600 MW机组中心给粉旋流燃烧技术改造试验研究

张 骞，徐有宁，关风一

(沈阳工程学院a.研究生部;b.能源与动力学院，辽宁 沈阳110136)

1 中心给粉旋流燃烧技术

中心给粉旋流燃烧器结合了径向空气分级技术和浓淡燃烧技术的优点，并与OFA系统相结合。利用中心给粉燃烧技术对某600 MW机组的锅炉燃烧系统进行改造，改造后通过改变二次风和燃尽风量进行优化试验，得到最优的NOx排放量和锅炉效率。

2 锅炉改造前的基本情况

机组装机容量为600 MW，锅炉为HG-1956/25.4-YM1型超临界参数变压运行直流炉，双进双出钢球磨冷一次风机正压直吹式制粉系统，32只低NOx轴向旋流煤粉燃烧器(LNASB)，分4层布置于前后墙，对冲燃烧，上层14只燃尽风喷口对冲布置于前后墙。尾部布置双烟道，利用烟气挡板调节再热汽温，采用喷水减温方式控制过热汽温，空气预热器为容克式三分仓回转式，锅炉一次再热。锅炉的设计煤种、校核煤种均为现场目前燃用的义马、山西和陕西煤种的混煤。改前锅炉的主要技术参数如表1所示。

3.2 空气分级燃烧技术

为了强化主燃区的还原性气氛，在改造过程中，将布置在前、后墙燃烧器正上方的14只燃尽风装置进行更新，扩大燃尽风喷口面积，将燃尽风率增加到总风量的23.82%。每个燃尽风装置的配风均由直流二次风和旋流二次风组成。燃尽风中心为直流二次风，这部分气流刚性大、扩散衰减速度慢，可以直接穿透上升烟气直达炉膛中心部位，不会造成炉膛中央缺氧;外层为旋流二次风，其扩散角大、衰减速度快、刚性弱，能够与炉膛前、后水冷壁附近的上升烟气迅速、均匀地混合，不会造成靠近壁面附近的部位缺氧。通过改变直流二次风和旋流二次风的比例及旋流强度，可达到使煤粉最大限度地燃尽并抑制NOx生成的效果。

表1 改前锅炉BMCR工况主要参数

在主燃区除最下层4只燃烧器外，其余燃烧器改为中心给粉燃烧器，其结构如图1所示。中心给粉旋流燃烧器采用双调风形式，内层为轴向弯曲叶片，叶片不可调;外层为直叶片，叶片可调;内、外二次风旋转方向相同。内二次风引燃煤粉，外二次风补充空气，实现轴向的空气分级。煤粉喷入的位置正对中心回流区的中心部分，增加了穿过回流区的煤粉量，延长了煤粉在回流区的停留时间，增加了煤粉在还原性气氛的停留时间，有效地减少NOx的生成。

图1 中心给粉燃烧器结构

4 试验结果及分析

4.1 冷态实验及参数的确定

在现场冷态空气动力场试验中，利用热线风速仪和等温模化技术测量并得到燃烧器及微油燃烧器的一次风速和内、外二次风速。利用燃烧器飘带流场示踪实验和粉末示踪试验对燃烧器出口流场进行测量并观察燃烧器的回流区特性。在外二次风叶片角度分别为40°、35°和45°时，中心回流区的直径和长度分别为1 200～1 600 mm。

通过粉末示踪试验，燃烧器模化一次风速为16 m/s时较为合理，可以携带粉末到达炉膛中心，燃烧器不存在刷墙现象，不会造成水冷壁结渣。

4.2 锅炉热态试验结果及分析

热态试验除了探究不同工况下NOx的生产量以外，还将飞灰含碳量、炉渣含碳量及不同工况下捞渣机运出的炉内掉焦情况进行比对。

4.2.1 二次风挡板开度的选取

1)二次风量由二次风挡板控制，在二次风量达到设计值(即1 286 t/h)并保证射流强度的情况下，满负荷时，二次风挡板需全开。

2)内二次风设有挡板，调节内风风率配比。在改造过程中，保证二次风挡板全开，内、外二次风叶片角度和燃尽风喷口参数不变，考察内二次风挡板开度分别为60%、80%、100%时NOx的生成量，其结果如图2所示。

当内二次风风率增加时，内二次风与一次风混合加快，一次风粉加快向二次风中的扩散，并且二次风风率的增加使射流的旋流强度和回流区的径向尺寸增加，使更多煤粉有机会进入回流区，利于稳燃和抑制NOx的产生。但是由于内二次风对一次风的拉动作用使煤粉向外扩散的能力增强，使回流区内的煤粉浓度减少，在还原性气氛中燃烧的煤粉颗粒减少，使NOx的生成量相对增加，而且内二次风风量的增加也使氧量增加，减弱了还原性气氛，进而增加NOx的生成量。由此可见，内二次风风率对NOx的影响不可能是上面两种现象相互作用的结果。内二次风挡板开度的增加，使回流区起点位置前移，加剧燃烧器喷口的结渣问题，因此，内二次风挡板的最佳开度选择为60%。

图2 内二次风挡板开度对NOx生成率的影响

4.2.2 二次风角度的选取

外二次风叶片角度对燃烧器喷口射流的旋流强度、射流扩展角和回流区径向大小等都有重要的影响。外二次风叶片角度增大，回流区径向范围减小，射流扩展角也减小，不利于稳燃;外二次风叶片角度减小，利于稳燃，但会增强二次风对一次风在径向的拉动作用，使煤粉颗粒向外扩散，造成水冷壁结渣以及高温腐蚀等问题。类似的内二次风叶片角度对燃烧器回流区的起点位置、燃烧器回流区的长度、一次风与二次风的前期混合也有一定影响。

内二次风叶片角度增大，回流区的起点随之前移并且回流区的径向范围增大，利于稳燃。但会使叶片间的通道变小，阻力变大，并且回流区起点位置的前移会导致着火点前移，容易引起燃烧器喷口结渣;内二次风叶片角度减小，则回流区起点随之后移并且回流区的径向范围减小，不利于稳燃。

在电厂实际改造中，内二次风叶片角度不可调，外二次风叶片角度可调。因此，外二次风叶片的参数作为控制回流区特性、射流强度、射流扩展角的唯一参数。结合冷态实验结果，考察热态情况下外二次风叶片角度为40°和45°时燃烧器着火点的位置及NOx的生成量。每层选取一支前墙燃烧器(编号为1～4)和一支后墙燃烧器(编号为5～8)测量着火点，结果如表2所示。

外二次风角度越大，回流区起点越后移，导致着火点位置越后移。随着外二次风角度增大，回流区径向尺寸变小，导致NOx的生成量增加。外二次风角度为40°时，燃烧器喷口结焦情况较严重，因此将着火点后移，选择外二次风角度为45°时，炉内的结渣现象得到很好的缓解。

表2 变外二次风叶片角度试验结果

4.3 燃尽风风量试验

燃尽风风量由燃尽风挡板控制，燃尽风主要使未燃碳粒子燃烧更完全，提高燃烧效率。燃尽风风量的增加可以强化主燃区的还原性气氛，并且使火焰中心上移。在下层燃烧器参数及氧量不变的情况下，控制燃尽风挡板开度分别为20%、40%、60%进行了试验，并测出了相应的炉膛出口NOx的含量、飞灰和大渣的含碳量，试验结果图3所示。

图3 燃尽风挡板开度与固体可燃物含碳量及NOx生成量的关系

试验结果表明，燃尽风挡板开度在20%到40%之间，随着燃尽风挡板开度的增加，NOx的生成量逐渐减小;但当开度达到40%以后，对NOx的生成量影响并不大，因为主燃区生成的大量还原性组分(HCN、NH3、HCNO等)和未燃碳粒子已经较充分的对NOx进行了还原分解。燃尽风挡板开度大于40%以后，随着燃尽风量的增加，会加强燃尽区的富氧性而使NOx的生成量逐渐增加。燃尽风挡板的开度对于煤粉的完全燃烧有影响，由图3可以看出，当燃尽风挡板开度由20%增大到40%时，炉渣含碳量明显减少，未完全燃烧就进入尾部烟道的煤粉颗粒逐渐减少，开度在40%时未完全燃烧的煤粉颗粒已经较少，当燃尽风挡板开度增大到60%时飞灰含碳量无明显增加。同时，由于火焰中心上移，内二次风挡板开度和外二次风角度的优化选取使着火点后移，使燃烧器喷口结焦情况基本消失。

4.4 变氧量试验

保持其他因数不变，改变二次风量来调整炉膛出口过量空气系数。由于需要保证风箱风压，炉膛出口氧量最低只能达到3.5%。设定炉膛出口氧量分别为3.72%、4.27%、4.6%、5.26%，观察氧量变化对 NOx的排放量和锅炉效率的影响，其结果如图4所示。

图4 炉膛出口氧量与NOx生成量、锅炉效率的关系

炉膛出口氧量为3.72%时，NOx的排放量最低为451 mg/m3，锅炉效率为92.87%;炉膛出口氧量增加到4.27%时，NOx的排放量变为508 mg/m3，效率为93.03%;氧 量 为 4.5% 时，NOx的 排 放 量 为485 mg/m3，效率为 93.5%;当氧量增加到 5.26% 时，NOx的排放量增加到最高值为514 mg/m3，锅炉效率升高到93.12%。总体而言，NOx的排放量随氧量的增加而增加，效率随氧量的增加而升高。氧量的增加使过量空气系数增加，燃料燃烧更充分，飞灰含碳量降低，锅炉效率随之增加而NOx的生成量也增加。

由于电厂燃煤为取自多地的混煤，燃煤的挥发分含量在28%～41%之间波动。当燃烧挥发分较高的煤时，氧量的降低并不会引起飞灰可燃物的增加;同时由于氧量的降低使排烟温度降低，排烟热损失降低，进而燃烧效率会相对增加。燃煤挥发分较高使得燃烧初期大量的挥发分会在低氧的情况下燃烧，强化了还原性气氛，降低NOx的生成量。

氧量较低时，效率较小且易发生结焦，因此炉膛出口氧量选取4.5% ～5.5%较为合适。

5 结论

1)改前炉膛出口 NOx的排放量为650～750 mg/m3，改造之后实测的炉膛出口NOx的排放量可降到400～500 mg/m3，降低了30% ～40%。

2)锅炉满负荷运行时，二次风挡板开度为100%，可保证射流强度和二次风量的要求，将内二次风挡板开度减小到60%，NOx的排放量略有增加，对燃烧器喷口的结渣有所缓解。

3)燃烧器外二次风叶片角度选取为45°时，NOx的生成量为477 mg/m3，略高于外二次风叶片角度为40°时NOx的生成量459 mg/m3，但外二次风叶片角度越高，越能有效缓解燃烧器喷口的结渣问题。

4)燃尽风有效地实现了轴向的空气分级，燃尽风挡板开度在达到40%以后，主燃区的还原性和燃尽区的富氧性就达到平衡。当燃尽风挡板开度达到40%时，NOx的排放量为485 mg/m3，此时炉内的可燃物燃烧较为完全，且燃尽区的强富氧性并未引起NOx的生成量增加。

5)考虑效率及锅炉内的结焦问题，氧量需控制在4.5% ～5.5%之间，此时NOx的生成量为500 mg/m3左右，与最低的NOx的生成量451 mg/m3相比，差距在可接受范围内，可根据NOx的排放量及飞灰含碳量进行调整。NOx的排放量较高时，可适当降低氧量;反之，则适当增大氧量。飞灰含碳量高时，可适当增大氧量;反之，则适当降低氧量。将氧量控制在4.5%左右，燃烧效率与改前基本持平。

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