W型火焰锅炉低氮燃烧优化改造

李 娟，杨 杰

（华能邯峰发电厂，河北 邯郸 056200）

W型火焰锅炉低氮燃烧优化改造

李 娟，杨 杰

（华能邯峰发电厂，河北 邯郸 056200）

在阐述了热力型、燃料型和快速型NOx生成机理及其控制技术的基础上，通过剖析某发电厂2号锅炉的结构和燃烧特点，对其制定了低氮燃烧优化改造方案。方案实施后，NOx排放量降低超过50 %，效果显著。

W型火焰锅炉；低氮燃烧；改造；氮氧化物

0 引言

在燃煤电厂排放的大气污染物中，氮氧化物（NOx）是一种对生态环境和人体健康都有危害，且已经成为重点治理对象的大气污染物。随着节能减排政策的深入，各种控制NOx排放的技术也在实践中逐渐成熟。而W型火焰锅炉本身由于炉膛容积相对较小，炉膛火焰温度较高，所以排放的NOx单位数值较高，相对来说也较难控制和治理。

1 NOx生成机理和目前的控制技术

NOx主要指NO和NO2，还包括N2O，N2O3，N2O4，N2O5。在燃煤锅炉生成的NOx中，NO占95 %，N2O大概占5 %，其他形式的NOx占比微乎其微。按照NOx的生成机理，可以分为3种：热力型、燃料性和快速型。

1.1 NOx生成机理

热力型NOx是空气中的氮在高温下氧化而成的，影响热力型NOx生成的因素主要包括燃烧反应的温度、氧气的浓度和燃烧反应的时间，其中温度对热力型NOx生成的影响最大。实际上，温度在1 350 ℃以下，热力型NOx的生成量很少；随着温度的上升，热力型NOx的生成量随之快速上升；当温度上升到1 600 ℃以上时，热力型NOx生成量能够占到总NOx生成量的25 %-30 %。

燃料型NOx生成量占锅炉燃烧NOx总生成量的70 %-80 %。一般认为，燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃烧过程中产生热分解，再进一步氧化生成的，同时还存在NO的还原反应。燃料型NOx的生成与还原，不仅与煤种的特性、燃料中氮化合物的状态、煤中的氮热分解时在挥发分和焦炭中所分配的比例和各组分成分有关，还与燃烧过程中氧的浓度和燃烧温度等因素有关。

快速型NOx的生成是通过燃料中产生的CH原子团撞击N2分子，生成HCN类化合物，再进一步氧化生成的，这个反应很快，所以生成的NOx称为快速型NOx。温度对快速型NOx的影响比较小，与热力型和燃料型NOx的生成量相比，快速型NOx的生成量要少得多。

一般来说热力型、燃料型和快速型NOx的生成量和温度的变化关系可以用图1来定性描述。

图1 NOx生成量和火焰温度的关系

1.2 目前的控制技术

目前，燃煤锅炉的NOx的燃烧控制技术比较多，并已在国内外得到了广泛应用。适宜于燃煤锅炉的NOx控制技术主要有低NOx燃烧器、空气分级、燃料再燃、烟气再循环，根据NOx减排要求不同，这些技术既可单独使用也可组合使用。

（1） 低NOx燃烧器。通过燃烧器喷嘴的局部煤粉浓缩与燃烧器二次空气分级参与燃烧，实现燃烧初期的局部浓淡偏差燃烧，控制燃烧初期的氮基中间产物含量与NOx生成。

（2） 炉内空气分级。为充分利用煤粉火焰初期生成的氮基中间产物，将约20 %-30 %的二次空气从燃烧器上方的燃烬风喷口进入炉膛，推迟与一次风的混合，使燃烧器区域的过剩空气系数低于1．0，形成炉膛高度方向的空气分级燃烧。低NOx燃烧器与空气分级燃烧相结合，延长了氮基中间产物在还原性环境区域的停留时间，能够提高整个燃烧系统的NOx控制能力。

（3） 燃料再燃。为改善因低氮燃烧所引起的煤粉燃烬问题，燃料再燃技术将炉膛分为3个燃烧区域：主燃区，采用传统燃烧器高温富氧（1．1-1．15）燃烧80 %-85 %煤粉，强化煤粉初期燃烧的同时，伴随生成大量NOx；再燃区，15 %-20 %的二次燃料（天然气为主）从燃烧器上方喷入炉膛，在缺氧（0．7-0．9）条件下生成大量HCN类化合物，用于还原来自主燃区域的NOx；燃烬区，剩余二次风由OFA（燃烬风）喷口送入燃烬区，富氧（1．15）燃烧未燃烬C与CO。再燃技术可降低NOx排放约50 %-70 %。

（4） 低氮燃烧优化系统。在精确监测的基础上，通过优化煤粉燃烧系统各参数之间的非线性对应关系，能够充分挖掘与发挥现有燃烧装置的NOx控制潜力。

2 W型火焰锅炉简介和其低氮燃烧方案

2.1 某电厂2号锅炉简介

某电厂2号锅炉容量660 MW，型式为W型火焰、亚临界п型炉，设计掺烧煤种为50 %贫煤和50 %无烟煤。由于炉型特点和煤质特性，锅炉燃烧过程中产生的NOx最高到2 200 mg/Nm3。锅炉采用双拱形炉膛，并配备6台D-12-D型双进双出球磨机，每台磨煤机设计了6组双旋风筒式燃烧器与分级配风方式，燃烧器错列均匀布置在前后墙拱上，煤粉气流往下喷射形成“W”火焰。W型火焰不仅具有较长的火焰行程，而且高温火焰能够回流卷吸到燃烧器火焰根部，有利于提高煤粉的快速着火与稳燃。

锅炉炉膛采用膜式水冷壁，炉膛宽度为34 480 mm，上炉膛深度为9 525 mm，下炉膛深度为15 631 mm，炉膛高度（炉膛至顶棚）为39 680 mm，最低燃烧器至灰斗高度为8 030 mm，上排燃烧器至屏过距离为20 390 mm。由于锅炉本身炉膛容积相对较小，且制粉系统与燃烧器设备存在的不足，锅炉燃烧过程中NOx排放量较高。锅炉在满负荷下，无烟煤掺烧比例在14．6 %-27．8 %时，NOx排放量约为1 600-2 200 mg/Nm3。

2.2 W型火焰锅炉的基本改造方案

为了燃烧难燃无烟煤，下冲火焰W型锅炉通常采取高煤粉浓度、高温、高氧量集中送风、高停留时间方式组织燃烧，而高氧量集中送风则是造成锅炉NOx排放浓度高达1 600-2 200 mg/Nm3的主要原因，且其中热力型NOx所占比例较高，这也是无烟煤W型锅炉通过燃烧控制NOx难度高的主要原因。

现代低NOx燃烧技术将煤质、制粉系统、燃烧器、二次风及燃烬风等技术作为一个整体考虑，以低NOx燃烧器与空气分级为核心，在炉内组织燃烧温度、气氛与停留时间，形成早期的、强烈的、煤粉快速着火欠氧燃烧，利用燃烧过程产生的氨基中间产物来抑制或还原已经生成的NOx。针对W型火焰锅炉，如何在高温下组织炉内空气分级燃烧，尤其是控制高温区域内的含氧量是抑制NOx生成浓度的关键。此外，还需兼顾煤粉燃烬、防结渣与防腐蚀等问题。

（1） 低NOx燃烧器。煤粉燃烧器的首要任务是燃烧，W型火焰锅炉除采用长火焰大回流燃烧方式外，还采用细煤粉（筛余R90与煤的挥发分数值相近）、低一次风煤比（约1．2）、煤粉浓缩（浓缩分离后，浓相一次风煤比约0．7）、低一次风率（15 %-20 %）、低射流速度（10-15 m/s）、一次风粉预热（风粉温度通常约100 ℃，一次风粉置换或热风送粉可达190 ℃）及喷嘴稳燃钝体等措施，来降低煤粉的着火热，提高挥发分的析出速率和析出量。高浓度煤粉在高温烟气中的浓淡偏差燃烧，一方面能够实现煤粉的早期着火燃烧，同时还为在火焰锋面上通过缺氧气氛控制早期的燃料型NOx生成创造了有利条件。

（2） 炉内空气分级。为增加浓相煤粉在欠氧气氛区域内的停留时间，充分利用燃烧初期产生的氨基中间产物，提高燃烧过程中的NOx自还原能力，通常推迟燃烧器区域的二次风与一次风的混合，并在炉膛上部布置一层或多层高位燃烬风，在炉内纵向形成大范围的空气分级燃烧。W型火焰锅炉早期在燃烧室内采取多级分级配风，减少燃烧初期的助燃空气的掺入量；当前则还将部分助燃空气从二次风中分离构成SOFA（分离式燃烬风），使燃烧器区域的过剩空气系数小于0．8-0．9，控制燃烧初期的燃料型NOx，并通过燃烬风的后期加入，完成焦炭、CO及其他中间产物的燃烬。

将高效低NOx燃烧器与空气分级相结合，这是一般锅炉燃烧过程中控制NOx生成的主要措施。对于燃烧无烟煤的W型火焰锅炉，由于煤粉着火特性较差，燃烧过程中的NOx控制难度相对要大一些。

3 低氮燃烧改造

该发电厂2号锅炉低氮燃烧改造采用了“引射回流、多点分级”的低氮燃烧技术。低氮燃烧改造范围如图2所示，主要包括：燃烧器改造，即采用2级煤粉浓淡分级+高低速喷口的新型燃烧器；增加拱上二次风喷口；增加AB风门，用于控制拱上二次风；D/E风门开度完善；F风下倾改造；增加OFA系统；卫燃带优化改造。

图2 低氮燃烧改造范围示意

3.1 燃烧器改造

将原有36台百叶窗浓淡分离式燃烧器更换为36台配有2级煤粉浓淡分离装置+高低速喷嘴的新型燃烧器。燃烧器主喷嘴及乏气喷嘴的数量和位置与改造前基本一致，即每个燃烧器具有2个主喷嘴（安装在原主喷嘴位置）、1个乏气喷嘴（从油枪风喷口伸入炉膛，由于乏气管处温度较高，原来的陶瓷防磨改为更能耐高温的SIC胶泥防磨）。本次改造采用的新型燃烧器通过采用2级煤粉浓淡分离装置可以提高煤粉分离效果，同时采用高低速喷口在主喷口出口处形成外浓内淡、外低速内高速的浓煤粉气流形态，可有效促进浓煤粉气流着火并保证浓煤粉气流下射刚性，为低氮燃烧创造条件。

3.2 增加拱上二次风喷口

本次低氮改造在燃烧器侧后方前、后炉拱上各增加20个拱上二次风喷口，将大量二次风由拱下F风喷口移至拱上向下送入炉膛，使其卷吸高温烟气，增强高温烟气回流至浓煤粉气流根部，促进浓煤粉气流着火，引射并携带浓煤粉气流下行，提高浓煤粉气流下射深度，有利于控制飞灰可燃物含量；同时拱上二次风分级补入浓煤粉气流中，有利于控制NOx排放量。本次低氮燃烧改造中新增加的40个拱上二次风喷口中，位于炉膛4个角（防止翼墙与侧墙结焦）及中心线附近的总共8个拱上二次风喷口，每个喷口需改造3根水冷壁管；其余32个拱上二次风喷口，每个需改造5根水冷壁管，共计拱上水冷壁管需改造184根，涉及管子对接焊缝约371道。在新更换的水冷壁管下部焊接卫燃带耙钉，待锅炉水压试验完成后，采用刚玉自流料对拱上卫燃带进行恢复浇筑。

3.3 新增AB风门

本次低氮燃烧改造将大量二次风由拱下F风喷口移至拱上，通过新增拱上二次风喷口送入炉膛，但根据负荷变化以及煤质变化需对拱上二次风风量进行调节控制。因此，本次低氮燃烧改造将原尺寸较小的AB风门去除，安装36台尺寸为1 000 mm×680 mm的新AB风门，用于控制拱上二次风量与燃烧器喷口冷却风量。

3.4 D/E风门开度完善

由于D/E风送入位置在煤粉气流根部，温度较低的D/E风送入不利于煤粉气流的着火；但同时考虑到该部位炉膛结焦情况，本次低氮燃烧改造D/E风门开度全部关至较小的10 %开度。

3.5 F风下倾改造

本次低氮燃烧改造将大量二次风由拱下F风喷口移至拱上新增的二次风喷口送入炉膛。为了保证F风的入射速度，达到继续引射煤粉气流下行的作用，并提高煤粉气流的下射深度，保证煤粉颗粒在炉内的停留时间，本次低氮燃烧改造重新制作F风导流装置取代原有导流装置。新的F风导流装置下倾20°布置，同时采用孔隙率较小的均流板对F风喷口上半部分进行封堵，以在较小风量下保证F风入射速度。

3.6 新增OFA系统

本次低氮燃烧改造在上炉膛前后墙标高为+28 640 mm处分别增加20组OFA喷口（前后墙共40组）。其中炉膛两侧的2组OFA喷口采用方形喷口（前后墙共4组），喷口尺寸为300 mm× 300 mm，设计风速为50 m/s，入射角度可在水平0°与下倾30°之间调节，以消除炉膛两侧自由上行的烟气通道，可进一步提高燃烧效率及保证较低的NOx，CO的排放。其余36组OFA喷口采用直流外旋流的出口气流形式，同时OFA喷口下倾15°布置，该OFA喷口较原锅炉有如下2点改进：

（1） OFA喷口整体长度由1 025 mm减小至690 mm；

（2） 中心直流风喷口直径由Φ253 mm增加至Φ335mm。

OFA取至环形二次风箱左右侧，OFA风箱从环形二次风箱左右两侧各引出2个风道延伸得到，其中上炉膛前后墙外燃烬风风道尺寸为1 470 mm× 2 100 mm，较原锅炉1 400 mm×2 000 mm，通流面积增加了约10 %。以上改进可进一步减小燃烬风阻力损失，提高燃烬风入射速度，使燃烬风与烟气的后期混合更为充分，可进一步提高燃烧效率及保证较低的NOx，CO排放。新增的OFA风箱4个角安装电动调节门和风量测量装置，以控制及测量OFA系统的风量。需对新增的每个方形OFA喷口的4根水冷壁管进行改造，共计对4×4=16根水冷壁管进行了改造；需对每个内直流外旋流的OFA喷口的6根水冷壁管进行改造，共计对36×6=216根水冷壁管进行了改造。共计对40组OFA喷口的232根水冷壁管进行了改造，加上个别吹灰器水冷壁管拉直处理，OFA喷口安装共涉及约541道管子对接焊缝的焊接。

4 结束语

该发电厂2号锅炉于2015-01-22T14：00开启送风机，并于22：00投油点火。锅炉启动过程中，当2号机组负荷达到330 MW时，锅炉撤出全部油枪，此时燃烧稳定，汽水参数正常，启动过程中未发现任何因低氮燃烧改造而出现的问题。改造后该机组正常运行将近9个月，锅炉燃烧稳定，汽水参数正常，减温水低于改造前水平，初步调整后NOx排放量降低。通过本次低氮燃烧改造，优化工况下NOx排放量可降至752 mg/Nm3，相对于改造前NOx排放量降低超过50 %。

1 樊泉桂．锅炉原理［M］．北京：中国电力出版社，2008．

2 阎维平．清洁煤发电技术［M］．北京：中国电力出版社，2002．

2015-09-16；

2016-04-13。

李 娟（1978-），女，工程师，主要从事集控运行工作，email：chicheng_01@126．com。

杨 杰（1984-）， 男，工程师，主要从事锅炉运行工作。