徐鵬志， 劉朋彬， 陳軍華， 車 方

（華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030）

660MW鍋爐低氮旋流燃燒器NOx排放調(diào)整試驗研究

徐鵬志， 劉朋彬， 陳軍華， 車 方

（華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030）

針對某廠660MW超臨界鍋爐改造后低NOx旋流燃燒器特點，通過變工況（氧量、不同層燃燒器配風(fēng)方式、二次風(fēng)擋板開度、中心風(fēng)擋板開度、三次風(fēng)旋流強度、四次風(fēng)旋流強度等）調(diào)整試驗，分析了燃燒器NOx排放特性及經(jīng)濟性。試驗結(jié)果表明：運行氧量、不同層燃燒器配風(fēng)方式及燃燒器調(diào)整方式均對NOx排放有一定影響，建議按照以下方式運行：1）運行中將氧量控制在2.3%左右可以實現(xiàn)環(huán)保性和經(jīng)濟性的平衡；2）主燃區(qū)采用正塔配風(fēng)，即上層煤粉燃燒器風(fēng)門開度40%，中層開度60%，下層開度80%；3）將燃燒器做以下設(shè)置：中心風(fēng)、二次風(fēng)維持較小開度，三次風(fēng)葉片角度30°，四次風(fēng)葉片角度45°。

旋流燃燒器； 低氮燃燒； NOx排放； 燃燒調(diào)整

0 引言

自上世紀90年代以來，隨著大型燃煤發(fā)電機組技術(shù)的引進，旋流燃燒器對沖燃燒方式在國產(chǎn)大型電站鍋爐上得到廣泛應(yīng)用[1]。該方式火焰充滿度好，爐內(nèi)熱負荷均勻，且不存在因四角切圓燃燒方式特有的爐膛出口氣流余旋而造成爐膛出口溫度場、速度場的嚴重不均等問題[2]，我國現(xiàn)役的旋流燃燒器鍋爐多為引進國外技術(shù)制造，經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)各大鍋爐廠在引進的基礎(chǔ)上也進行諸多改進和創(chuàng)新，基于現(xiàn)場燃燒調(diào)整試驗方法對某電廠改造后低氮旋流燃燒器的NOx排放特性及其主要運行影響因素進行系統(tǒng)的研究．以確定鍋爐燃燒運行的最優(yōu)控制原則。

1 設(shè)備概述

某電廠鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的本生（Benson）直流鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π型布置。鍋爐為露天布置。鍋爐設(shè)計煤種為神府東勝煙煤，校核煤種為大同塔山煙煤。鍋爐燃燒器采用30只旋流燃燒器前后墻布置、對沖燃燒，主燃區(qū)上方布置有兩層燃盡風(fēng)，配有6臺HP1003中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，B-MCR工況下5臺運行，一臺備用。

改造后燃燒器如圖1所示，改造后新型低NOx軸向旋流燃燒器中，燃燒的空氣被分成五股，分別稱為中心風(fēng)、一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)和四次風(fēng)。

中心風(fēng)為直流風(fēng)，管內(nèi)布置有油槍和點火裝置，通過擋板調(diào)節(jié)。中心風(fēng)的作用主要是向燃燒器中心供給適量的空氣以穩(wěn)定油火焰，防止油火焰沖刷中心風(fēng)管和油燃燒器旋流器，并防止油滴沉積在中心風(fēng)管。

圖1 改造后燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of burner after retrofit

一次風(fēng)攜帶煤粉，形成一次風(fēng)粉混合物，經(jīng)燃燒器一次風(fēng)管進入爐膛。一次風(fēng)粉通過在次風(fēng)管彎頭出口處的均粉器，煤粉濃度在截面上的分布趨于均勻，再經(jīng)過一次風(fēng)關(guān)內(nèi)的文丘里煤粉濃縮器后，在一次風(fēng)噴口斷面上產(chǎn)生外濃內(nèi)淡的濃度分布，促進煤粉在爐膛內(nèi)著火。在一次風(fēng)管噴口處設(shè)有一個齒狀穩(wěn)燃器加強擾動用以穩(wěn)定火焰，同時在一次風(fēng)管的周向上產(chǎn)生煤粉濃淡分離，導(dǎo)致局部還原環(huán)境，減少NOx的生成。濃縮的煤粉氣流同二次風(fēng)、三次風(fēng)、四次風(fēng)配合，以保證在靠近燃燒器喉口處維持一個穩(wěn)定的火焰。

除中心風(fēng)、一次風(fēng)外的主燃燒空氣分為二次風(fēng)、三次風(fēng)和四次風(fēng)，以加大空氣分級程度。二次風(fēng)、三次風(fēng)和四次風(fēng)通過燃燒器外圈的內(nèi)同心的環(huán)形通道，分級進入爐膛，有助于降低NOx的生成和煤粉的燃盡。二次風(fēng)為直流，可通過二次風(fēng)門拉桿調(diào)節(jié)風(fēng)量。三次風(fēng)和四次風(fēng)為軸向旋流風(fēng)，在近燃燒器區(qū)形成環(huán)形回流，將高溫煙氣帶回近燃燒器區(qū)，加熱一次風(fēng)，點燃煤粉，保持火焰穩(wěn)定性，同時帶回的高溫煙氣含氧量低，有利于NOx還原；在遠燃燒器區(qū)通過三、四次風(fēng)來完成未燃盡碳的燃燒，三次風(fēng)和四次風(fēng)旋流器均可通過拉桿根據(jù)需要進行調(diào)整，以便產(chǎn)生最佳的流場。。每只燃燒器均配有獨立的風(fēng)箱，可以通過擋板調(diào)節(jié)同層燃燒器的風(fēng)量平衡，達到穩(wěn)定火焰，防止偏燒的目的。

2 燃料特性

燃燒器改造設(shè)計煤種以及試驗期間煤種數(shù)據(jù)見表l。可以看出試驗煤種煤質(zhì)特性基本處于設(shè)計媒種和校核煤種之間。

表1 煤質(zhì)特性分析結(jié)果Tab.1 Chrematistics of coal

3 NOx排放調(diào)整試驗結(jié)果及分析

3.1變氧量試驗結(jié)果

爐膛出口氧量或過量空氣系數(shù)是鍋爐運行的一個重要指標，過高的氧量會增加煙氣量，造成排煙熱損失增加，還會增加NOx的生成量；過低的氧量則會造成CO濃度提高，灰渣燃盡度差，同樣影響鍋爐經(jīng)濟性。因此鍋爐氧量存在最佳值，未確定氧量最佳值，進行了變氧量試驗，工況設(shè)置及結(jié)果見表2。

由表2及圖2可以看出，工況3在氧量2.8%左右時，SCR進口CO濃度433μL/L，但NOx濃度高達303mg/m3；工況2氧量低于2%時，NOx濃度不高，但CO濃度飆升，且灰渣可燃物含量均有明顯提升，鍋爐效率顯著下降。工況1氧量在2.2%-2.3%附近時，NOx濃度及CO濃度水平均在可接受范圍內(nèi)，灰渣可燃物較工況2也沒有大幅度提高，鍋爐效率變化不大，因此運行中將氧量控制在2.3%左右可以實現(xiàn)環(huán)保性和經(jīng)濟性的平衡。

表2 變氧量試驗工況及結(jié)果Tab.2 Test condition and result of different oxygen

圖2 變氧量試驗NOx、CO濃度Fig.2 Measurements of NOx,CO concentration of different oxygen

3.2主燃區(qū)配風(fēng)方式調(diào)整試驗

通過調(diào)整二次風(fēng)箱風(fēng)門開度，將燃燒所需風(fēng)量分階段送人爐內(nèi)，以改變火焰中心，進而改變鍋爐的燃燒效果。在氧量基本不變的條件下，針對燃燒器的設(shè)計特點，主燃區(qū)二次風(fēng)擋板開度通過表盤進行調(diào)節(jié)，進行了3種不同組合工況的試驗，分別是：

工況4：倒塔配風(fēng)，下層AB左右側(cè)二次風(fēng)擋板開度為50%，中層CE開度為60%，上層F開度為70%，D磨停運，二次風(fēng)門開度為25%；

工況5：均等配風(fēng)，上中下ABCEF左右側(cè)二次風(fēng)擋板開度均為50%，D磨停運，二次風(fēng)門開度為25%；

工況6：正塔配風(fēng)，下層AB左右側(cè)二次風(fēng)擋板開度為80%，中層CE開度為60%，上層F開度為40%，D磨停運，二次風(fēng)門開度為25%.

試驗結(jié)果見表3。

表3 主燃區(qū)配風(fēng)方式試驗工況及結(jié)果Tab.3 Test condition and result of different distribution modes

圖3 主燃區(qū)配風(fēng)方式調(diào)整試驗NOx、CO濃度Fig.3 Measurements of NOx,CO concentration of different distribution modes

由圖3可以看出，其他參數(shù)不變的條件下，正塔配風(fēng)工況NOx排放濃度最低，倒塔工況次之，均等配風(fēng)工況最高。說明在上下不均等配風(fēng)的條件下，會在主燃區(qū)的某些位置形成缺氧燃燒的狀態(tài)，可以降低主燃區(qū)溫度，抑制NOx的生成，因此正塔工況和倒塔工況NOx濃度均低于均等配風(fēng)工況。正塔配風(fēng)工況上層燃燒器風(fēng)量低，在靠上位置形成一定范圍的還原性氣氛區(qū)域，可以將下層燃燒器生成的NO還原成N2，因此正塔配風(fēng)工況NOx排放濃度更優(yōu)于倒塔工況。

另外，可以看出倒塔配風(fēng)方式爐渣可燃物含量最大，均等配風(fēng)次之，正塔配風(fēng)最小，說明爐渣可燃物含量對下層磨的過量空氣系數(shù)比較敏感，但由于大渣：飛灰=1:9，爐渣可燃物對爐效影響不大，所以總的來說不同擋板組合方式對燃燒影響較小，鍋爐效率變化不大。

3.3 二次風(fēng)風(fēng)門調(diào)整試驗

二次風(fēng)是一次風(fēng)噴口和旋流風(fēng)之間的直流風(fēng)，在燃燒中起到的作用主要是提供燃燒初期的空氣，同時調(diào)節(jié)著火點距離。燃燒器設(shè)計二次風(fēng)通過2D拉桿進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍是0-130%，本次試驗進行了0、50%、100%三個工況的試驗，結(jié)果見表4。

表4 二次風(fēng)風(fēng)門調(diào)整試驗工況及結(jié)果Tab.4 Test condition and result of different secondary air opening

圖4 燃燒器二次風(fēng)門開度對NOx生成量的影響Fig.4 Measurements of NOx,CO concentration of different secondary air opening

由表4、圖4結(jié)果，可以看出二次風(fēng)門從0開到50%，SCR進口煙氣NOx濃度有一定程度的升高，但從50%開到100%，NOx濃度變化不大；CO濃度隨著二次風(fēng)門開度增加逐漸降低。

二次風(fēng)是一次風(fēng)噴口和旋流風(fēng)之間的直流風(fēng)，二次風(fēng)開大以后會影響旋流三次風(fēng)形成的環(huán)形回流，對燃燒初期的高溫煙氣卷吸有不利影響，會造成著火推遲；對低氮燃燒效果也是不利的，因為從低氮燃燒原理上講過早的通入空氣不利于燃燒的初始階段形成缺氧的區(qū)域，會造成燃料型NOx生成量增加，從試驗的結(jié)果看，可以得到以下結(jié)論：

（1）隨著二次風(fēng)開度的增加，煙氣中的NOx濃度有增加的趨勢，這說明實際情況與理論分析是一致的，二次風(fēng)會使燃燒初期的氧量增加，不利于抑制燃料型NOx的生成；

（2）二次風(fēng)門開度50%和100%工況下NOx濃度變化不大，原因是二次風(fēng)開出后，不論風(fēng)量大小對初期燃燒的影響是一致的，都會破壞三次風(fēng)形成的環(huán)狀回流以及燃燒的初始階段形成缺氧的區(qū)域，因此二次風(fēng)門開度50%和100%，煙氣中NOx濃度變化不大；

（3）從試驗結(jié)果看，三個工況灰渣可燃物含量均小于2%，估算爐效均在94%以上。

3.4 變?nèi)物L(fēng)旋流角度試驗結(jié)果

三次風(fēng)是靠內(nèi)側(cè)的旋流風(fēng)，其主要作用是在近燃燒器區(qū)形成環(huán)形回流，將高溫煙氣帶回近燃燒器區(qū)，加熱一次風(fēng)，點燃煤粉，保持火焰穩(wěn)定性，同時供應(yīng)燃燒初期的氧量，燃燒器設(shè)計三次風(fēng)角度通過3X拉桿進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍是20°-65°，本次試驗進行了30°、45°和65°三個工況，結(jié)果見表5。

從試驗結(jié)果看，三次風(fēng)旋流角度由45°（工況10）調(diào)整為65°（工況12），NOx濃度有所下降，但三次風(fēng)旋流角度30°（工況11）同樣比三次風(fēng)旋流角度45°（工況10）NOx濃度低，這說明三次風(fēng)旋流角度對NOx的影響應(yīng)從兩個方面進行考慮：一方面三次風(fēng)的作用是通過旋流形成回流卷吸高溫煙氣，旋流角度減小會造成回流區(qū)減弱，推后著火距離，降低燃燒初期的溫度，實現(xiàn)低氮效果；另一方面旋流角度增大會使三次風(fēng)阻力增大，減小三次風(fēng)量，強化燃燒初期的缺氧效果，同樣可以使NOx生成量降低。因此三次風(fēng)旋流角度45°工況煙氣中NOx濃度高于30°和65°。

三次風(fēng)旋流角度對灰渣可燃物與NOx正相反，三次風(fēng)旋流角度45°（工況10）灰渣可燃物最低，65°最高，說明三次風(fēng)旋流角度45°時著火位置比較合理，并且初期燃燒風(fēng)量較為充足，燃盡效果比較好。但總的來看，鍋爐效率變化不。

圖5 變?nèi)物L(fēng)旋流角度試驗NOx、CO濃度Fig.5 Measurements of NOx,CO concentration of different vane angle of tertiary air

3.5 變四次風(fēng)旋流角度試驗結(jié)果

四次風(fēng)作為旋流燃燒器最外側(cè)的一層旋流風(fēng)，其起到的作用主要是射流的徑向擴展以及分級供風(fēng)，本燃燒器設(shè)計旋流角度可調(diào)，通過4X拉桿調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍在20°-65°之間，本次試驗進行了30°、45°和65°三個工況的試驗，結(jié)果見表6。

表6 變四次風(fēng)旋流角度試驗結(jié)果Tab.6 Test condition and result of different vane angle of quartic air

如圖6所示，隨著四次風(fēng)旋流強度的增加，SCR進口的NOx濃度呈下降趨勢，這說明增加四次風(fēng)旋流會使四次風(fēng)與煤粉射流的摻混延遲，加強燃燒初期供風(fēng)的分級程度，有利于在燃燒初期形成還原性氣氛，減少NOx的生成，同時四次風(fēng)旋流強度增加會加大燃燒器噴口的阻力，減小主燃區(qū)的風(fēng)量，加強整爐膛范圍的分級供風(fēng)，同樣有低氮燃燒的效果。但從試驗結(jié)果看可以看出，四次風(fēng)旋流角度增加煙氣中CO濃度有所上升，這說明四次風(fēng)旋流加大會在一定程度上會造成燃燒的惡化，鍋爐效率也明顯下降。

圖6 變四次風(fēng)旋流角度試驗NOx、CO濃度Fig.6 Measurements of NOx,CO concentration of different vane angle of quartic air

3.6 中心風(fēng)

中心風(fēng)是燃燒器最中心的一股風(fēng)，噴口位于一次風(fēng)管中心，起到的主要作用為啟動初期為油火焰供風(fēng)，同時在運行中起到調(diào)整著火位置的作用。中心風(fēng)通過電動擋板進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0～100%，本次試驗進行了0、60%和100%三個工況的試驗，結(jié)果如下：

由表7、圖7結(jié)果可見，中心風(fēng)開度變化對NOx影響與二次風(fēng)相近，隨著中心風(fēng)開度增大，NOx排放濃度增大，但60%工況和100%工況NOx濃度變化不大，說明燃燒初期供入爐膛的直流風(fēng)對NOx生成量的影響是相似的。為保證較低的NOx生成量前提下，建議維持較小開度。

表7 變中心風(fēng)開度試驗結(jié)果Tab.7 Test condition and result of different opening of central air

圖7 變中心風(fēng)開度試驗NOx、CO濃度Fig.7 Measurements of NOx,CO concentration of different vane angle of central air

4 結(jié)論

通過氧量調(diào)整、主燃區(qū)配風(fēng)方式調(diào)整試驗、燃燒器二次風(fēng)門、三次風(fēng)旋流角度、四次風(fēng)旋流角度以及中心風(fēng)開度的調(diào)整，測量了不同工況SCR進口煙氣NOx、CO濃度以及灰渣可燃物，通過試驗結(jié)果總結(jié)了不同因素、配煤方案對燃燒產(chǎn)物的影響，得到如下結(jié)論：

（1）建議運行中將氧量控制在2.3%左右，NOx排放濃度不高，CO生成量及灰渣可燃物含量在可接受范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)環(huán)保性和經(jīng)濟性的平衡；

（2）主燃區(qū)配風(fēng)方式采用正塔配風(fēng)，即上層煤粉燃燒器風(fēng)門開度40%，中層開度60%，下層開度80%，NOx排放濃度由于倒塔配風(fēng)和均等配風(fēng)，且大渣可燃物在試驗工況中最低，經(jīng)濟性可以保證；

（3）將燃燒器做以下設(shè)置：中心風(fēng)、二次風(fēng)維持較小開度，三次風(fēng)葉片角度30°，四次風(fēng)葉片角度45°，可以保證最優(yōu)的低氮燃燒性能。

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Experimental Study on NOx Emission Regulation of LNASB Burner for 660MW Boiler

XU Pengzhi， LIU Pengbin， CHEN Junhua， CHE Fang
（Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China）

In allusion to a 660MW supercritical boiler after the transformation of low NOx swirl burner,through the variable conditions(different oxygen,different air distribution mode,the secondary airopening,the centralair opening,different air swirl intensity of the tertiary air and the quartic air,etc.),the NOx emission characteristics and burnereconomywere measured.Thetestresultsshowed that there are oxygen,the operation of air distribution of different layers burner and burner adjustment has certain influence on the emission of NOx.The Operation suggestions were given:1)the oxygen should be controlled at about 2.3%,the environmental protection and economic of boiler could get balance;2)the air distribution of different layers of burner should adopt as tower form,i.e.the upper burner throttle opening 40%,middle opening 60%,the lower opening80%;3)theburneradjustmentshould following this settings:the central air burner and secondary air holds a small opening,tertiary air vane angle of 30 degrees,quartic air vane angle of 45 degrees.

LNASB burner; low NOxCombustion;NOx emission; combustion regulation

TM621.2

B

2095-3429（2017）05-0016-06

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.004

2017-09-04

徐鵬志(1988-)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事從事電站鍋爐優(yōu)化運行方面研究。