对冲燃烧锅炉低氮燃烧改造中2种燃烧器的应用分析

赵 刚，应明良，王 磊，茅建波，戴宇宁

（1.中国能源建设集团有限公司，北京 100029；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；3.北京巴布科克·威尔科克斯有限公司，北京 100043）

近几年来，我国先后出台了改善大气环境质量的火电厂氮氧化物防治技术政策、火电厂大气污染物排放标准、关于执行大气污染物特别排放限值的公告，对火电厂大气污染物如NOX的排放等提出了很高的要求。而国内火电厂早期投运的锅炉低氮燃烧技术相对落后，NOX排放浓度普遍较高，要对早期投运的锅炉NOX进行排放浓度控制，由于受现场条件的制约，增设锅炉尾部烟气脱硝装置的改造难度和工作量较大，且成本较高。相对而言，低氮燃烧器改造是一种经济、有效的减排方法。因此，低氮燃烧技术应作为燃煤电厂氮氧化物控制的首选技术[1]。

1 设备概况

1.1 改造前概况

某电厂300 MW机组锅炉是由北京巴布科克·威尔科克斯有限公司（简称北京巴威）引进美国B&W公司RB锅炉技术标准设计制造的亚临界压力、单炉膛、一次再热、自然循环、平行烟道、单汽包型箱式煤粉炉，型号为B&WB-1025/17.5-M，锅炉炉膛宽为13 800 mm，深度为12 300 mm，高为48 500 mm。配用5台MPS-ZGM95N型中速磨的直吹式制粉系统，采用前后墙对冲燃烧方式，配置20只B&W标准的双调风DRBXCL型旋流煤粉燃烧器，前后墙各10只，分3层前后对称布置，上、中、下分别为2，4，4只。

1.2 改造概况

1.2.1 燃烧器改造

本次改造对原系统20只燃烧器进行了更换，使用美国B&W公司研制的AireJet以及DRB-4Z型超低NOX双调风旋流燃烧器替代原有燃烧器。为使最上排燃烧器投运时能使煤粉在炉膛断面范围内更为均匀，将最上层燃烧器的布置方式由原来的前、后墙各2只，改为4只燃烧器全部布置在前墙。为满足下排燃烧器使用微油点火设备的需要，下排8只燃烧器使用DRB-4Z型燃烧器，其余12只全部使用AireJet型燃烧器。

AireJet燃烧器能够高效地燃烧煤粉，并可通过与燃尽风喷口联合使用来大幅度降低NOX的排放。同时，AireJet燃烧器能够在合适的调节范围内在燃烧器喉口处建立稳定的着火点。燃烧器在炉膛内的布置既能控制NOX的排放，又能提供完全燃烧所需停留时间的热环境。AireJet燃烧器设计独特，空气可直接供到燃烧器的火焰内部，使燃烧更加迅速。因而该型燃烧器能在更低的过量空气系数下运行，同时将一氧化碳和飞灰含碳量降到最低。

DRB-4Z燃烧器充分利用了空气分级燃烧的特点，煤粉喷口位于燃烧器中心区，可以有效控制空气与煤粉在火焰根部的相互作用。二次风通过一次风道外侧的3个环形风道进入燃烧器，二次风量可以调节，其中少量的二次风进入环绕在一次风道外围的过渡区，以控制火焰中心富燃料区域的氧量，有利于降低NOX的生成量。在过渡区外环依次是内二次风区和外二次风区，二次风可分别进入这2个区域，通过可调轴向叶片产生旋转的二次风气流，控制空气与一次风的混合，再通过控制燃烧率及二次风量来降低NOX的生成量。二次风在燃烧过程中逐渐与初期燃烧的产物混合，完成煤粉的燃尽，从而使NOX的生成降到最低。

1.2.2 燃尽风改造

本次改造在燃烧器上部增加10只B&W公司的双风区燃尽风喷口（前、后墙各5只），并固定旋流方向，对应主燃烧区域燃烧器的旋流方向，以实现空气分级燃烧。双风区燃尽风喷口中心风区为直流，以保证燃尽风有足够的速度覆盖炉膛的深度；外环风区为旋流风（可调），以保证燃尽风在炉宽方向的均匀分布。燃尽风的进风量由每只燃尽风喷口上的二次风套筒进行调节。

新增加燃尽风喷口后，在维持总空气量不变的情况下，主燃烧区域的部分风量分到上层燃尽风风箱，主燃烧区域富燃料环境得以加强，同时主燃烧区域的欠氧还原气氛可促使已生成的NOX还原成N2，减少燃料型NOX的生成。另一方面，主燃烧区域燃烧推迟，有利于减少热力型NOX的生成。燃尽风从主燃烧区域上喷入，以确保前期产生的还原性气体和未燃尽燃料的燃尽。

2 燃烧调整试验结果

2.1 燃烧器开度调整

锅炉低氮燃烧改造启动后，结合对锅炉燃烧状况的观察，首先进行了燃烧器二次风门开度及内、外二次风叶片角度的优化调整工作。调整后炉膛内火焰充盈度好，火焰形状完整，颜色明亮，无火焰冲刷侧水冷壁情况，燃烧器区域水冷壁及燃烧器喉口无积灰。

试验结果表明调整调风盘开度对飞灰含碳量影响不大，而外二次风旋流强度对飞灰含碳量影响较大，增强内二次风旋流强度、减弱外二次风旋流强度会降低飞灰含碳量，因此将各燃烧器外二次风旋流强度基本调至最弱。

2.2 AireJet燃烧器层风箱风门开度调整

在机组负荷为300 MW，B，C，D，E磨运行工况下，将AireJet燃烧器层风门挡板开度由50%关至35%时，NOX排放由380 mg/m3降低至250 mg/m3，可见关小AireJet燃烧器层风门挡板可降低NOX排放，但风门开度低于35%时，NOX排放值又有所提高，如图1所示。

2.3 DRB-4Z燃烧器层风箱风门开度调整

图1 NOX随AireJetTM燃烧器层风箱风门开度变化趋势

在机组负荷为300 MW，B，C，D，E磨运行工况下，将DRB-4Z燃烧器层风箱风门开度由50%开至85%时，NOX排放值由280 mg/m3提升到410 mg/m3，风门开度再次关至45%时，NOX排放值又降至260 mg/m3。风门开度低于45%时，NOX排放值迅速提高，如图2所示。

图2 NOX随DRB-4Z燃烧器层风箱挡板开度变化趋势

2.4 燃尽风箱二次风风门调整

在机组负荷为300 MW，A，B，D，E磨运行工况下，在燃尽风风箱挡板由100%关至50%的过程中，省煤器出口NOX排放由240 mg/m3升高至260 mg/m3，由50%关至15%的过程中，省煤器出口NOX排放值由260 mg/m3升至410 mg/m3，由15%关至8%的过程中，A侧NOX排放值升至450 mg/m3，B侧NOX排放值升至490 mg/m3。从试验结果看，随着燃尽风风箱挡板开度的减小，NOX排放值升高，如图3所示。

2.5 燃尽风喷口二次风套筒开度调整

在机组负荷为300 MW，A，B，D，E磨运行工况下，在燃尽风喷口全开（250 mm）时，省煤器出口NOX排放值最小。当开度关至100 mm时，省煤器出口NOX的排放值达到最高，平均值达440 mg/m3。由此可见，开大燃尽风喷口二次风套筒开度，有利于降低NOX排放，如图4所示。

图3 省煤器出口NOX随燃尽风风门开度变化趋势

图4 省煤器出口NOX随燃尽风喷口二次风套筒开度变化趋势

2.6 燃尽风喷口中心风开度设置

关小燃尽风中心风挡板开度后，单只燃尽风喷口进风量不足，会引起对应部位的末级过热器超温，故燃尽风喷口中心风挡板开度全部固定在全开状态（250 mm）。

2.7 燃尽风外二次风叶片角度调整

在机组负荷为300 MW，A，B，D，E磨运行工况下，燃尽风外二次风叶片角度由90°关至25°后，锅炉NOX排放由330 mg/m3降低至 260 mg/m3。分析认为，在二次风压不变的情况下，关小外二次风叶片角度，减小了燃尽风喷口的通流面积，燃尽风通过更小的面积进入炉膛，增加了燃尽风的风速，使燃尽风更好地覆盖整个炉膛的纵深，同时燃尽风喷口外二次风旋流较大，很好地覆盖了炉膛的宽度方向，使NOX明显下降，如图5所示。

2.8 备用燃烧器层风箱风门挡板开度调整

在机组负荷为300 MW，B，C，D，E磨运行工况下，备用燃烧器层风门挡板由25%关至7%，NOX排放由300 mg/m3降低至260 mg/m3；当风门关至7%后，备用燃烧器壁温有超温现象；将风门开大至15%，燃烧器壁温超温现象消失，但NOX排放未见明显增加。由此可见，关小备用燃烧器层风门开度后，有更多的二次风进入燃尽风风箱，强化了空气分级燃烧，使得NOX排放值降低，如图6所示。

图5 省煤器出口NOX随外二次风叶片角度开度变化趋势

图6 省煤器出口NOX随备用燃烧器层风箱挡板开度变化趋势

2.9 炉膛氧量调整

在机组负荷为300 MW，A，B，D，E磨运行工况下对炉膛氧量进行调整。从图7看，炉膛氧量由2.6%升到4.4%，NOX排放值由270 mg/m3升到460 mg/m3。随着炉膛运行氧量的升高，燃烧区域富燃料环境变差，同时炉膛燃烧峰值温度升高，使NOX排放值大大增加。

图7 省煤器出口NOX随炉膛运行氧量的变化趋势

2.10 燃烧器改造前后的排放数据对比

2.10.1 改造前

燃烧器改造前，在机组负荷维持300 MW时进行的不同磨煤机运行组合下的测试数据见表1—表 2。

表1 燃烧器改造前燃煤分析数据

表2 燃烧器改造前300 MW负荷时不同磨煤机运行组合下的测试结果

2.10.2 改造后

经过降低NOX的调整试验后，在机组负荷为300 MW时进行的不同磨煤机运行组合下的测试数据见表3—表4。

从测试数据看，改造后NOX排放值明显低于改造前，经过降低NOX的优化调整后，锅炉NOX排放可控制在280 mg/m3以下。燃烧器改造后飞灰含碳量也基本正常，控制在3%以下。

3 结论

锅炉应用AireJet和DRB-4Z燃烧器以及加装双风区燃尽风的低氮燃烧改造，经优化调整后取得了良好的NOX减排效果。

表3 燃烧器改造后燃煤分析数据

表4 燃烧器改造后300 MW负荷时不同磨煤机运行组合下的测试结果

在锅炉运行中，燃尽风风箱挡板开度在50%～100%时，燃尽风喷口二次风套筒、中心风挡板开度全开，外二次风叶片角度关小，对降低NOX的排放有很好的效果。

经实际运行摸索，在燃尽风风箱挡板开度50%～100%，AireJet燃烧器层风门开度 35%，DRB-4Z层燃烧器风门开度在45%～55%时，可获得降低NOX的最优效果。同时，在保证燃烧器喉口壁温不超温的前提下，尽量关小备用燃烧器层的风箱挡板开度，有利于降低NOX排放值。在保证锅炉运行稳定的前提下，适当降低炉膛运行氧量，同样有利于降低NOX排放值。在机组负荷300 MW时，省煤器出口NOX排放值由改造前的500～700 mg/m3降低至 280 mg/m3以下。

[1]火电厂氮氧化物防治技术政策（环发[2010]10号文）[R].环境保护部，2010.

[2]王东平，贾宏禄，刘小平.利港电厂2×350 MW机组锅炉低氮燃烧改造及其对锅炉运行的影响[J].热力发电,2008，37（12）:38-44.

[3]应明良，戴成峰，胡伟峰，等.600 MW机组对冲燃烧锅炉低氮燃烧改造及运行调整[J].中国电力，2011，44（4）:55-58.