双调风旋流燃烧器在W火焰锅炉低氮改造中的应用

2021-02-03闫东海刘启亮张树同马国志

山东电力技术 2021年1期

闫东海，刘启亮，张树同，马国志，李诚

（国家能源菏泽发电有限公司，山东菏泽 274032）

1 锅炉概况

锅炉为英国巴布科克有限公司制造的亚临界、一次中间再热、自然循环加内螺纹管、单炉膛、全悬吊、平衡通风、W 型火焰、露天布置、固态排渣燃煤汽包炉，配正压直吹式制粉系统。锅炉采用W型火焰燃烧方式，在炉膛前后拱上各布置3 组狭缝式直流燃烧器，每组包括2 只主煤粉喷口、2 只乏气喷口和2 只油枪，二次风与一次风喷口间隔布置，三次风从下部炉膛前后炉墙的底部进入炉膛，燃烧器和风系统布置如图1 和图2 所示。锅炉设计燃用85%的无烟煤和15%半无烟煤的混合物（如表1 所示），配3 台双进双出钢球磨煤机，每台磨煤机的一端分别对应一组燃烧器［1］。磨煤机单端出来的煤粉气流送往炉拱上部的旋风子，进行浓淡分离后分别进入主煤粉喷口和乏气喷口垂直射入下炉膛燃烧。为降低NOx排放浓度，进行了燃烧系统低氮改造。

图1 炉膛喷燃器布置

图2 炉膛一二三次风及底部风布置

表1 锅炉设计煤种

2 改造方案

2.1 主燃烧器系统改造

将原设计的12 只主煤粉喷口由狭缝式直流燃烧器改造为中心风旋流燃烧器，如图3 所示，该燃烧器为环形套筒结构，由内到外依次为中心直流二次风、中间环状浓粉气流、外环旋流二次风。中间环状喷口喷出的浓粉受到纵向刚性较强的中心二次风和横向旋流较强的外环二次风裹挟［2］。燃烧器燃烧煤粉所需要的二次风小部分通过方形口作为中心二次风进入炉膛，风量由入口蝶形挡板门手动调节；大部分通过调风套筒后经外环二次风通道进入炉膛。外环二次风通道由煤粉管道和二次风筒形成，内装12个轴向叶片，通过设置在燃烧器两侧的二次风叶片调节杆可调节轴向叶片开度，开度减小，外旋二次风旋流强度增强；反之旋流强度减弱，根据燃烧器燃烧需要，设定轴向叶片的开度范围为40°～80°（与燃烧器轴线夹角为10°～50°），这个角度范围内喷出的二次风既可使与煤粉气流外表面旋转接触，又能确保煤粉的着火和火焰内部的回流。除此之外，在燃烧器盖板上装有看火孔装置、火焰温度检测器、电子点火装置和油枪等装置。

图3 中心旋流燃烧器

2.2 乏气风口优化改造

依据煤粉管道空间布置情况，将原设计的12 只旋风子煤粉浓缩装置更改为8 只分离式煤粉浓缩器和4 只弯头式煤粉浓缩器。煤粉浓缩器分离出来淡粉气流经乏气喷口下倾35°送入炉膛，乏气喷口前后墙各6 个，较原设计位置下移，并将乏气风喷口与主煤粉喷口所在竖直平面错开布置，如图4 所示。该布置方式优点有两个：一是下移有利于回流的高温烟气能直接加热一次风的根部；二是错列并下倾射入可避免乏气直接冲击主火焰，有效利用下炉膛的空间。二者均有利于煤粉的着火、稳燃及燃尽。保留乏气管路上可调缩孔并增设气动关断插板门，当入炉煤质发生变化时，可通过可调缩孔调整，增强机组的煤种适应性；当某组制粉系统停运时，须将该磨组对应的浓、淡粉燃烧器插板门关闭，以防炉膛高温烟气或火焰在浓淡粉通道间形成通道，烧损粉管及燃烧器。

图4 乏气风下移结构

2.3 新增设OFA 喷口

改造在燃烧器风箱拱上标高27 100 mm 增设一层燃尽风（Over Fired Air，OFA）喷口，前后墙各8只，下倾15°安装。OFA 喷口采用双风区结构，如图5所示，喷口中心区为圆形二次风直射，以保持燃尽风刚性能够穿透进入炉膛中心；喷口中心外环状风区为旋流，促进二次风与高温烟气充分混合，满足煤粉燃烧后期送入的二次风沿炉膛左右宽度方向和近壁处均匀分布，OFA 的结构优化为煤粉的后期燃尽提供必需的氧量，利于促进煤粉颗粒的充分燃烬，降低飞灰含碳量。OFA 喷口外环装有开度40°（与燃烧器轴线夹角成50°）的固定叶片。

图5 燃尽风喷口

2.4 三次风调整优化

低氮改造前风箱分为6 个分级风风箱，前、后墙各3 个，每个风箱内三次风缝隙式水平射入。这样的设计会导致风进入炉膛时很容易发散，没有刚度。本次改造在每个分级风风箱里设置4 只分级风喷口，将喷口形状由原来的长方形改为圆形，并增设导流管，下倾25°布置，以增强分级风刚度，利于后期对煤粉燃烧气流的托举，保持火焰形状，提升稳燃能力［3］。为防止烧损变形，分级风和乏气喷口均采用Cr50Ni50 材质。每个分级风风箱上由一个电动调节挡板单独控制，对应磨组燃烧器停运时，分级风关小到冷却状态。二次风系统如图6 所示。

2.5 拱上二次风喷口优化

图6 锅炉二次风系统

本次改造拱上二次风的设计结合了美国巴威旋流燃烧器及英巴直流狭缝式燃烧器的设计特点，采用燃烧器中心风、外环二次风与拱上狭缝二次风相结合的配风形式（如图7 和图8 所示）。每个燃烧单元间隔布置方形二次风喷口，由于该喷口和旋流燃烧器间隔布置且风速较高，可以避免二次风过早与旋流燃烧器一次风射流会合，对于煤粉燃烧初期水平方向的配风较为合理，使煤粉燃烧初期处于缺氧还原性气氛，有利于抑制NOx的生成［4］。对于锅炉前后墙角部燃烧器外侧增设长条方形二次喷口，对侧墙水冷壁也有一定的保护作用，避免结焦。

图7 燃烧器与狭缝二次风间隔布置

图8 拱上狭缝二次风结构

2.6 锅炉稳燃与结焦控制优化

由于W 火焰锅炉的燃烧特点，无烟煤或贫煤的燃烧可能会引起结焦，特别是翼墙的位置如果结大焦，将会对锅炉安全造成较大的影响。为此，取了一小部分二次风作为翼墙防焦风，在翼墙顶每个角，开翼墙风孔，从顶部向下吹风，在翼墙近壁处形成风幕，防止翼墙结焦。

借鉴以往改造经验，目前W 火焰锅炉的卫燃带面积达不到锅炉低负荷稳燃要求，利用此次机会在锅炉翼墙和左右侧墙增加了一些卫燃带，并对增加的卫燃带进行区域成块处理，在提高锅炉低负荷稳燃能力的同时还能降低卫燃带结大块焦的可能。

3 改造后效果分析及优化调整

3.1 锅炉初期运行概况

改造后的双调风旋流燃烧器着火良好，炉内燃烧较稳定，一次风及燃烧器系统阻力明显减小，一次风机耗电率明显下降，主汽和再热汽温平均值及波动幅度均能满足规程要求，低负荷工况下再热汽温较额定值略低，后来随燃烧系统调整优化及煤质掺配水平提升，主汽及再热汽温趋于额定值运行；汽包水位随负荷升降波动明显，锅炉整体适应山东电网自动发电控制正常模式能力削弱。飞灰含碳量偏高，300 MW 负荷下约为15%，入炉煤粉取样化验结果显示不均匀且过粗，3 台磨煤粉细度R90从7.5%至18%不等，平均约为13%（如表2 所示）；磨煤机分离器各回粉管锁气器频繁卡涩，动作不灵敏，造成回粉管长时间处于全开或堵塞状态，导致进入燃烧器的煤粉细度过粗或者不均匀。启动初期选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）反应器入口原烟NOx排放值约600 mg／m3，之后将拱上二次风门开大后，着火初期氧量增大，导致SCR 入口NOx上升约200 mg／m3，因此，燃烧调整时应在兼顾炉效的同时尽量降低SCR 入口的NOx质量浓度。

表2 各取样位置煤粉细度化验结果单位：%

3.2 优化燃尽风配比调整

为保证燃尽风穿透自下而上的烟气流射入炉膛中部，需要采用足够高的风量和风速，但是从表3 可以看出，同等负荷工况下，燃尽风门开大，会造成飞灰含碳量不同程度的上升，但是，不同燃尽风门开度下炉膛出口原烟NOx质量浓度整体不高，在煤质差飞灰可燃物较高的情况下，可减小燃尽风比例，建议燃尽风开度在30%以下。

3.3 优化拱上二次风和分级风配比

拱上二次风和分级风调整试验结果如表4 所示。低氮改造后更换了燃烧器形式，并将乏气喷口下移，相对原设计，目前在分级风区域燃烧的煤粉量增加了。试验中通过关拱上风门和开分级风门将二次风从拱部向分级风区域输送，实际上二次风系统的阻力是增大的，调整同时总的送风量会下降。结合具体试验工况对比可以看到，高负荷分级风比例相对低负荷要大一些，说明火焰中心是下移的，需要提高下炉膛配风比例。

表3 燃尽风比例调整试验

表4 拱上二次风和分级风比例调整试验

3.4 优化燃烧器中心风和外二次风旋流调整试验

由于改造后煤粉下行深度是增加的，需要增强炉拱上高温烟气回流促进煤粉气流提前着火，保证煤粉的有效行程。本次试验中按照现有的煤质和燃烧状况摸底，对中心风和外二次风旋流进行调整，控制中心风量不过高，同时增强二次风旋流。调整后的中心风和外二次风旋流如表5 所示，在调整后煤粉气流着火提前，降低了飞灰可燃物含量［5］。

表5 燃烧器中心风和外二次风旋流调整试验

4 运行注意事项及建议

负荷较低或者检修需要停运磨组时，要及时关闭磨组对应的浓、淡粉阀，以防在浓粉燃烧器口和乏气喷口之间形成烟气循环回路，导致乏气管道烧损。为防止炉膛结焦，锅炉送风量不能过小，确保省煤器后氧量显示在3.2%以上。机组在低负荷三台磨运行工况下，由于一次风率高，NOx生成量增加，氧量可适当降低，同时燃尽风开度可增加10%。对于磨风量控制由于目前确料位显示不准确，建议在目前基础上整体增加10%磨通风量，控制低料位。