器之間的相互影響：燃燒器層間距離、列間距離分別為4400mm和3680mm；燃盡風調風器中心線距最上層燃燒器中心線4000mm；屏底距上層燃燒器中心線18947mm；冷灰斗拐點距下層燃燒器中心線3250mm；水冷壁距最外側燃燒器中心線2990mm。

圖2 爐膛燃燒系統布置圖

（1）燃燒器。在燃燒的不同階段，燃燒器一次風、二次風、三次風及中心風分別通過一次風管、燃燒器內同心的二次風、三次風環形通道及中心管分別送入爐膛。其中二次風通道內布置有固定的軸向旋流器，三次風采用切向旋流型式，其旋流強度可調；（2）燃盡風調風器。燃盡風調風器的配風由內外兩部分組成，中心部分為直流風，外部為旋流風；（3）大油槍層中心風管。中心風母管自大風箱兩端引入中心風，通過各支管與燃燒器內的中心風管相連，提供大油槍運行時所需要的風量，并起到停運時冷卻和防止灰渣聚集的作用；（4）小油槍層助燃風管。小油槍層助燃風管由冷一次風母管引入，為小油槍投運時，提供必要的氧量，正常運行中維持800～1200Pa壓力；（5）風門用氣動執行器。大風箱（含二次風箱及燃盡風箱）入口處風門均配有執行器，可實現連續調節，全爐共16只。中心風母管入口處風門執行器，全爐共12只；（6）大風箱。大風箱由6只二次風箱和2只燃盡風箱組成，二次風自空預器經鍋爐兩側風道送入前后墻的風箱，每只風箱為一層5只燃燒器或燃盡風調風器提供所需用風；（7）燃油裝置。鍋爐的燃油裝置采用兩級點火，即高能點火器點燃輕油油槍和輕油油槍點燃煤粉。單支油槍出力為1350kg/h，油槍采用機械霧化。

61#爐為B、C層的[DBC-OPCC型]旋流煤粉燃燒器原設計中心風管放置點火啟動大油槍取消，改為微油燃燒器，改造后可以實現使用微油量對煤粉的分級點火、分級燃燒和低負荷穩燃，同時保證原有的燃燒特性和調節特性，鍋爐正常運行中不會對爐內燃燒工況產生任何不良影響。

3 燃燒系統現存問題及原因分析

鍋爐自投運以來，燃用煤質由于采用混煤（煙煤、次煙煤、貧煤）摻燒，雖然摻混后入爐煤質的工業分析基本與設計值偏差不大，但存在以下主要問題。

（1）屏式過熱器超溫嚴重，減溫水量嚴重超標。其主要原因為：主燃燒器的一次風為外濃內淡布置，不利于煤粉在低氮模式缺氧環境下的著火，著火推遲造成燃燒中心上移，鍋爐設計爐膛高度偏低，燃燒中心上移后加劇了對流受熱面超溫，減溫水量大的問題；（2）NOX排放偏高，平均質量濃度為600～700mg/Nm3。其主要原因為：鍋爐燃燒系統原設計燃盡風與主燃燒區域距離太近；（3）高溫受熱面煙氣熱偏差大，煙溫偏差最高時達100～200℃，其主要原因為：燃燒器偏燒。（4）爐膛主燃燒器區域的側墻水冷壁高溫硫腐蝕嚴重，且存在結焦現象。燃燒器器區域水冷壁平均結焦在100～200mm，屏式過熱器底部結焦嚴重，最大焦塊在1噸左右。其主要原因為：原燃燒器設計內、外二次風噴口擴錐角度設計不合理，著火推遲，低氮模式下內外二次風旋轉動量下降，擴散太快，使煤粉顆粒甩至燃燒器四周貼壁燃燒；（5）燃燒器存在噴口結焦、沖刷磨損、變形，其主要原因為：中心管支撐磨損，造成中心管偏離；（6）飛灰含碳量過高，經常性的飛灰含碳量高達到6%～7%。其主要原因為：C層為微油燃燒器，煤粉無濃淡設計，著火特性差，造成飛灰含碳較高；（7）大渣含碳高，全年平均大渣含碳量高達9%～10%。其主要原因為：低氮模式下內外二次風旋轉動量小，容易造成二次風包不住煤粉顆粒。

4 改造方案

本次燃燒系統改造在不改變燃燒器布置標高及位置、不新增燃燒器的基礎上，通過加強煤的著火，使著火提前，從而控制爐膛火焰中心高度，加強煤粉的燃盡的方法，保證了低氮燃燒，同時控制飛灰、大渣含碳水平及減溫水量。具體改造內容涉及以下幾個方面：（1）C層支微油點火燃燒器（5只）改為內濃外淡強著火燃燒器；（2）常規主燃燒器（共20只）改為內濃外淡強著火燃燒器。

改造后，在BMCR工況下，燃燒器噴嘴性能設計參數如表3所示。

表3 燃燒器噴嘴性能設計參數（BMCR 工況）

本次燃燒器改造采用內濃外淡的煤粉分布，中心回流加熱，外環著火的燃燒組織形式，燃燒器的結構示意圖如圖3所示，改造包括以下幾方面內容。

圖3 內濃外淡強著火示意圖

（1）原內淡外濃煤粉分離裝置改為內濃外淡，主要體現為取消原一次風風筒內的兩級撞擊椎體，改為在一次風風筒內側布置喉口裝置，煤粉通過喉口裝置后形成內濃外淡分層。因此，中心回流加熱可直接加熱濃側煤粉，在提高著火點濃度的同時，可以提高著火點煤粉的溫度，在低氮燃燒模式下（著火點缺氧）實現煤粉的提前著火。（2）為了防止燃燒器內與煤粉接觸的部件磨損，在距離噴口較遠的低溫區域，全部采用貼陶瓷片防磨，陶瓷片不僅通過高溫膠黏結在部件上，同時通過固定錐焊接固定在部件上，防止陶瓷片脫落；在距離噴口較近的高溫區域，所有部件采用耐高溫耐磨的高鉻高鎳鑄造合金鋼制造，材質為ZG40Cr28Ni16Si2NRe。（3）將一次風、內二次風擴錐角度由45°更改為40°，同時縮小外二次風面積，提高外二次風剛性。為了防止受熱變形，二次風擴錐采用耐高溫的高鎳合金鋼整體鑄造成型，材質為ZG40Cr25Ni20。外二次風擴錐采用剛玉高溫可塑現場制型。（4）在中心風管前端設置穩燃齒，加強燃燒器的穩燃性能。為了防止中心管支撐磨損，造成中心管偏離，在中心風管支撐的迎風面設置整體貼陶瓷包裹。

5 燃燒器改后效果實驗

61#鍋爐于2022年10月對燃燒系統進行了優化改造。改造后機組于11月18日點爐，至今運行正常。改造前后，運行參數對比如表4所示。

表4 改造前后鍋爐運行參數

改造后，在保證鍋爐效率的情況下，高溫受熱面煙氣熱偏差減少170℃，屏式過熱器減溫水減少120t/h，超溫現象得到明顯改善，飛灰含碳量減小3.2%，大渣含碳量減小6.9%，NOx排放減小367mg/m3，減碳降氮效果明顯。

6 結語

對60MW機組進行了燃燒器優化改造，實測了改造前后高溫受熱面煙氣熱偏差，屏式過熱器減溫水、飛灰含碳量、大渣含碳量及鍋爐NOx排放水平。實驗結果表明，改造效果良好，具體結論如下。

（1）減小一次風、內二次風擴錐角度，同時縮小外二次風面積，提高外二次風剛性，可以延緩一次風與二次風的混合，從而減低NOx排放水平以及緩解水冷壁結焦問題，其中NOx排放水平減少367mg/m3。

（2）內濃外淡煤粉分離裝置可以通過中心回流加熱可直接加熱濃側煤粉，提高著火點濃度的同時，可以提高著火點煤粉的溫度，從而在低氮燃燒模式下使煤粉著火提前，改造后屏式過熱器基本不超溫，減溫水減少到100t/h，飛灰含碳量減少3.6%，大渣含碳量減少6.9%。

（3）低溫區域采用貼陶瓷片，高溫區域采用耐高溫耐磨的高鎳合金鋼可以實現有效防磨，噴口結焦、沖刷磨損、變形現象得到明顯改善，高溫受熱面煙氣熱偏差小于30℃。