135MW机组复合式低氮燃烧器改造

2016-10-13河南能源化工集团鹤煤公司热电厂

电子世界 2016年17期

关键词：喷口水冷壁燃烧器

河南能源化工集团鹤煤公司热电厂王飞

135MW机组复合式低氮燃烧器改造

河南能源化工集团鹤煤公司热电厂王飞

利用先进的复合式低氮燃烧技术实现了燃用贫煤的煤粉锅炉50%的NOx减排效果，此项改造技术值运行稳定，值得同类型机组推广应用。

复合式低氮燃烧器；径向空气分级；SOFA轴向空气分级燃烧

1. 前言

随着人们生活水平的提高，对生存环境的要求也越来越高，火力发电厂锅炉在燃烧过程中产生NOx是硝酸型酸雨的基础，又是形成光化学烟雾、破坏臭氧层的主要物质之一，同时它是造成温室效应、酸性降雨和臭氧层破坏三大世界性环境问题的关键因素。

早起运行的锅炉使用的低氮燃烧技术相对比较落后，对于贫煤Nox排放浓度一般控制在650mg/Nm³以内，尽管在锅炉尾部装设了烟气脱硝装置，但由于烟气深度脱硝给锅炉运行造成不利影响。而较为先进的低氮燃烧技术能够有效的降低锅炉烟气中NOx的浓度，因此综合投资与经济性等方面因素的考虑，燃煤锅炉应用低氮燃烧技术实现氮氧化物减排是具有明显的技术优势，是新老机组NOx减排的首选技术。

2. 设备概况

鹤壁热电厂2×135MW机组锅炉系东方锅炉厂制造的超高压参数、一次中间再热II型布置、单炉膛、切圆燃烧、固态排渣、悬吊结构、管式空气预热器、自然循环燃煤汽包炉，采用平衡通风、直流式燃烧器，燃用煤种为贫煤。尾部竖井由中隔墙过热器分为前烟道和后烟道。在前烟道内布置上级省煤器，后烟道内布置冷段再热器，下级省煤器布置在两级空气预热器之间，空气预热器采用管式，由上、下两级组成。当前机组的NOx排放浓度约810～940mg/m³（标态，6%O2，5%NO2）。

炉膛四角的煤粉燃烧器布置方式为，每角燃烧器布置9层喷口，包括有3层一次风口，1层顶二次风（OFA）喷口，4层二次风喷口（其中2层布置有燃油装置）和1层三次风喷口。一次风喷口和三次风喷口都布置有周界风。

每台炉配置两台DTM350/600单进单出筒式钢球磨煤机，采用中间储仓制乏气送粉系统。

3. 原燃烧系统燃烧器诊断分析

3.1采用均等配风

根据原燃烧器设计参数，计算出燃烧器的配风情况如表3-1所示。

表3-1 原燃烧器各层喷口空气系数

从表中可看出，燃烧器区域氧量充足，整个燃烧器区域均处在过氧燃烧状态，高温区和高氧区重叠，燃料中的N元素迅速释放并被氧化成N0x燃料型NOx大大增加。

3.2切圆布置不合理

炉膛中心假象的双切圆分别由#1、#3角形成的Φ509mm和#2、#4角形成Φ630mm的逆时针方向旋转的假想切圆，OFA以15°反切该假想切圆。由于各角的一、二次风喷口中心线重合，没有形成“风包粉”的效果，造成了一、二次风在喷入炉内后煤粉第一时间就与过量二次风迅速混合并剧烈燃烧，可能导致锅炉水冷壁附近形成还原性气氛，造成水冷壁高温腐蚀和结渣，同时也违背了深度径向空气分级燃烧的原理，使得炉内燃料型NOx和热力型NOx大增。

由于原燃烧器双切圆同向旋转的设计使得炉内逆向的旋转动量矩过大，远大于OFA反切形成的顺向旋转动量矩，导致炉膛出口两侧烟温偏差较大。

4. 设计思路

采用“复合式低NOx燃烧技术”降低NOX排放。复合式低NOx燃烧技术主要包括着火初期垂直浓淡分级燃烧、挥发份燃烧阶段二次风大角度偏转径向空气分级燃烧、主燃烧器区域CCOFA空气分级燃烧、全炉膛SOFA空气分级燃烧。

4.1垂直浓淡燃烧技术

在燃烧器入口弯头设置浓淡分离设备将一次风分成浓淡两股。浓侧煤粉气流着火迅速，在与周围其他气流混和前即消耗掉大量氧气，使燃烧气氛迅速处于低氧状态，可大大抑制NOx生成；淡侧着火迅速，使得热解程度加深，更多的燃料N随挥发份一同释放，焦炭N大幅减少，而低NOx燃烧状态下挥发份N向NOx的转化率要比焦炭N向NOx的转化率低得多。淡侧煤粉浓度较低，着火初期燃烧温度较低，NOx排放也可控制在较低水平。

4.2径向空气分级燃烧

煤粉热解着火后，进入挥发份燃烧和焦炭燃烧初期阶段，此时一、二次风开始混合，控制好一、二次风的混合时机，维持此燃烧阶段氧浓度在理论最佳值，是此阶段降低NOX排放的关键。因此控制一、二次风射流的夹角，使二次风偏转实现炉膛径向空气分级，从而有效的控制NOX生成，且可以在炉内形成“风包粉”的燃烧效果，既保证了燃烧稳定又降低了水冷壁高温腐蚀，还可以防止水冷壁结渣。

4.3主燃烧器区域CCOFA轴向空气分级燃烧

在主燃烧器域顶部设CCOFA分级风，可以起到使一次燃烧区域燃烧前期阶段总氧量处于最佳氧浓度和为焦炭燃烧中期适时补充氧，保证燃烧速率。

4.4全炉膛SOFA深度轴向空气分级燃烧

将炉膛燃烧区域划分为两部分，减少下部一次燃烧区域配风，让燃烧初期处于欠氧条件，抑制NOx的生成，使得煤中大部分N元素转化为N2，在燃烧器上部一定高度处布置分离式火上风（SOFA），保证煤粉燃尽，保证锅炉燃烧效率。

5. 实施方案

总体布置：改造后保持主燃区各喷口间距及标高与原燃烧器一致，保持原来B、C层一次风喷口截面积不变；缩小二次风AA、AB、BC、CC层喷口截面积的同时，取消了顶OFA。

一次风布置：保持一次风喷口截面积不变，在一次风喷口中心设置V型稳燃钝体，提高锅炉的低负荷稳燃效果；为防止喷口结焦，在一次风喷口四周设置周界风，提高一次风煤粉射流刚度的同时让喷口得到充分冷却；在喷口两侧特意增设的扳边，引导两侧周界风至水冷壁近壁区，有效防止燃烧器喷口附近水冷壁高温腐蚀。

二次风布置：缩小二次风喷口面积，让进入主燃区的二次风总量减小，降低主燃区过量空气系数至0.8～0.85，优化了各燃烧阶段的氧浓度；同时增大AA层喷口截面积，保证下二次风对煤粉的托扶力，降低炉渣含碳量。

三次风布置：在原三次风管路设置一个三通，划分为2条支路；一条支路通过原三次风燃烧器位置进入炉膛，另一条支路引至SOFA风下层。当两套制粉系统运行时，调节两条三次风的开度，利用含煤粉较少的三次风作为调整炉膛主燃烧区域温度的手段，调节炉膛还原性气氛区域，降低NOx产生。

SOFA风布置：从锅炉两侧的二次风总风箱引出风管，接入炉膛原OFA上部3米处（标高22475mm位置），布置两层SOFA分离式燃尽风，并设计为可垂直、水平复合摆动±15°，用于改变炉内火焰中心位置，同时作为主再热汽温、煤粉燃尽和炉膛出口两侧烟温偏差的补充调整手段，从而实现了空气垂直分级燃烧。

6. 调整优化

6.1配风方式优化

改造后各喷口风速、风温与原设计值相同，改后炉膛出口总的过量空气系数为1.15，其中主燃区三次风（上）空气系数为0.85左右。SOFA燃烧器与主燃区上二次风喷口间距4米，保证还原性气氛具有足够的停留时间，且SOFA燃烧器离大屏底部距离能给燃烬足够的停留时间。

6.2空气动力场优化

燃烧器主燃区一、二次风在炉膛#1、#3角形成逆时针直径为的φ509mm的假想切圆，#2、#4角形成逆时针直径为φ630mm的假想切圆。因二次风反切角度为固定角度，尽管一、二次风假想切圆的旋转方向相反，但整个炉内气流的旋转方向是一致的，为获得一个用以衡量同心反切燃烧系统炉内空气流动结构的评价参数，采用以下公式计算出旋转气流的理论动量矩之比：