低NOX旋流燃烧器的整炉改造

（浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江宁波315722）

低NOX旋流燃烧器的整炉改造

邱成勇，陈文刚，赵立奇，赵学峰，胡继斌

（浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江宁波315722）

通过介绍乌沙山发电厂的低氮燃烧器整炉改造工作和新型低氮旋流燃烧器前后墙对冲燃烧系统的技术改造成果，阐述了该燃烧器的技术特征以及使用过程中发现的问题，提出进一步的改进建议。

：锅炉；LNASB；低氮；技术改造

1 低NOX旋流燃烧器

乌沙山发电厂锅炉设计煤种为神府东胜烟煤，校核煤种为大同塔山烟煤。锅炉炉膛断面宽22.187 m、深15.632 m，顶棚管标高65.55 m。炉膛容积热负荷82.17kW/m3，炉膛截面热负荷4.259MW/m2。

燃烧器布置方式采用前后墙布置，对冲燃烧。前、后墙各布置3层燃烧器，每层各有5只低NOX旋流燃烧器（Low NOXAxial Swirl Burner，LNASB），其中前墙下层布置等离子燃烧器。在最上层煤粉燃烧器上方，前、后墙各布置1层燃烬风装置，每层布置5只燃烬风喷嘴。LNASB结构如图1所示。燃烧器上排一次风喷嘴中心线到屏式过热器底部为19.374 m、下排一次风喷嘴中心线到冷灰斗弯管处为3.007 m。

图1 低NOX旋流燃烧器结构

低NOX旋流燃烧器将分级送风技术和煤粉局部浓集燃烧法相结合，达到了降低NOX生成量的目的。该燃烧器燃烧风的分级是通过把燃烧风分为独立的旋流内二次风和旋流外二次风（三次风）来实现的，从而形成双调风型旋流燃烧器。旋流内二次风分别由手动套筒挡板和手动旋流器拉杆调节风量和旋流强度，旋流外二次风仅由手动旋流器拉杆调节旋流强度，安装时预先将旋流器位置调整好，运行中不能调整。在二次风压不变的前提下，通过改变内二次风套筒挡板位置来改变内二次风量与外二次风量的比例，通过移动内二次风旋流叶片来改变绕过叶片的直流风和通过叶片的旋流风的比例，最终达到改变内二次风旋流强度的目的。煤粉局部浓集燃烧是通过安装在一次风管炉膛端的4个收集器来实现的。4个收集器壳体固定在一次风管内表面上，旋转的一次风通过收集器，在燃烧器出口形成4股独立的高煤粉浓度风粉流，以控制一次风环行套筒周围风粉比的变化，符合分段燃烧降低NOX生成的原则。在一次风管入口装有煤粉分配器，以达到均匀分配煤粉的目的，燃烧器尖部安装有一个火焰保持器，用以稳定火焰根部。燃烧器设中心风管，用以布置点火设备。一股小流量的中心风通过中心风管送入炉膛，提供点火设备所需要的风量，并在点火设备停运时防止灰渣在此聚集。

燃料完全燃烧所需风量的差额通过最上排燃烧器上方的燃烬风补充。燃烬风喷嘴结构如图2所示。燃烬风喷嘴以两股气流高速进入炉膛，一股为一次风，以较高的轴向速度冲出，以保证穿透炉膛气流，称之为内部空气；另一股为二次风，以外围旋流方式进入炉膛，以保证空气与未燃烬物质的充分混合，称之为外部空气。每个燃烬风喷嘴通过一次风挡板调整一、二次风比例。调整杆穿过燃烬风喷嘴的面板与一次风挡板连接，并允许挡板的位置变化。

图2 燃烬风喷嘴结构

2 实际使用中出现的问题

锅炉自投运以来燃烧状况稳定，经济性较高，但也存在一些问题。首先是燃烧器磨损严重，直接影响燃烧器的安全可靠运行；其次燃烧器结渣严重，造成燃烧器及其周围水冷壁管超温；同时锅炉NOX排放量仍然较高。

燃烧器磨损的主要部位是连接入口BANJO和燃烧器耐热钢的一段连接短管，材质为Q235，磨损穿透后会造成一次风粉进入二次风箱，着火燃烧从而损坏燃烧器。磨损的主要原因是一次风粉进入BANJO后产生强烈的周向旋转，经过8块小的导叶后进入一次风连接短管，冲击角度在加速磨损的范围内，磨损具有显微切削特性，能在不足一万小时内磨损穿透连接短管。

燃烧器的喷口结焦比较严重，主要原因是一次风粉浓缩效果不好，风粉混合不均匀，加之预混段比较长，着火点在燃烧器内部，炙热的火焰经过喉口时，耐火砖来不及将其冷却到固体状态，造成焦渣不断增加，最终达到临界质量而脱落，造成周期性掉焦现象。

NOX排放较高的主要原因可能是燃烧器结构型式欠妥，燃烧器一、二次风混合稍早，不利于抑制NOX生成。原设计虽然进行了全炉膛分级燃烧，但燃烬风率偏小，从燃烧器区域加入的空气过多，给氮氧化物的产生创造了有利条件。燃烬风离最上层燃烧器距离过近，没有留出足够的还原距离。

3 燃烧改造方案

主要改造了锅炉A，C，D，E，F层对应的25只燃烧器，保留等离子燃烧器；在原有燃烬风装置上方新增10只燃烬风装置，并在4个风道竖井上方引出燃烬风风箱。

将原有燃烧器的一次风及中心风结构改成中心给粉一次风结构。新型燃烧器数量、布置位置及旋转方向均保持不变，燃烧器喷口与水冷壁开孔的密封方式不变。同时，将燃烧器的一次风通道连接处断开，接口位置不变，取消原燃烧器的一次风管，安装中心给粉燃烧器一次风管；改造后中心给粉旋流煤粉燃烧器保留原燃烧器的内、外二次风道连接，在内二次风管上增加扩口，点火油枪保留在燃烧器中心。

改造后燃烧器的空气分为3股，即一次风、内二次风和外二次风。一次风携带煤粉经布置有煤粉浓缩器的一次风管进入炉膛。煤粉浓缩器使大量煤粉富集在燃烧器中心区域，有利于煤粉的着火，同时产生大量的还原性气体，可抑制NOX生成。燃烧器的内、外二次风由燃烧器风箱提供，每个燃烧器均有风量均衡挡板，使进入各燃烧器的风量保持平衡。内、外二次风通过燃烧器内同心的内、外二次风环形通道在燃烧的不同阶段分别送入炉膛。

保留锅炉原有的燃烬风装置，取消原有燃烬风装置上方的一层吹灰器，并在此高度的前、后墙各安装一层燃烬风装置，每层5只，总计新增10只燃烬风装置。燃烬风采用大风箱布置方式，在风箱两侧入口安装机翼测速装置。

4 改造的技术细节

本次低氮燃烧器的改造主要集中在一次风管部分，改造原则是增加一个高效煤粉浓缩系统，延迟一次风与内二次风的混合及内二次风与外二次风的混合，减少燃烧中心的氧气供应。改造工程中涉及的主要技术细节如下：

（1）内、外二次风之间套筒加长298mm，采用Φ936×8的耐热钢管，其后新增长约210mm的25°扩口，燃烧器出口端面直径1 198mm，新增扩口端面直径1 123mm，断面横向距离75mm，扩口上预留打焦孔和煤油火检开口。该扩口的主要作用是缩短内、外二次风的预混段，防止内、外二次风过早混合，避免出现中心氧量过多、温度难以控制、氮氧化物排量增高、喷口结焦严重等情况。

（2）将原煤粉浓缩系统更换成新型高效煤粉浓缩系统。新型燃烧器一次风粉直接进入燃烧器，经过3块浓缩环和1个整流器，将分离后的浓、淡气流导出一次风管，防止已分离的煤粉再次混合。3个浓缩环就是3个直径不断变小的渐缩喷口，浓缩环利用固定翅固定在一次风管上，所有易磨损的地方均贴有耐磨陶瓷。

（3）原有燃烧器配有稳燃齿，其主要作用是稳燃，但带来了结焦和高氮氧化物排放的负面效应。随着燃烧器的不断完善，稳燃的问题已经解决，因此可取消原一次风管出口的稳燃齿。

（4）将原中心风喷口直径从311mm降低为219mm，中心风的截面积减少近50%。原中心风取自中心风箱，中心风箱取自送风母管，现改为取自各层二次风箱，经二次风门节流，供风压力大大降低，故中心风量大为降低，从而使中心氧量降低，一次风扩展角缩小，燃烧更加彻底。

（5）将一次风管接长500mm，使一次风口与内二次风口平齐，距离水冷壁面仅264mm。该设计基本去除一次风与二次风预混段，防止一次风与内二次风过早混合。同时，为配合改造，将原燃烧器的油枪向燃烧器喷口方向水平移动511mm，至一次风喷口端面。

5 改造效果

改造完成后，锅炉点火一次成功，低氮燃烧器降氮效果显著。改造前，氮氧化物排放水平约为350mg/Nm3，改造后，在50%～100%的负荷区间内均能稳定维持在200mg/Nm3以下，即使锅炉氧量超过3.39%，氮氧化物排放量依然小于220mg/Nm3。在燃用现运行煤时，锅炉在额定负荷下飞灰含碳量为1.11%、大渣含碳量为1.08%，锅炉整体性能未降低。

锅炉改造后，运行稳定，炉膛负压稳定，主蒸汽压力、主蒸汽温度达到设计要求，没有汽温壁温超限情况；水冷壁进行改造后，未破坏锅炉的水动力特性。

本次改造有效抑制了喷口结焦，去除稳焰环、加长一次风管，能有效避免一次风与内二次风过早混合，在内二次风与外二次风的界筒上增加25°扩口，能有效延迟内、外二次风混合，较好地实现风包粉的燃烧方式，消除了紊流影响，有效提高风速，解决了喷口结焦问题。

锅炉NOX排放量的降低，还为电厂节省了相当可观的运行费用。

6 经验总结

（1）不需改变中心风管直径。本次中心风管的改造主要是将原来的Φ311mm改为Φ219mm，并取消中心风箱，改为二次风箱供风。中心风的改造比较成功，在中心风截面积减小一半、风压下降明显的情况下，中心风量大幅度降低，有效控制中心氧量，不影响油枪燃烧，也能有效控制一次风的扩散角。实验证明，在中心风门全开的情况下，着火点位于燃烧器出口0.1 m处，氮氧化物最低，燃烧效率也高。中心风全关状态下，着火点位于燃烧器出口1.2 m处，虽能有效控制燃烧区域中心氧量，但过低的氧量供应造成着火点大幅度推后，氮氧化物排量反而升高。因此，应重新计算中心风量是否偏小，在降低中心风压的情况下，可不再降低中心风喷口直径，维持Φ311mm不变。

（2）对燃烬风不需要进行改造。燃烬风的作用是对炉膛整体进行分级以及顶部助燃。该燃烧器整体分级效果不明显，顶部助燃由原燃烬风即可完成。改造时为防止燃烬风风量不足，特意将送风大风箱向上延伸，而不是采用燃烬风箱向上延伸的方式。但从结果来看，是否需要进行燃烬风的改造值得商榷。从改造后的运行状况来看，即使不开燃烬风，氮氧化物排放水平也能够控制在200mg/Nm3的水平，开启燃烬风并控制氧量虽然可以使氮氧化物排放水平更低，但是因燃烧区域氧量过低，CO浓度很高，燃烬风区域补氧造成的燃烧当量过大，火焰中心上移，可能导致汽温、壁温超限，影响机组安全运行。

（3）增加内、外二次风的旋流强度。中心过浓的煤粉必须依靠强烈扰动来燃烬。可以将原轴向叶片改为切向叶片，增强旋流强度，增大回流区。通过改造后的冷态试验，发现改造后燃烧器中心回流区较小，主要原因是本次改造在原LNASB的基础上仅更改了一次风结构，而原内、外二次风系统采用轴向叶片，且叶片角度较小，燃烧器旋转能力较弱。可考虑进一步更换燃烧器的二次风结构，将内二次风更换为轴向弯曲叶片，外二次风更换为切向叶片，以增加燃烧器的旋转能力，使燃烧器具有更合理的中心回流区，从而有利于煤粉的燃烬，进一步降低锅炉NOX的排放。本次技改内、外二次风部分未作改动，仅改动一次风管及中心给粉的方式，使得煤粉过于集中，扩散角明显减小，原回流区相应显得偏小，从而使稳燃和燃烬受到影响。虽然实际运行指标尚佳，但仍可做相应改动，以提高锅炉效率。

（4）低氮燃烧器的低氮手段无非就是浓淡分离、延迟混合、控制燃烧当量、控制主燃区氧量和炉膛整体分级燃烧等，这些都会造成锅炉效率下降，所以应采用提高煤粉细度、增加煤粉均匀性、优化煤粉分配方式的优化措施，建议通过改为动态分离器和优化燃烬风的方式弥补锅炉效率的下降。

（5）因内、外二次风之间的25°扩口会影响火检和打焦孔的布置，所以应注意燃烧器改造后火检和打焦孔的布置。

[1]阎维平.洁净煤燃烧技术[M].北京∶中国电力出版社，2002.

[2]岑可法，姚强，骆仲泱，等.燃烧理论与污染控制[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]岑可法，姚强，骆仲泱，等.高等燃烧学[M].杭州：浙江大学出版社，2002.

[4]姚强，陈超.洁净煤技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

（本文编辑：徐晗）

Retrofit of Low NOXAxial Swirl Burners

QIU Cheng-yong，CHEN Wen-gang，ZHAO Li-qi，ZHAO Xue-feng，HU Ji-bin
（Zhejiang Datang International Wushashan Power Generation Co.，Ltd，Ningbo Zhejiang 315722，China）

The retrofit of the low NOXaxial swirl burners（LNASB）in Wushashan Power Plant and the technical retrofit achievements of the opposed wall firing system for the new LNASB are introduced.The technical characteristics and problems of the burners found in application are elaborated and the suggestions for further improvement are also made.

boiler；LNASB；low NOX；technical retrofit

TK223.23

：B

：1007-1881（2012）06-0051-04

2011-10-23

邱成勇（1980-），男，湖北随州人，工程师，主要从事火电厂锅炉运行管理工作。