W火焰炉低氮燃烧改造可行性研究

赵建芳，朱德明，杜 振，何 胜

(1．华电滕州新源热电有限公司，山东 滕州 277500；2.华电电力科学研究院， 浙江 杭州 310031)

0 引言

我国是煤炭资源大国，其中无烟煤储藏量占到煤炭总储藏量的15%左右[1-2]，而“W”型火焰锅炉目前被认为是燃用低挥发份无烟煤的较好选择[3-4]。国内的W火焰锅炉几乎包含了世界上全部的W火焰锅炉炉型，其技术分别属于美国FW、美国B&W、法国阿尔斯通STEIN和英国MBEL公司[5-7]。这些W火焰锅炉在燃烧稳定性、低负荷稳燃能力、带负荷性能、运行可靠性及可用率方面有明显的优势，但也由于炉内温度水平普遍较高，设计空气分级程度通常较浅，从而导致NOx大量生成，即其技术本身决定其NOx控制能力弱于其他锅炉燃烧形式[1-8]。

《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)规定了W火焰锅炉的NOx排放限值[9]。而目前W火焰炉的NOx排放浓度基本都在1000mg/m3(标准状态，下同)以上，有的甚至高达1800～2000mg/m3，远高于常规燃烧方式锅炉的排放水平。如不采用低氮燃烧改造，则烟气脱硝改造须达到较高的脱硝效率，相应改造投资与运行费用也将大幅增加。因此，无论是从机组达标排放要求还是从技术或工程实施角度、经济性角度考虑，对W火焰锅炉进行低氮燃烧改造是非常必要的。

1 设备概况

黔北电厂1、2号2×300MW机组锅炉为北京巴威公司生产的亚临界参数、自然循环单汽包锅炉，采用 “W”型火焰燃烧方式，配置B&W专门用于燃用低挥发份燃料的浓缩型EI-XCL低NOx双调风旋流燃烧器，燃烧器布置在炉膛的前后拱上，并垂直于前后拱，前拱一排，后拱一排，每排各有 8 只燃烧器，共有 16 只燃烧器，其中 8 只燃烧器的二次风顺时针方向旋转，另 8 只逆时针方向旋转。

3、4号2×300MW机组锅炉为东方锅炉厂生产的亚临界参数、自然循环单汽包锅炉，采用 “W”型火焰燃烧方式，并配有24个双旋风筒分离式煤粉燃烧器，错列布置在锅炉下炉膛的前后墙拱上。每个燃烧器单元内布置6个二次风道及挡板，其中A、B、C挡板控制拱上部份的二次风量，D、E、F挡板控制拱下部份的二次风量。拱上部份二次风仅占二次风总量的30%～40%，大量的二次风(约65%～70%)从拱下垂直墙上的风口进入炉膛。

2 摸底试验

为了获得准确的脱硝改造基础数据，对黔北电厂1～4号炉进行了详细的测试，在不同氧含量的条件下，测试满负荷工况下1、2号炉和3、4号炉的烟气参数，测试结果如表1。

表1 摸底试验测试结果

项 目1、2号炉3、4号炉123123相组负荷/MW300300300300300282炉渣可燃物含量/%7.066.996.182.062.072.67飞灰可燃物含量/%5.765.739.443.823.794.78空预器入口氧量/%4.104.213.344.234.024.29修正后排烟温度/℃145147138134149 未燃碳热损失/%4.364.317.242.452.463.42排烟热损失/%5.435.464.534.704.974.63设计热效率/% 91.56 91.68 修正后的热效率/% 87.86～89.95 91.58～92.49NOx浓度/mg·m-3 1161～1337 1383～1638

分析可知，1、2号炉炉渣可燃物含量6.18%～7.09%，飞灰可燃物含量为5.73%～9.44%，相应未燃碳热损失为4.31%～7.24%，已明显高于设计值；3、4号炉炉渣可燃物含量为2.06%～2.67%，飞灰可燃物含量为3.79%～4.78%，相应未燃碳热损失为2.45%～3.42%，能控制在设计值范围内。而锅炉热效率方面，1、2号机组实际锅炉效率低于设计值，3、4号炉实际锅炉效率高于设计值。另外目前1、2号炉空预器入口NOx排放浓度较高时在1350mg/m3左右，3、4号炉空预器入口NOx排放浓度较高时在1650mg/m3左右，均已经超出了同类电厂NOx排放浓度水平。

3 低氮燃烧改造思路

低氮燃烧改造应立足锅炉和燃烧器现有实际条件，在保证锅炉效率和蒸汽参数稳定和可调的前提下大幅降低NOx排放。黔北电厂1、2号锅炉和3、4号锅炉虽然出自不同锅炉厂家，所采用的技术不尽相同，但同为W型锅炉，其锅炉燃烧系统低氮燃烧改造有共同的核心思路：即在拱下燃烧室内组织大回流长火焰燃烧方式，并通过SOFA风形成炉内深度空气分级低氮燃烧。

根据上述原则，建议方案的总体思路如下：

(1)应用空气分级燃烧技术，尽量降低下炉膛的过量空气系数，使主燃区处于缺氧状况，既可以减少主燃区燃料型NOx生成量，又可使煤粉无法完全燃烧放热提升炉内温度，避免局部高温现象，减少热力型NOx的生成。

(2)增加分级风量，并利用导流板将分级风下倾合适的角度，延缓与主煤粉气流的混合，推迟主煤粉气流的折返点，充分利用冷灰斗附近炉膛空间，并可降低冷灰斗壁面的结渣可能性。

(3)在上炉膛增加单层SOFA喷口，强化分级燃烧，推迟大量热空气与主煤粉气流的混合，使主煤粉气流在较低温处与大量空气接触，同时减少燃料型和热力型NOx的生成。SOFA喷口采用套管式内直外旋喷口，并且外环叶片角度可变，使旋流强度可调，加强燃尽风与主烟气流的混合。

4 改造方案

根据黔北电厂1、2号锅炉和3、4号各自锅炉燃烧系统的特性以及目前存在的问题，从强化煤粉的早期着火燃烧、提高火焰穿透深度、降低NOx排放、防止结渣和腐蚀等方面考虑，提出了低氮燃烧改造的可行性方案。

4.1 1、2号锅炉具体改造

4.1.1 1、2号锅炉存在的问题

W型锅炉对煤质的要求低，但煤粉燃尽率低、NOx排放浓度高是W型锅炉普遍存在的缺陷。黔北电厂1、2号锅炉由于煤质偏离设计煤种较多，煤粉细度粗且均匀性差，且在设计时较少考虑NOx减排措施，导致飞灰、大渣含碳量较高，锅炉效率偏低，煤耗偏高，NOx排放浓度相对较高。

经过多年的磨合后，1、2号锅炉运行情况有了较大改善。此次摸底试验结果显示，1、2号锅炉炉渣可燃物含量为6.18%～7.09%，飞灰可燃物含量为5.73%～9.44%，均比之前有了进步。但由于锅炉在当时设计时，较少考虑NOx减排措施，NOx排放浓度相对较高。

4.1.2 1、2号炉改造方案

(1)在前后墙标高大约28400mm处设置一层SOFA喷口(如图1)。

图1 锅炉改造方案

原锅炉没有设置SOFA风，造成拱上二次风风率过大，拱下主燃区处在富氧环境下燃烧，这虽有利于煤粉的燃尽，却大大增加了热力型NOx和燃料型NOx的生成。为降低NOx的生成，同时又不影响锅炉效率，改造方案设置了占总风量15%～20%的SOFA风。方案设计将SOFA喷口设计为内外两层，内层直流，外层旋流。这种高风速，并且内直外旋的设计不仅提高了SOFA风的刚度，保证了SOFA风射入炉膛的深度，也保证了SOFA风与炉内烟气混合的均匀性。

(2)优化风箱结构，将拱上风、分级风分开，新设SOFA风风箱。根据拱上风和分级风设计分配比率，在原前后墙风箱合理位置处设置一层隔板，将拱上风和分级风按设计比率分配，将分级风由分隔风仓改为统仓。配合分级风喷口下倾角度，在分级风合理位置处设置导流板。合理设计SOFA风箱，保证SOFA风风量及风速，并在SOFA风箱两头进口处合适位置设置风量测量装置。

(3)整体更换原有燃烧器，并更换一次风喷管耐磨铸钢，并在其中加装钝体，在出口处加稳燃环。

(4)分级风喷口的调整。将单只燃烧器的分级风喷口由4个喷口改为2个喷口，增加16个电动风门，同时将喷口位置适当下移，并调整喷口下倾角。一方面加大主气流的下冲深度，提高下炉膛的火焰充满度，保证燃烧效率；另一方面，延缓一二次风的混合，扩大还原性气氛区域，延长煤粉在还原气氛区域的停留时间比例，有效控制燃料型NOx生成，同时可避免煤粉集中放热形成局部高温，减少热力型NOx生成。

4.2 3、4号锅炉具体改造

4.2.1 3、4号炉存在的问题

黔北电厂3、4号锅炉在2010年前后对制粉系统进行了改造，使煤粉细度及煤粉的均匀性得到较大改善，磨煤机出力也有一定程度的提高，但锅炉目前运行中仍然存在以下几个主要问题：全部燃烧用空气在下炉膛燃烧区域集中供给，使燃烧区域处于氧化性气氛中；下炉膛燃烧区域内烟气温度水平较高，导致在其他炉型中占比很少的热力型NOx生成量显著增加。两侧墙结焦严重，已导致四角燃烧器停运。目前锅炉运行中F风挡板开度为两侧小、中间大，其目的是增加炉膛中部的供风量。尽管目前运行中采取了在炉膛宽度方向上使风门挡板处于不同开度的措施，但炉膛断面上的氧量分布情况仍然是中间低，两侧高。由此可以说明炉膛两侧墙结焦严重的主要原因并不是炉膛两侧墙水冷壁附近烟气中的氧浓度过低，而是燃烧中的高温烟气(煤粉火焰)直接冲刷两侧墙水冷壁所致；锅炉高负荷时运行氧量偏低，加风会导致燃烧波动。

4.2.2 3、4号炉具体改造方案

鉴于黔北电厂3、4号锅炉原燃烧器主要起到稳燃效果，对NOx排放控制效果有限，因此建议对燃烧设备进行整体更换改造，更换为新型低氮燃烧器。同时，在拱上垂直墙上一定高度处增设一层SOFA风，并在目前实际运行基础上进一步减小下炉膛F风风量的供给，以降低锅炉NOx排放量、提高燃烧稳定性。

(1)SOFA风布置。在拱上垂直墙(前后墙)上增设SOFA风。SOFA风喷口及风箱的布置位置和尺寸需考虑原锅炉结构的限制条件，新增的SOFA风喷口及风箱布置在标高为31500mm和28500mm的两层刚性梁之间。如下图5所示。SOFA风喷口数量为26只，前后墙各13只。SOFA风喷口沿炉膛宽度方向的布置位置位于相邻的两个煤粉燃烧器之间，在四角煤粉燃烧器外侧靠近两侧墙处布置有SOFA风喷口，用于增加两侧墙水冷壁附近烟气中的含氧量，有利于缓解两侧墙水冷壁的结焦状况。前后墙各布置一只SOFA风风箱为，SOFA风从下方的二次风风箱两端原设计院风道上引出，通过连接风道引至SOFA风风箱。

SOFA风喷口通过风箱附挂在水冷壁上。SOFA风风箱入口处设有风门挡板，每角的风门挡板配1套执行器，全炉共需新增4套风门执行器。连接风道上设置风量测量装置，每角1套，全炉共4套，风量测量装置配差压变送器，可输出4～20mADC模拟量信号。新增的连接风道“坐”在原设计院风道上(局部加固)，它与SOFA风风箱之间设置非金属膨胀节，以吸收热态时的膨胀差。SOFA风喷口的结构如下图3所示，它将SOFA风分为内外两股，中间为直流风，外周为旋流风。两股风的风量均可通过风门开度进行调节。

图2 SOFA风喷口结构

由于新增SOFA风的布置位置受锅炉现场条件的限制，因此其喷口中心线到拱上垂直墙拐点的距离较大，达到5260mm。为避免将来SOFA风与上升烟气的混合过分延迟而影响煤粉的燃尽和造成锅炉减温水量的大幅增加，SOFA风喷口考虑按下倾一定角度设计。这种结构型式同时还有利于加强SOFA风与上升烟气的混合均匀性。增设SOFA风后，该区域前后墙上原布置的吹灰器、观察孔及测量孔等需进行位置调整或取消。

(2)拱下F风风口导流板。原F风风口导流板可固定在目前长期运行位置上，即60℃角度位置。在导流板前端搭焊梳型板，梳型板前端与水冷壁管子贴合，这样可进一步改善导流板对风向的导流作用，同时原F风导流板的调节机构应予固定。

4.3 改造效果

黔北电厂1至4号锅炉在实施低氮燃烧改造后，在燃用设计煤种时，锅炉性能保证如下：

(1)锅炉效率不降低，CO排放水平不高于 300μL/L，NOx排放浓度不高于850mg/m3(标态、干基、6%O2)。在锅炉正常运行负荷下，锅炉主、再热蒸汽参数能够达到设计值并稳定运行。

(2)在锅炉额定负荷下，各级减温水流量在可调节的范围内，且不超过设计值。

(3)燃烧器改造后，在燃煤煤质变化范围内，能保证锅炉长期、安全、稳定运行。

(4)屏过、高过、高再等受热面的金属壁温在正常范围内。

(5)火焰中心适当，不刷壁，炉膛出口左右两侧烟温偏差在50℃之内。

5 结语

通过对黔北电厂1至4号W火焰锅炉实际运行状态进行分析，得出NOx排放浓度偏高的主要原因，并提出1至4号机组W火焰炉低氮改造的方案，即在拱下燃烧室内组织大回流长火焰燃烧方式，并通过SOFA风形成炉内深度空气分级低氮燃烧。同时针对1、2号炉和3、4号炉各自特性提出具体的改造方案，保证在锅炉效率不降低，CO排放水平不高于 300μL/L的条件下，1至4号W火焰锅炉的NOx排放浓度不高于850mg/m3，从而为W火焰锅炉低氮燃烧改造提供可行性的方案，保证W火焰锅炉下一步烟气脱硝改造的顺利开展。

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[9]GB13223-2011,火电厂大气污染物排放标准[S].