王彥菊，劉建航，楊志杰，劉學書，馬國智

（國家能源菏澤發(fā)電有限公司，山東 菏澤 274032）

0 引言

為響應國家“節(jié)能減排”政策號召［1-2］，在保證改造后鍋爐安全運行且鍋爐效率達到性能要求的前提下［3-4］，需積極對燃煤機組鍋爐進行低氮燃燒改造。本文通過更換低氮燃燒器，新增燃盡風（OFA）燃燒器，進行空氣分級、布置分級風、乏氣風等一系列措施，起到降低NOx排放的效果，尤其是解決中低負荷（240 MW及以下）時氮氧化物排放濃度高的問題，減輕了脫硝、脫硫系統(tǒng)運行壓力，達到了火電機組排放標準。

1 機組概況

某300 MW機組鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)加內螺紋管、單爐膛、全懸吊、平衡通風、W型火焰、露天布置、固態(tài)排渣燃煤汽包爐，布置6臺給煤機，爐后尾部標高12.42 m，布置兩臺三分倉回轉式空氣預熱器［5］，原設計在爐膛前后火拱上分三排布置了24組狹縫式燃燒器，鍋爐燃燒系統(tǒng)參數如表1所示。

表1 燃燒系統(tǒng)設計參數

為摸清該機組鍋爐內部燃燒狀況和NOx生成特性，對其進行鍋爐熱態(tài)性能模擬試驗，試驗工況及測試數據如表2所示。

表2 試驗工況及測試數據

由表2分析可以發(fā)現，鍋爐主要存在兩個方面的問題：滿負荷下鍋爐NOx排放量高達1 282.77 mg/Nm3（O2=6%）；鍋爐燃燒效率較低。

2 解決方案

針對鍋爐燃燒系統(tǒng)存在的問題，在不影響鍋爐總體性能的前提下，進行低氮燃燒器改造［6-7］，改造后前后拱共布置12個燃燒器單元，上爐膛新增16個OFA燃燒器，下爐膛前后墻共布置24個分級風噴口。

為降低鍋爐NOx排放值采取的主要措施：將乏氣風引到爐拱下方，提高主燃燒區(qū)的燃燒穩(wěn)定性；更換新型低氮燃燒器及煤粉分離裝置；進行空氣分級，降低主燃燒區(qū)的氧量；增強一次風氣流剛性，提高下爐膛的充滿度以及煤粉停留時間和NOx還原反應時間；增強分級風剛性，提高分級風對火焰后期的托舉與混合。

為降低爐底熱風對下爐膛燃燒區(qū)域氧量的影響，在設計時，經過多個負荷的計算，保證各負荷下爐底熱風占總風量6%左右［8］。中低負荷多余的爐底熱風從燃盡風送入爐膛，維持主燃燒區(qū)的化學當量，以解決中低負荷工況時氮氧化物排放濃度高的問題［9］。

2.1 低氮燃燒器改造

將原有的12只縫隙式燃燒器更換為中心風旋流燃燒器，布置在下爐膛拱上，并與垂直方向形成5°的入射角。點火油槍、油火檢探頭安裝在燃燒器旋流二次風導管外側，燃燒器外側安裝有相應的導管。煤火檢、看火孔安裝于燃燒器旋流二次風通道內。另外，外環(huán)二次風葉片設置為可調葉片，增加燃燒器對煤種的適應性，燃燒器基本構造如圖1所示。

圖1 燃燒器基本構造

2.2 增設OFA噴口

在燃燒器風箱拱上增設一層OFA噴口以實現分級燃燒。OFA噴口位置在燃燒器風箱拱上適當位置（標高27 100 mm），噴口傾斜向下15°布置。OFA噴口與原燃燒器對應布置，前后墻各布置8只，共16只。前后墻左右側靠邊均為貼壁OFA，共4只。

2.3 煤粉濃縮器改造

鍋爐原設計為旋風筒式煤粉濃縮器，裝置阻力大，低一次風速加上縫隙式結構致使主火焰剛性差，煤粉顆粒需依靠周圍的二次風引流。要提高煤粉顆粒在下爐膛的停留時間就需要增加一次風速，提高煤粉氣流自身的剛性。因此，將原旋風筒式煤粉分離器更換為低阻力的煤粉濃縮器。

受到設備安裝位置限制，現場共布置了2種分離器。其中分離式濃縮器8只，彎頭式濃縮器4只。鍋爐原有的旋風筒分離裝置，純一次風壓力損失為1 200 Pa，而新改造的分離式煤粉濃縮器和彎頭式煤粉濃縮器，純一次風壓力損失約為300 Pa。通過提高一次風速，在保證改造后燃燒效果不變的前提下，不會增加一次風總阻力［10］。

由于分離式煤粉濃縮器的直段長度有要求，煤粉管道標高不足的4只燃燒器入口布置彎頭式分離器。彎頭式分離器結構如圖2所示，來自磨煤機的一次風煤粉氣流在煤粉管道彎頭前，經一段偏心異徑管加速，一次風氣流中部及彎頭外側的煤粉顆粒由于慣性顆粒的離心作用，沿彎頭外側內壁流動，而彎頭內側的煤粉顆粒在撞擊彎頭中舌型板后，也能隨一次風氣流向彎頭外側聚集。通過彎頭及舌型板的分離作用，能使50%的一次風和10%～15%煤粉分離，經乏氣管垂直向下引到乏氣噴口直接噴入爐膛燃燒，其余50%的一次風和85%～90%煤粉由燃燒器一次風噴口噴入爐內燃燒。其他燃燒器入口段的煤粉管道內增設分離式煤粉濃縮器，以實現煤粉的濃淡分離。

圖2 彎頭式分離器結構

煤粉氣流經過分離器中的擴散裝置，煤粉顆粒向管道壁運動，與一次風進行第一次分離。然后煤粉氣流通過布置在管道壁的離心葉片發(fā)生旋轉，煤粉顆粒在離心力作用下向管道壁運動，在近煤粉管道壁形成濃相煤粉，小顆粒則集中在管道中心，從而在管道中形成了外濃內淡的煤粉氣流。該氣流通過分岔管，將兩股氣流分別從管道中引出。該裝置分離效率超過85%，阻力僅330 Pa左右，可為煤粉氣流的著火創(chuàng)造有利條件。

2.4 乏氣風優(yōu)化布置

改造過程中對乏氣風進行了優(yōu)化布置，將每只燃燒器由煤粉濃縮器分離出的乏氣風管道向下引至下爐膛垂直段標高19 400 mm處，下傾35°引入下爐膛，乏氣風噴口與燃燒器主噴口的豎直平面錯開布置。乏氣風管道設置氣動關斷門，并增設可調縮孔，通過改變燃燒器一次風與乏氣風之間的風量分配，實現鍋爐煤種變化時調節(jié)，增強鍋爐煤種適應性。

2.5 分級風優(yōu)化布置

鍋爐原分級風系統(tǒng)從拱下前后墻下傾50°，通過縫隙進入爐膛，由于管子的影響、縫隙的結構限制，剛性、穿透性差，不利于火焰的托舉以及飛灰和大渣含碳量的降低。改造過程中將下傾角度調整為25°，并提高分級風風量，同時將分級風更改為圓形噴口，提高氣流的剛性。這樣既可提高在垂直方向的分級，降低NOx濃度，又可提高分級風的穿透性，增強分級風與煙氣的混合。

2.6 拱上二次風布置

燃燒器更換和乏氣風優(yōu)化布置后，需相應對拱上二次風進行優(yōu)化設計，優(yōu)化后的拱上二次風布置如圖3所示。本次改造拱上二次風的設計結合了旋流燃燒器及直流狹縫式燃燒器的特點，采用燃燒器中心風、外環(huán)二次風與拱上狹縫二次風相結合的配風形式。改造后可通過調節(jié)擋板，對每只燃燒器對應的拱上二次風量進行調節(jié)。

圖3 拱上二次風優(yōu)化布置圖

每個燃燒單元布置方形二次風噴口，由于該噴口和一次風間隔布置且風速較高，可以避免二次風過早與燃燒器一次風射流匯合，有利于形成合理的分級配風，使煤粉燃燒初期處于還原性氣氛，對于抑制NOx排放更為有利?？拷遣康娜紵魍鈧炔贾糜虚L條二次噴口，對側墻水冷壁起到保護作用，避免結焦。

2.7 衛(wèi)燃帶優(yōu)化布置

鍋爐原設計燃用無煙煤，本次低氮改造設計燃用貧煤。為確保低氮燃燒改造后燃燒穩(wěn)定，爐內結焦情況可控，通過優(yōu)化衛(wèi)燃帶以杜絕大焦塊掉落造成安全事故［11］。根據鍋爐現運行情況及改造后爐內的燃燒情況，在維持現有衛(wèi)燃帶總面積的前提下，合理調整衛(wèi)燃帶的位置及形式。為避免噴口處結焦，在乏氣風噴口和分級風噴口位置設置隔離帶。因此，低氮燃燒改造時會增加衛(wèi)燃帶的總面積（在翼墻和左右側墻增加），以達到“W”型鍋爐穩(wěn)燃的需求。對增加的衛(wèi)燃帶進行區(qū)域成塊處理，確保在穩(wěn)燃的同時避免衛(wèi)燃帶大塊結焦。

2.8 風箱風道改造

改造后的供風系統(tǒng)由原燃燒器分隔風箱及其分風道和新增的OFA風箱及其分風道組成。在主風道上引出OFA分風道。在OFA分風道上設置風量測量裝置，并設有電動調節(jié)擋板，以調節(jié)OFA風量分配，適應燃料及運行工況的變化。在分風道采用金屬膨脹節(jié)，吸收鍋爐及主風道的膨脹差。OFA風道布置充分考慮現有鋼架位置，合理布置OFA分風道走向。

2.9 翼墻風增設

由于“W”型鍋爐的燃燒特點，無煙煤或貧煤的燃燒較易結焦，特別是翼墻的位置如果結大焦，將會對鍋爐安全造成較大影響。設計風量時，取一小部分風作為翼墻防焦風，以解決鍋爐翼墻結焦的問題。在翼墻頂各角開翼墻風孔，從頂部向下吹風。

2.10 水冷壁改造

增設OFA噴口處需對水冷壁開孔，并填補原該區(qū)域吹灰器孔。由于采用中心風旋流燃燒器替換原有燃燒器，并對拱上二次風進行優(yōu)化，需對拱上燃燒器區(qū)水冷壁進行更換。重新布置乏氣風，將乏氣風由拱上引至拱下，需對乏氣風新開孔區(qū)域的水冷壁進行改造。重新布置分級風后，需封閉原縫隙長條開孔，對該區(qū)域的水冷壁開孔。

3 燃燒試驗

針對新安裝的燃燒系統(tǒng)和當前入爐煤狀況，優(yōu)化現有的燃燒配風方式，觀察不同配風方式下鍋爐經濟性指標、NOx排放指標的變化趨勢，通過試驗工況對比分析影響鍋爐運行經濟性的關鍵因素并提出推薦配風方式［12］。

為實現上述目標，分別在300 MW、240 MW和180 MW負荷下，進行鍋爐配風優(yōu)化試驗。經過試驗調整得到最佳運行方式，如表3所示。其中低負荷3臺磨煤機運行工況下，一次風率高，NOx生成量增加，氧量可適當降低0.2%左右，燃盡風開度增加10%。磨煤機風量控制目前沒有準確料位顯示，可在現有基礎上整體增加10%通風量，以實現磨煤機低料位。

表3 鍋爐配風優(yōu)化試驗情況

4 結語

通過更換低氮燃燒器、新增OFA燃燒器，并采取優(yōu)化空氣分級、分級風布置、乏氣風布置等一系列措施，確保鍋爐燃燒穩(wěn)定，降低了NOx排放量，減輕了脫硝、脫硫系統(tǒng)運行壓力，滿足了環(huán)保排放要求。