墙式布置燃尽风技术在320 MW 四角切圆煤粉锅炉上的应用

黄权浩， 孙培波， 李德波

（1. 广东电力发展股份有限公司沙角A 电厂， 广东 东莞 523936；2. 中国能源建设集团华北电力试验研究院有限公司， 天津 300162；3. 广东电科院能源技术有限责任公司， 广州 510080）

0 引言

目前空气分级燃烧是一种成熟且应用最广泛的降低NOX排放量的燃烧技术[1-6]， 该技术的主要原理是将主燃烧区的部分二次风移至原有火焰中心的上方， 通过减少主燃烧区的供氧量， 来减少燃料型氮氧化物和热力型氮氧化物的生成[7-8]。引至上方的分离燃尽风在所在标高处与烟气再次混合燃烧。 但是， 分离燃尽风系统的改造不仅要考虑锅炉降低氮氧化物排放的要求， 也是整个锅炉燃烧系统重新设计和优化的过程。

燃烧系统在设计时， 一方面需要对主燃烧区重新进行评估， 以保证合适的燃料及空气流速，并对改变的热交换率进行校核， 以保证整个系统能与机组日常运行情况相符， 在保证效率的同时改善主燃烧区的结焦状况。 另一方面在设计引至主燃烧区上方的分离燃尽风时， 其位置、 喷射速度以及喷口形式都非常重要， 这些因素将直接影响燃尽风与炉内烟气的混合效果， 在燃尽风标高处的合理混合是降低燃烧过程中可能会出现的高CO 浓度、 高UBC（炉膛出口飞灰含碳量）等情况的关键所在， 也是保证锅炉效率的重要手段， 同时保障了炉膛出口以后的烟气流向及烟气温度达到最理想的状态。

由于采用空气分级， 炉膛主燃烧区域氧量不足， 会产生大量的CO 及未燃尽的焦炭等可燃物，而后期通入的燃尽风虽然可以明显降低未燃尽可燃物的含量， 但喷入炉内的空气不能到达所有区域， 还有一部分可燃物直接离开燃尽区域， 未能充分燃尽。 在现场调试过程中发现， 低NOX排放会导致未燃尽碳含量高且燃烧效率低， NOX排放量控制得越低， 未燃尽碳含量大大增加， CO 排放量大幅上升， 锅炉效率会降低， 这种以牺牲锅炉效率换取低NOX排放量是不可取的[9-11]。

本文通过墙式布置燃尽风技术在某发电厂320 MW 四角切圆煤粉锅炉上的成功应用， 深度分析了墙式布置燃尽风技术对NOX质量浓度、 CO等未燃尽可燃物体积分数、 飞灰可燃物、 锅炉效率和锅炉两侧汽温偏差变化的影响。

1 锅炉改造

1.1 设备概况

某发电厂5 号锅炉为上海锅炉厂生产制造，亚临界压力、 一次再热控制循环汽包炉， 采用中速直吹式制粉系统， 四角切圆燃烧， 固态排渣，平衡通风， 全钢架悬吊结构， 单炉膛露天布置。回转式空气预热器（未考虑预留脱硝）。 炉底下集箱标高为6 500 mm， 最上排燃烧器喷口中心线标高25 432 mm， 距分隔屏屏底距离18 288 mm，最下排燃烧器喷口中心标高19.296 mm， 至冷灰斗转角距离为4 526 mm。 锅炉采用的是正压直吹式冷一次风机制粉系统， 共设置5 台磨煤机， 4运1 备。

1.2 改造方案

本项目锅炉低氮燃烧系统改造方案基于空气分级原理， 主要分为主燃烧区喷口改造和增加SOFA（分离式燃尽风系统）。

1.2.1 锅炉主燃烧区改造

（1）喷口改造： 包括5 层一次风喷口、 8 层二次风喷口的更换。 改造前后各层一次风喷口中心标高、 喷口截面积、 切圆方向均不变， 一次风喷口的周界风喷口面积减小为原来的70%， 上层辅助风喷口截面积减小为原来的50%， 中层辅助风喷口截面积减小为原来的65%， 喷口面积的减少通过调整喷口的高度实现。 为保证燃烧器正常摆动， 所有喷口中心线保持和原来一致， 中间和上部的辅助风喷口偏置角度与原来一致， 底层辅助风喷口保持现有状态不变， 3 层油枪层二次风喷口标高、 切圆方向均不改变， 截面积减小为原来的65%。 本次改造仅对喷口外筒进行更换， 内部油枪等保持不变， 改造前后各喷口截面积如表1所示。

表1 改造前后燃烧器喷口截面积mm

（2）风箱风门改造： 改造各层喷口所对应的风门， 使其有效通流面积减少50%。 对于双叶片风门， 拆除两叶片转轴之间的连杆， 固定其中一个叶片转轴（从动轴）， 并保持该叶片完全闭合， 仅保留另一叶片转轴（主动轴）动作， 从而达到减少50%通流面积的目的； 对于单叶片风门， 把风门挡板左右两侧（不含转轴）割掉一部分以减小风门有效面积， 使有效通流面积减少50%。

改造前后主燃烧区燃烧器喷口对比见图1。

图1 改造前后燃烧器喷口对比

1.2.2 SOFA 系统改造

在锅炉标高33.5 m 位置增加一层分离式SOFA 系统， 采用墙式布置， 其中， 锅炉前后墙各布置3 只喷口， 左右墙各布置2 只喷口， 共10只喷口。 SOFA 系统喷口平面布置如图2 所示。

针对四角切圆的炉型， 锅炉两侧烟温偏差是一个典型问题， 其根源是燃烧器的四角布置型式所带来的烟气残余旋转[12]。 墙式布置分离式燃尽风喷口， 由于与主燃烧区二次风喷口布置有所区别， 进风方向不同， 会对自下而上螺旋式上升的烟气产生剧烈扰动， 同时， 新的燃尽风喷口布置方式能够使燃尽风喷口标高处炉膛界面的二次风平均流速更高， 进而延长了风粉气流在炉内的停留时间。 因此， 墙式布置燃尽风喷口， 一方面混合更均匀， 燃烧更充分， 进而显著降低锅炉飞灰可燃物及排烟温度； 另一方面， 与烟气的剧烈充分扰动打破了主燃烧区残余旋转， 建立起新的动态平衡， 烟气经过该炉膛截面后， 无论是流向还是烟温都较改造前更为理想。 通过各分离式燃尽风调节挡板开度来平衡锅炉两侧烟温， 使得锅炉受热面壁温及蒸汽温度都得到较大改善。

图2 SOFA 喷口平面布置

1.2.3 传统角式布置与墙式布置燃尽风的技术差异

（1）相较于常规角式布置燃尽风技术， 墙式布置燃尽风技术能够使所有燃尽风喷口布置在最理想的标高， 能够兼顾风率和高度2 个变量， 使得锅炉NOX排放及飞灰燃尽率均在最佳水平。 另外， 燃尽风从水冷壁四周进入炉膛， 能够加强烟风混合， 且覆盖范围比角式燃尽风更广， 进而能够最大限度地降低飞灰可燃物。

（2）相较于常规角式布置燃尽风技术， 墙式燃尽风布置在水冷壁四面墙中心附近， 而此处是炉膛主旋转气流最弱的地方， 在此处喷入墙式燃尽风， 气流受锅炉主气流顺带的影响大大减弱，有足够的刚性来抵抗主旋转气流， 进而大幅度消除烟气旋转。 因此， 墙式燃尽风在解决锅炉烟温、汽温偏差方面优于角式布置燃尽风技术。

（3）角式布置燃尽风技术在炉膛充满度、 切圆燃烧的良好程度方面要优于墙式布置燃尽风技术； 而墙式布置燃尽风技术在补气条件良好、 水冷壁结渣倾向降低、 壁面热负荷降低等方面具有明显优势。 另外， 采用角式布置燃尽风， 燃尽风射流刚性较弱， 射流流速和刚度在喷出不久就会大幅衰减， 到达火焰中心时的射流刚度很差， 或者根本到不了炉膛火焰中心， 进而不利于飞灰可燃物及炉膛出口CO 排放的控制。

2 锅炉改造后燃烧优化调整

2.1 主燃烧区过量空气系数调整

在锅炉满负荷时， 维持炉膛出口氧含量在3.2%左右， 调整SOFA 挡板及二次风挡板开度，调节主燃烧区与SOFA 风量分配比例， 研究主燃烧区过量空气系数变化（燃尽风率变化）对锅炉NOX排放及锅炉燃烧经济性的影响。 如图3 所示， 主燃烧区过量空气系数从0.93 逐渐降低到0.90， 在此过程中， 主燃烧器区域燃烧减弱， 局部出现还原性气氛， 从而抑制了燃烧初期的燃料氮向NOX的转换， 同时， 燃烧中心温度降低也减小了热力型NOX的生成速率， 两者共同实现了炉膛出口低NOX排放。

图3 主燃烧区过量空气系数变化对NO X 排放及锅炉燃烧经济性的影响

当主燃烧区域过量空气系数继续降低至0.90以下时， 造成燃烧器区域局部出现较为严重的缺氧燃烧现象， 煤粉不完全燃烧加剧， 虽然此时强还原气氛抑制了NOX生成量， 但同时大量的未燃尽煤粉颗粒在上炉膛区域剧烈燃烧， 提高了该区域的NOX生成量， 最终造成炉膛出口NOX排放浓度降低幅度减缓。 此外， 炉膛不完全燃烧造成的飞灰含碳量迅速升高， 锅炉燃烧经济性降低。

在进行低氮燃烧调整过程中， 虽然可以通过调节SOFA 挡板开度达到降低炉膛出口NOX排放浓度的目的， 但当主燃烧区域的过量空气系数过低时， 不仅显著降低锅炉燃烧经济性， 而且还原性气氛易造成灰熔点降低， 引起锅炉严重结焦以及水冷壁的还原性腐蚀等[13]。 目前的研究结果表明， 最佳主燃烧区域过量空气系数受炉型、 燃烧器类型、 燃尽风位置、 入炉煤质以及运行习惯等多种因素影响， 因此在实际调整过程中， 应注意平衡低氮排放与锅炉燃烧经济性之间的关系[14-17]。

2.2 锅炉运行氧量调整

在锅炉满负荷时， 维持锅炉主燃烧区过量空气系数在0.91～0.92， 调整锅炉运行氧量， 在锅炉主燃烧区过量空气系数一定的工况下， 研究该锅炉运行氧量变化对锅炉NOX排放及锅炉燃烧经济性的影响， 如图4 所示。

图4 锅炉运行氧量变化对NO X 排放及锅炉燃烧经济性的影响

在主燃烧区过量空气系数不变的状态下， 随着锅炉运行氧量的增加， 锅炉NOX排放量也在增加。 锅炉运行氧量由2.6%增加至3.0%时， 锅炉NOX增加幅度较平缓， 但是， 飞灰可燃物降低幅度较明显。 这主要是由于： 在主燃烧区过量空气系数不变的状态下， 锅炉运行氧量的增加主要通过增加SOFA 风量来实现。 SOFA 风量增大时， 燃尽风刚性增大， 与烟气的混合扰动增强， 燃尽区域氧化燃烧更加充分， 进而大幅度降低了飞灰可燃物； 同时， 由于燃尽区域温度较低， 燃料型及热力型NOX生成量较少。

当氧量由3.0%继续增大时， 燃尽区温度进一步降低， 飞灰可燃物不再呈继续降低趋势， 同时， 大量未参与氧化反应的SOFA 混入上炉膛，导致锅炉NOX排放增长趋势明显。

2.3 锅炉风箱炉膛差压调整

在锅炉满负荷时， 控制锅炉主燃烧区过量空气系数在0.91～0.92， 锅炉运行氧量2.8%～3.0%，调整SOFA 与二次风挡板开度， 研究锅炉风箱炉膛差压变化对锅炉燃烧经济性的影响， 见图5。

图5 锅炉风箱炉膛差压变化对锅炉燃烧经济性的影响

风箱炉膛差压提高后， 燃尽风风速提高、 刚性及穿透力增强， 与主燃区自下而上螺旋式上升的烟气扰动增强， 延长了风粉气流在炉内的停留时间， 进而降低了锅炉飞灰可燃物及CO 排放。

3 改造效果

低氮燃烧系统改造完成并经过燃烧调整后，进行了锅炉NOX排放浓度及锅炉热效率的测试，测试结果见图6、 图7。 图8、 图9、 图10 分别为改造前后锅炉排烟温度、 飞灰可燃物及炉膛出口左右侧烟温偏差在不同负荷下的对比曲线， 图6—10 中的负荷率指ECR（连续经济出力）占比。

图6 改造前后锅炉NO X 排放对比

图7 改造前后锅炉热效率对比

图8 改造前后锅炉排烟温度对比

图9 改造前后飞灰可燃物对比

图10 改造前后炉膛出口烟温偏差

3.1 NO X 排放情况对比

低氮燃烧系统改造后， 锅炉NOX排放浓度大幅下降， 如图6 所示， 在各种负荷下锅炉NOX排放浓度下降了约48%。

3.2 锅炉热效率对比

低氮燃烧系统改造前后， 锅炉热效率对比曲线如图7 所示。 从图7 可以看出， 低氮燃烧系统改造后， 满负荷工况下， 锅炉效率比改造前提高了1.37%； 75%ECR 负荷下， 锅炉效率比改造前提高了1.25%； 50%ECR 负荷下， 锅炉效率比改造前提高了0.84%。 低氮燃烧器改造后锅炉热效率上升的主要原因是： 新的燃尽风系统能够使燃尽风喷口标高处炉膛界面的二次风平均流速更高， 实现燃尽风与烟气的剧烈充分扰动， 延长风粉气流在炉内的停留时间； 墙式布置的燃尽风系统在补气条件良好、 水冷壁结渣倾向降低、 壁面热负荷降低等方面具有明显优势， 能够保证锅炉上炉膛受热面更加清洁， 进而增加上炉膛各受热面的吸热量； 墙式布置的燃尽风射流刚度较强，改善了角式切圆锅炉二次风、 燃尽风射流刚性较弱、 射流流速和广度衰减过快、 穿透力不足的缺点， 能够有效抑制炉膛火焰中心的过度提升。 因此， 可以保证飞灰可燃物不升高， 并且大幅度降低了排烟温度， 进而实现了低氮燃烧系统改造后锅炉热效率的大幅提升。

3.3 锅炉其他运行参数对比

锅炉燃烧系统改造后， 炉膛水冷壁及尾部受热面无结渣现象， 锅炉汽温、 汽压正常， 各金属受热面壁温无超温现象。 另外， 锅炉各负荷段炉膛出口烟温偏差由改造前的90～158 ℃降低为15～58 ℃， 主、 再热蒸汽减温水量大幅降低， 提高了机组运行的安全性及经济性。

4 结论

结合某发电厂320 MW 机组四角切圆燃烧锅炉墙式布置燃尽风技术改造应用实例， 分析了四角切圆燃烧锅炉墙式布置燃尽风技术改造对锅炉NOX排放、 锅炉热效率、 炉膛出口烟温偏差及其他经济指标的影响， 得出以下结论：

（1）改造后， 锅炉NOX排放浓度大幅下降， 各负荷下锅炉NOX排放浓度下降约48%。

（2）墙式布置燃尽风技术改造后， 能够实现燃尽风与烟气的剧烈充分扰动， 打破主燃烧区生成的残余旋转， 建立起新的动态平衡， 烟气经过此炉膛截面后， 无论是流向还是烟温都较改造前更为理想。 锅炉各负荷段炉膛出口烟温偏差由改造前的90～158 ℃降低为15～58 ℃， 主、 再热蒸汽减温水量大幅降低， 提高了机组运行的安全性及经济性。

（3）墙式布置燃尽风技术改造后， 满负荷工况下， 锅炉热效率比改造前提高1.37%； 75%ECR负荷下， 锅炉热效率比改造前提高1.25%； 50%ECR 负荷下， 锅炉热效率比改造前提高0.84%。在实现锅炉NOX排放减排的同时， 锅炉热效率得到大幅度提升， 提高了机组的运行经济性， 这是角式布置燃尽风技术中所不具备的， 值得同类型机组参考。