偏置一次风燃烧器在墙式切圆褐煤锅炉中的应用

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046)

0 引 言

目前，国内燃用全水分的小于35%的褐煤机组时，常常选用中速磨制粉系统，而只是针对部分全水分超过35%的褐煤则采用风扇磨制粉系统[1-2]。配置中速磨制粉系统的褐煤机组，受限于其制粉系统干燥出力，往往一次风风率很高[3]，尤其是在冬夏两季，由于受到降雨及降雪的影响，煤粉水分升高，导致锅炉一次风风率大幅上升，部分负荷下甚至达到50%以上。较高的一次风风率已将严重影响到了炉内燃烧动力场，二次风严重缺失，炉内燃烧切圆偏大，导致煤粉气流刷墙，进而引起水冷壁结焦及壁温偏差问题，严重时水冷壁超温，限制了锅炉的出力；同时鉴于炉内燃烧动力场的不合理，锅炉在运行时燃尽风风门只能关小，影响了锅炉分级燃烧的效果，进而NOx排放上升[4]。这种现象在墙式切圆燃烧时尤为严重[5]。

1 电厂锅炉概况

1.1 锅炉设计边界条件

某电厂一期工程安装两台600 MW超临界空冷机组，锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司自主开发研制的600 MW褐煤超临界锅炉。锅炉燃烧器采用墙式切圆燃烧方式，形成大直径切圆，以获得沿炉膛水平断面较为均匀的空气动力场。配置六台磨中速磨煤机系统，燃烧器分三层，二次风偏离一次风15°进入炉膛，形成风包粉的布置方式，有效减少炉膛的结焦。燃烧器的上方为四层分离型燃烬风室(SOFA)喷嘴，它具有补充燃料后期燃烧所需要的空气，同时实现分级燃烧以抑制NOx的生成。锅炉主要参数见表1。

表1 锅炉原设计容量和参数

表2是锅炉使用的煤质分析数据，可以看出，该锅炉用煤为褐煤，水分高，热值低，并且易结焦。

表2 锅炉设计煤质、校核煤质分析表

表3 锅炉燃烧器设计主要参数

图1为燃烧器喷口布置及主燃烧器和SOFA的水平布置图，其中主燃烧器分成三组，采用墙式切圆布置方式，而SOFA则采用了四角切圆布置方式。表3是燃烧器的主要设计参数。

图1 燃烧器布置图

1.2 锅炉运行出现问题

该电厂自2011年投运以后，多次出现一次风刷墙、结焦问题，并存在主、再热蒸汽温度偏低的情况。投产以后，主汽温度曾经一度低于540 ℃，低负荷时主汽温度降低更加明显，导致机组的运行经济性较设计水平显著偏低。运行过程中，锅炉的结渣问题时有发生，但是并不严重，但由于采用干式出渣方式，一旦炉膛内出现结渣难以通过除渣系统自行清除，需要通过人工打焦的方式进行清除。同时锅炉在运行过程时，锅炉NOX排放普遍在300～400 mg/m3之间，锅炉NOx排放很高。锅炉脱硝压力很大，一旦锅炉运行方式发生变化，锅炉NOX排放会继续上升，脱硝出口NOx排放不能满足50 mg/m3的排放要求。

2 锅炉目前现状问题分析

从运行数据来看，受限于磨煤机出力，其一次风风率控制的较差，一次风风率普遍在42%甚至更高。较高的一次风风率使得煤粉气流着火延迟，同时二次风无法对一次风进行携带，来自上游的一次风气流会对下游的一次风气流产生一定的冲击，进而导致了煤粉气流的偏斜及刷墙。而主蒸汽、再热汽温度未能达到设计值，主要是火焰贴近水冷壁，增强了水冷壁的换热强度，造成炉膛出口烟气温度低从而影响了对流受热面的吸热。

图2 改造前炉膛燃烧器区域的温度场及速度场分布

而本工程造成一次风风率较大的原因主要如下：

(1)二次风温度较设计值低；TRL负荷下，原二次风温度设计值为384 ℃。而本工程在实际550 MW运行中，其二次风风温在360 ℃左右，较设计值低24 ℃。干燥出力不够，导致单台磨的通风量变大；

(2)煤质变差，导致磨煤机投运数量增加，一次风风率高；在低负荷情况下，50%THA工况时，设计二次风风温为334 ℃，而在实际运行中360 MW负荷下，二次风风温在332 ℃左右。从上可看出，低负荷下二次风风温与设计值相当。但是由于煤质热值变差，单台磨的磨煤量变大，需要增加一台磨运行，以便满足运行的给煤要求。而高负荷时同样也存在类似问题，再加上高负荷下二次风风温低，其也需增加一台磨运行。

而锅炉的一次风风率过大后，会导致NOx排放的上升。同时，由于出现的扫墙现象，电厂运行人员为了防止水冷壁壁温超温，选取了燃烧器区域高氧量运行的方式，SOFA风量较少，分级燃烧不明显，进而又加剧了NOx排放的上升。可见解决一次风风率过高或者解决煤粉气流扫墙现象，就会解决上述问题。

3 燃烧系统改造方案

鉴于本工程现状，解决一次风风率过高，需要对原有的制粉系统进行改造，如增加暖风器设备对一次风风温进行加热、再提高等，这样改造投资成本很大。因此本次改造的方案主要从解决锅炉切圆过大方面着手。

根据现场实际情况进行方案设计，改造方案如下：

(1)保持原有的一次风喷口标高不变，主燃区低氮燃烧器整体向炉膛中心偏转一定的角度，缩小原有的燃烧假想切圆，防止一次风气流冲刷水冷壁；

(2)二次风喷口仍按垂直于水冷壁壁面的方向射入炉膛。

根据目前的改造方案，应用相应的数值模拟软件，对改造后炉内动力场及温度场进行了相应的数值模拟，模拟发现：锅炉炉内一次风扫墙的现象得到有效解决。

改造后的燃烧器布置图如图3-4所示。

图3 改造后炉膛燃烧器区域的温度场及速度场分布

图4 改后燃烧器平面布置图

4 改造后锅炉运行结果

该炉低氮燃烧器改造后，通过多方配合热态燃烧调整，炉膛出口氮氧化物排放及CO均达到低排放的效果，达到了低氮改造的目的。主燃烧器区域的风门开度维持在20～30之间，停运层的风门维持在15%左右，SOFA风门维持在较大开度。在燃尽风并未改造的前提下，锅炉高负荷NOX排放可达到200 mg/Nm3左右，CO：43.2 ppm，飞灰含碳量为1.0%；450 MW负荷段下SCR入口NOx：160 mg/Nm3，CO：15.9 ppm；300 MW负荷段下SCR入口NOx：230 mg/Nm3，CO：7.4 ppm。

5 结束语

该新型低氮燃烧器应用于墙式切圆褐煤锅炉后，能够在不更改原有制粉系统及煤质的情况下，有效的控制炉内燃烧的切圆，使得原有锅炉一次风气流扫墙的问题得以有效的解决，锅炉能够保锅炉各项参数达到设计值，安全稳定的满负荷运行，同时原有的锅炉在NOx排放也有一定程度的降低。该新型燃烧器技术在燃烧器改造量很小的前提下，达到了理想的效果。预计该技术在国内类似燃烧褐煤的机组中有着非常广阔的应用前景。