高效低NOx燃烧器改造在扬电公司的应用、出现的问题及对策

2016-11-24熊晨阳

工程技术研究 2016年9期

关键词：喷口煤种风门

熊晨阳

（江苏华电扬州发电有限公司，江苏扬州 225000）

高效低NOx燃烧器改造在扬电公司的应用、出现的问题及对策

熊晨阳

（江苏华电扬州发电有限公司，江苏扬州 225000）

为满足环保NOx排放量的要求，我厂330MW机组锅炉采用双尺度防结渣、低NOx燃烧技术对燃烧器进行了改造。改造后锅炉在机组负荷220～330MW、保证锅炉效率的前提下，NOx排放量能够稳定控制在50mg/m3以内，但也给锅炉安全、稳定和经济运行带来了一定的影响。实践证明，对应负荷控制氧量，结合锅炉的配煤掺烧，合理配风，优化热工自动控制等方法，既降低NOx排放，又能使锅炉安全、稳定、经济运行。

低NOx燃烧器；改造；应用；问题；对策

锅炉燃煤燃烧过程中排放的NOx气体危害大，且较难处理，它刺激人的呼吸系统、损害动植物、破坏臭氧层，也是引起温室效应、酸雨和光化学反应的主要物质之一。为响应国家环保政策，江苏华电扬州发电有限公司对330MW机组锅炉进行低氮燃烧改造，以实现氮氧化物排放浓度降低的目标。

1　锅炉概况、原燃烧器

江苏华电扬州发电有限公司#6炉为东方锅炉股份有限公司生产，型号DG1036/18.2-∏4，锅炉为亚临界参数、四角切圆燃烧方式、自然循环汽包炉。单炉膛∏型露天布置，一次再热，平衡通风、固态排渣，全钢架、全悬吊结构，炉顶带金属防雨罩。

每角燃烧器共有13层喷口，其中一次风喷口5层，二次风喷口7层（其中3层二次风喷口内设有油枪）、用于降低NOx生成量的顶二次风喷口1层。一次风喷口四周有周界风，每角燃烧器分上下两组。上组燃烧器有6层喷口，下组燃烧器有7层喷口。

燃烧器为水平浓淡燃烧器，在一次风风管中采用“百叶窗”式的煤粉浓缩器。采用均等配风方式，不利于降低NOx的生成。

2　改造方案

双尺度防结渣、低NOx燃烧技术以炉膛空间尺度和煤粉燃烧过程尺度为重点关注对象，全面实施系统优化。将炉内大空间整体作为对象，通过炉内射流合理组合及喷口合理布置，炉膛内中心区形成具有较高温度、较高煤粉浓度和较高氧气区域，同时炉膛近壁区形成较低温度、较低CO和较低颗粒浓度的区域，使在空间尺度上中心区和近壁区三场（温度场、速度场及颗粒浓度场）特性差异化。在燃烧过程尺度上通过对一次风射流特殊组合，采用低NOx喷口，节点功能区技术、多角度非等速燃尽风等技术，强化煤粉燃烧、燃尽及NOx火焰内还原，并使火焰走向可控，最终形成防渣、防腐、低NOx及高效稳燃多种功能的一体化。

2.1燃烧器低NOx改造措施

纵向三区布置：如图1所示，改造后燃烧器从下至上分为三个区，依次为主燃烧器区、主还原区及燃尽区。主燃烧器区为集中氧化还原区，风量约占总风量的70%～80%，保证煤粉初期燃烧；在主燃烧器上方合适位置引入适量的燃尽风，约占总风量的20%～30%，燃尽风采用多喷口多角度射入；在主燃烧器区与燃尽区之间形成了主还原区。

由于部分助燃风从燃尽区引燃，主燃烧器区内氧化与还原交替相存，氧化有助于煤粉初期燃烧，升高炉温，促进煤粉燃尽，但会产生较多的NOx，局部还原区可以初步还原产生的NOx，使NOx在初始燃烧时就得到抑制；在主还原区内，来自主燃区的NOx得到充分还原；燃尽区内将作为燃尽风的二次风及时补充进来，促进焦碳最后燃尽。通过纵向三区布置，形成纵向空气分级，NOx将得到极大抑制，飞灰可燃物也会得到控制。

由于实现纵向空气分级，燃烧器区域有所扩大，燃烧器区域热负荷降低，炉内温度峰值降低，可以减少或消除热力型NOx产生，并有效防止燃烧器区域附所壁面结渣。横向双区布置（见图2）：对炉内射流进行重新调整，将原有的一、二次风同向大角度偏置射流改为一、二次风反向小角度偏置射流。两层一次风之间还布置的贴壁风喷口，形成横向空气分级。这种横向布置，可使一次风初始燃烧时，二次风不能过早混合进来，形成缺氧燃烧，在火焰内就进行NOx还原，抑制NOx产生；在火焰末端，二次风再及时掺混合进来，使缺氧燃烧时产生的焦炭再燃烧；二次风反向切入，可以延长火焰行程，强化煤粉后期着火燃烧。同时，这部分二次风在近壁区域形成了较低的温度、较低的颗粒浓度和较高的氧化性气氛，提高灰熔点，在防治炉膛结渣的同时，可抑制水冷壁的高温腐蚀。

图1　纵向三区分布示意图

2.2低NOx燃烧器

一次风设计喷口为上下浓淡分离形式，中间加装稳燃钝体形式，浓淡燃烧除可降低NOx外［1］，还可对煤粉稳燃、提前着火有积极作用。浓相由于煤粉浓度较高，析出挥发份较多，更易实现早着火，同时钝体能优先增加卷吸的高温烟气量，进一步强化稳燃。

图2　燃烧器横向双区布置示意图

节点功能区的建立。将下层一次风设计为上浓下淡燃烧器喷口，上层一次风布置为下浓上淡一次风喷口，两层一次风喷口中间的二次风小角度与一次风射流偏置，同时布置贴壁风喷口。这样的喷口组合，具有稳燃、降低NOx的作用，将中间二次风和贴壁风风门开大，可实现NOx和飞灰可燃物同时降低（见图3）。

图3　节点功能区示意图

多喷口多角度燃尽风喷口，考虑到改造后将解决结焦问题，炉膛出口烟温会出现下降，加装适量燃尽风后，将SOFA喷口设计为可上下左右摆动的喷口，通过燃尽风喷口上下摆动可控制炉膛出口烟温水平。同时燃尽风喷口还可水平摆动，向炉膛内不同区域内按需供风，保证降低NOx同时取得较高的锅炉经济性。

3　改造效果

改造后，能在保证锅炉效率的前提下，经脱硝系统后，有效控制NOx排放量在环保要求的50mg/m3范围内，节约了液氨费用及脱硝运行费用（见表1）。

4　低氮燃烧技术应用改造后出现的问题及原因分析

4.1灰、炉渣可燃物增加

改造后，虽然NOx降幅很大，但即使在燃用同一煤种时，飞灰可燃物升幅也较大。主要是低氮燃烧技术采用低温、低氧燃烧，控制和推迟煤粉的着火，使煤粉燃烬能力下降，飞灰和炉渣可燃物增大［2］，如表1所示。

4.2蒸汽参数偏离设计值，过、再热减温水量增加，屏过或再热器超温

改造后，火焰中心上移，炉膛出口烟温上升，炉膛温度下降，炉膛水冷壁辐射吸热量减少，对流受热面的吸热量增加，存在过热汽温、再热汽温超设计值、再热器管壁超温的问题，过、再热减温水量大幅增加。另外四层SOFA风门调整不合理，无法形成有效消旋流场，烟气流场偏向，造成两侧烟温偏差［3］，使再热器壁温偏差大，单侧超温增加减温水。

表1　改造前、后NOx测试结果对比

4.3炉内燃烧工况变差，配煤、配风、稳燃性能下降

因采用低温、低氧燃烧，炉膛温度下降，煤粉在低温缺氧情况下着火推迟，同时燃烬能力下降，炉内燃烧工况较改造前变差，改造前原采用的配煤、配风方式很大程度上不适用，对锅炉的蒸汽参数、飞灰炉渣、排烟温度、热工品质等指标产生新的影响，同时锅炉低负荷稳燃能力下降。

4.4热工自动控制性能下降，蒸汽参数波动大，机组AGC响应速率慢

改造后，在同一煤种同负荷下，由于燃料在炉内燃烧反应减缓，各级受热面的烟温分布和吸热量发生变化，热工自动控制迟缓和过调现象明显增加，导致蒸汽参数波动大；机组出现AGC响应速率迟缓，不能满足电网要求。主要原因是热工的控制系统定值、控制曲线没有进行相应的优化调整。

4.5过热器产生结焦

因炉膛火焰中心上移，相应炉膛出口烟温升高，未能燃烬的成分随气流上升到上部区域与燃尽风等强烈混合，在此区域开始剧烈燃烧，造成此区域温度高，容易引起过热器超温、结焦和积灰。

4.6锅炉煤种适应性变差

改造后，锅炉燃用煤种发生变化后，原先锅炉经济指标和环保指标的平衡关系被打破，如：高热值、高挥发分煤种时，NOx的排放浓度虽略有增加但较易调整控制，出现燃烧器喷口易结焦、过热器易超温、过热减温水量增加等现象；当燃用劣质煤或水分偏大的煤种时，NOx的排放浓度虽略有降低但调整控制较困难，特别是上层燃烧器煤质较差时，再热器超温情况明显增加等。

5　对策

5.1炉内分层配煤混烧

结合锅炉的配煤掺烧，在兼顾排放浓度、稳燃等条件下最大程度消化经济煤种，建议烟煤配置在下层燃烧器保锅炉稳燃；褐煤挥发分高配置在中间层燃烧器低氧燃烧可控制NOx的产生；贫煤配置在上层燃烧器有利于着火和二次分级燃烧。

5.2根据煤种、负荷配风

额定负荷工况下，烟煤宜配中等风，如配大风量不利于控制NOx的产生；褐煤若配以大风量则NOx的生成量较大，宜少配风；贫煤、无烟煤挥发分低，为确保燃烬宜多配风。考虑稳燃、低氧、分级，配风方式宜采用缩腰倒宝塔型，即：下层风门开度40%～50%，中间风门开度不宜小于20%，上层风门开度50%～70%。本厂开大上两层SOFA风门能形成有效消旋流场，减小烟温偏差，蒸汽两侧偏差，但不建议SOFA风门开度长期在100%。

5.3优化控制锅炉运行氧量

锅炉燃烧中氧量的大小的控制，影响飞灰可燃物、锅炉运行的经济性，尤其对NOx产生的控制起着决定性作用；改造后，额定负荷工况下，燃用贫煤、无烟煤炉膛氧量宜控制在3%～3.5%，燃用烟煤炉膛氧量宜控制在2.5%～3%，燃用褐煤炉膛氧量宜控制在2.3%；负荷280～330MW炉膛氧量宜控制在2%～2.3%，负荷220～280MW炉膛氧量宜控制在2.5%～3%，负荷180～220MW炉膛氧量宜控制在3%～3.5%，保持SOFA风门较小开度，不再进行低氮燃烧，有利燃烧稳定。

5.4优化热工自动控制

改造后，燃料在炉内燃烧过程相对延缓和延长，热工的控制系统定值、控制曲线应做相应的优化调整。在机组增加负荷时，风量调节滞后于煤量的变化，汽温快速升高；减负荷时，煤量调节滞后于风量的变化，汽温快速下降；存在主汽压力和主再热汽温大幅波动的现象，氧量自动明显不协调。因此，应优化原静态、动态负荷—煤量控制曲线，优化制粉系统冷、热风门控制，优化减温水自动控制系统，增加一次调频锅炉主控前馈，优化负荷响应能力。