三种典型火力发电机组低氮燃烧器改造工程分析

文 王雪锋 深圳能源集团股份有限公司 骆晓春 高亮明 深圳妈湾电力有限公司

丁成云 广东省东莞市沙角B电厂 程业韬 深圳南山热电股份有限公司

火电厂产生的氮氧化物主要有三种形式：燃料型、热力型和快速型氮氧化物。燃料型氮氧化物主要由燃料中氮化物氧化转化形成，约占总生成量的80%～90%，是减排的主要控制对象。热力型氮氧化物主要由空气中的N2在高温环境下氧化生成的，一般约占总生成量的10%～20%。燃料挥发物中的碳氢化合物高温分解生成的CH自由基与空气中的氮气生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成，约占总含量的1%。

深圳能源集团公司先后对妈湾电厂国产300MW四角切圆亚临界锅炉（国产机组全国首台）、沙角B电厂进口350MW前后墙对冲亚临界锅炉和南山热电GE9E燃气轮机低氮燃烧器低氮燃烧改造工作，氮氧化物减排效果显著，对国内电力行业氮氧化物减排具有较好的示范作用。

1 低氮燃烧工程改造技术原理

1.1 妈湾电厂国产300MW四角切圆亚临界锅炉改造技术原理

该技术的特点是将炉内燃烧的三维空间，在水平方向上划分为近壁区和中心区两个区域；同时在垂直方向上划分为两个燃烧区段，每个燃烧区段有分别包含一个氧化区、一个还原区和一个燃烬区，通过各区域燃烧配风比例的变化，实现分区燃烧，达到降低氮氧化物生成、防止炉内结渣的目的。

采用国电科环公司的“双尺度燃烧技术”（结构见图1），主燃烧区一次风喷口采用空间浓淡燃烧技术组合分布，下三层一次风成一组（A层上浓下淡/B层水平浓淡/C层下浓上淡），上三层一次风成一组（D层上浓下淡/E层下浓上淡/F层下浓上淡），沿炉膛高度方向控制过量空气系数分布降低NOX生成，改造采用一次风反切小切圆，一三角二次风对冲布置，二四角二次风正切布置形成正切圆，并在二次风喷嘴布置有贴壁风防结渣和高温腐蚀，在燃烧器上方4.5m布置四层椭圆形结构燃尽风喷嘴，其中三层运行一层备用达到灵活调节的目的。

在炉膛横截面上形成了“中心区”和 “近壁区” ，贴壁风（结构见图2）不改变主射流方向，在近壁区保持足够的氧气存在，防止炉膛结渣及高温腐蚀 。

1.2 沙角B电厂前后墙对冲亚临界锅炉改造原理

采燃料分级、空气分级优化降氮技术。将煤粉气流浓淡分级燃烧，浓煤粉进行贫氧燃烧，产生大量未燃挥发份气体，由于缺氧环境使区域温度较低，抑制热力型NO产生；淡煤粉推迟补入已燃烧的浓煤粉气流，使浓煤粉气流中大量的挥发份利用淡煤粉过量氧气进行充分燃烧，同时其燃烧产生的NO在焦炭燃烧过程中部分被还原，从而抑制NO生成。

炉内配风优化：在相同负荷、保持总空气量不变的情况下，减少下层燃烧区域的氧量，同时增加上层燃烧区域的氧量，适当分配空气，可以使主燃烧区域为缺氧气氛，减少氮元素被氧化的可能，即减少燃料型NOX的生成；而上部燃烧区域为富氧气氛，降低了此区域的温度，进一步减少了热力型NOX的生成，抑制了总氮氧化物生成量。

1.3 南山热电PG9171(E)燃气轮机改造原理

燃汽轮机这种不注入降氮物质的燃烧方式称为干式低氮燃烧，南山热电此次改造采用的GE 公司DLN-1燃烧技术是一个二级掺混燃烧的一个过程。燃烧系统分成4个主要组成部分：燃料注入系统、导流套筒、文丘里流量控制器、冒盖中心组合体。第一阶段通过混合燃料提供一个统一、欠氧、未燃的燃料空气混合物，第二阶将第一阶段的混合物与第二阶段过氧燃料混合物充分燃烧，从而实现降低氮氧化物排放的目标。全过程通过气体燃料注入系统上的流量控制阀实现。

与改造前燃烧器相比，单个燃烧器喷嘴由1个变成了7个，中心1个，其余6个围绕中心喷嘴布局。一级燃料喷嘴布置在二级燃料喷嘴的外围，形成了沿径向的燃料分布，并且二级燃料的相对走向位置前后错开，充分利用了火焰筒的横截面进行燃料分级，实现浓淡燃烧，从而保证燃烧室的性能同时降低氮氧化物的排放。

同时在启停机阶段，燃料供应模式由1种变成了4种进行控制：一级燃烧模式：点火到20%负荷，全部燃料供给一级燃烧区域；贫-贫燃烧模式：20%～50%负荷70%燃料供应一级燃烧区域，30%燃料供应二级燃烧区域，燃烧在一与二级区域均发生；二级燃烧模式：通过燃料转换系统将燃料与燃烧转换至二级燃烧区域，使燃烧从贫-贫燃烧转换到预混燃烧模式；预混燃烧模式：负荷从50%向100%过度，83%燃料供应一级燃烧区域，17%燃料供应二级燃烧区域，一级燃烧区内的燃料与通过旋流器供入的空气形成了均相预混的可燃气体供入二级燃烧区，在二级燃烧区内燃烧。在二级燃烧区内及大部分燃料都是在比较稀释的状态下，以预混火焰传播方式进行燃烧的，因而能达到在高负荷工况下控制NOX排放量的目的。

2 改造后效果分析比较

三种机型改造效果均比较成功，达到预期减排目标，对降低机组氮氧化物排放有明显效果，同时对改进燃煤机组燃烧工况，减少结焦、结渣均有较好成效，达到预期值（具体见表1）。

表1 三种典型火力发电机组低氮燃烧器改造效果比较

3 改造工程中需注意的问题

3.1 燃煤机组改造需关注的问题

从工程实际情况来看，均采用浓淡燃烧的原理来降低氮氧化物排放，炉膛空间越大，进行低氮燃烧器改造效果越好；炉膛空间狭小，对改造设计要求更高。不同磨煤机组合下燃烧器区域和折焰角区域的温度对比数据均表明，燃烧器改造后，炉膛火焰中心易产生上移，原有的换热平衡被打破，辐射换热比例减小，对流换热比例增大（尤其是低温过热器），从而导致目前运行中一级过热减温水量偏大，过热器和再热器管壁超温问题。

同时由于改造后火焰中心上移，煤粉颗粒在炉内的停留时间缩短，煤粉颗粒未完全燃烧即进入尾部烟气通道，导致飞灰可燃物含量较高。此外，一次风煤比、磨煤机出口折向门挡板、燃烧器挡板和配风方式设置不合理也是引起飞灰可燃物含量高的可能原因。

3.2 燃气轮机机组改造需注意的问题

北方某电厂9E机组陪DLN1低氮燃烧器，运行13100h后停机检修发现火焰筒损坏、过渡段出现不同程度的磨损。主要原因有运行超时、某些结构设计存在缺陷、运行控制参数设置不合理等。修复、替换损坏的燃烧室部件后,机组运行正常。改造后需严格按照运行参数控制燃烧，按时进行检修检查工作，确保设备安全稳定运行。