中间仓储式热风送粉贫煤锅炉低氮燃烧器改造

2019-10-11杨海勇熊显巍冉桂林

综合智慧能源 2019年9期

杨海勇，熊显巍，冉桂林

(1.中节环立为(武汉)能源技术有限公司，武汉 430000；2.上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

0 引言

煤燃烧过程中生成的NOx有热力型、瞬时反应型和燃料型：前两者是空气中的氮气和氧气反应生成的，主要受反应温度的影响，可统称为高温型NOx；燃料型NOx中的氮来源于燃料，因此燃料型NOx生成量与煤中氮元素含量、存在形式以及燃烧反应氛围有极大关系[1-2]。煤粉燃烧生成的NOx中，燃料型NOx占80%～90%，其余10%～20%为高温型NOx[1,3-4]。煤粉燃烧过程中，通过分级燃烧降低燃烧温度、控制燃烧氧量是降低NOx的主要技术手段。但分级燃烧容易导致飞灰含碳量和排烟温度升高，降低锅炉效率[4-7]，对于燃用贫煤且采用钢球磨煤机中间仓储式热风送粉系统的锅炉，以上问题更为突出[2,4,8-9]。本文针对这种锅炉，提供了一种将三次风进行浓淡分离，重新布置三次风喷口的改造方案，并在工程应用中取得了很好的效果。

1 设备及系统简介

WGZ1025/17.5-6型锅炉为亚临界Π形自然循环汽包锅炉。锅炉采用钢球磨煤机中间仓储式制粉系统，热风送粉，直流式百叶窗水平浓淡燃烧器，四角布置，炉内四角双切圆燃烧方式，尾部双烟道，烟气挡板调节再热汽温，容克式三分仓回转式空气预热器，固态排渣。

锅炉的设计煤种三次风风率为17.3%，校核煤种为19.0%。一、二次风的切圆直径分别为802，974 mm。

每个燃烧器共布置14层喷口，包括4层一次风喷口、7层二次风喷口(其中3层布置有启炉燃油装置)、2层三次风喷口及1层燃尽风喷口，如图1所示。二次风一部分风作为燃料风，设在每个一次风煤粉喷口的两侧，与一次风相间布置，以此形成均等配风；一部分风作为顶部燃尽风，经燃烧器顶部的二次风喷口送入炉膛。所有二次风都通过电动执行机构驱动二次风门来调节。整个燃烧器高度为8 444 mm，最上层燃烧器距大屏底19.08 m。燃烧器特性参数(锅炉最大连续蒸发量工况)见表1。

表1 原燃烧器特性参数Tab.1 Characteristic parameters of the original burner

图1 原燃烧器布置Fig.1 Configuration of the original burner

2 改造技术思路

燃烧过程中，燃料中含氮有机化合物在氧化性条件下会生成NOx，但在缺氧条件下会和NO反应生成N2，只要温度不是特别高，就不会生成NOx。而对于热力型NOx，随着反应温度的升高，NO生成速度呈指数级增加，当燃烧温度高于1 400 ℃时，温度每提高100 ℃，反应速率提高6～7倍[1,10]。

因此，采用分级燃烧降低主燃烧区域氧量及火焰温度是降低NOx的主要技术手段。但由于分级燃烧降低了主燃烧区域氧量，增加了后期煤粉颗粒的燃尽时间，对于已投运的锅炉，由于炉膛尺寸限制，无法增加燃烧时间，因此，必须采取其他有效措施增强燃烧的可靠性。

3 改造难点及改造方案

3.1 改造难点

分级燃烧通常需要将30%左右的二次风引到燃烧器上部，保持主燃烧器区域过量空气系数在0.8左右[4,11]。此次改造采用中间仓储式热风送粉系统，三次风带有15%～20%的粉，本身风量占总风量的19%左右，实际运行中，由于煤粉含水量增加等原因，三次风量往往大于设计值。如果将大量的二次风引入上部作为分级风使用，那么三次风下部主燃烧区域过量空气系数将小于0.7，加上主燃烧器上部冷三次风的注入，会导致煤粉燃烧工况变差，飞灰、炉渣含碳量必然大幅度增加；同时，燃烧火焰中心向上偏移，会引起过热器、再热器超温，降低锅炉的经济性与安全性。

对于燃尽特性良好的烟煤，通过燃烧器浓淡分离技术来提高燃烧器着火、燃尽性能，效果较好，但对于燃尽特性差的贫煤、无烟煤，效果通常不理想[4,6]。原设计煤种的着火稳定指数为4.64、燃尽指数为2.73，改造设计煤种着火稳定指数为4.77、燃尽指数为2.86，均属于难着火、难燃尽煤[4]。

煤质的难燃尽性以及大量低温三次风的存在都使得分级配风很困难，难以兼顾降低NOx与保证煤粉燃烧稳定性，需要采用更合理的方式来布置三次风喷口。

3.2 改造方案

针对锅炉原设计情况和入炉煤质特性，在燃烧器上方增加1组分离燃尽风(SOFA)燃烧器(4层喷口)，约占总风量的30%。SOFA燃烧器喷嘴可在垂直方向±30°摆动，同时可以水平方向手动±15°摆动；每个喷嘴均有调节风门挡板对喷嘴的风量进行调节，增强了分级燃烧的分级效果以及分级燃烧的可调节性。

为避免二次风分级后燃烧区氧量过低以及提高后期煤粉混合，降低飞灰含碳量，将E层三次风进行浓淡分离，分为上下浓淡2层，将原E层含有极少量煤粉的约50%空气，经淡相出口引入原DE层，替代原二次风喷口，而另外含有大量煤粉的约50%空气被引入到原CD层；同时，适当降低新的CD，DE层的三次风速。

安装时将CD，DE，F层三次风及D层一次风喷口下倾10°，并将最上层燃尽风(OFA)喷口二次风挡板封闭，仅留少量冷却风量。改造后燃烧器特性参数见表2。

采用此种布置方式后，下层三次风的投入可以增加主燃烧区域氧量，主燃烧区域过量空气系数能保持在0.8左右。通过浓淡分离技术提高了C，D层的煤粉浓度，增强了还原性气氛。C，D层虽然位于燃烧器、炉膛的高温区域，但由于一次风喷口采用了上下浓淡中间带稳燃钝体的燃烧器，降低了一次风流速，因此将E层的冷三次风投入到此区域不会影响燃烧的稳定性，同时还可以降低高温区域热力型NOx的生成。而速度较高的CD，DE，F层的下倾三次风有利煤粉与上升的热烟气充分混合，降低飞灰、炉渣含碳量，提高燃烧效率。改造后燃烧器立面布置及分离器结构如图2所示。

表2 改造后燃烧器特性参数Tab.2 Characteristic parameters of the burner after retrofit

图2 改造后燃烧器布置及分离器结构Fig.2 Configuration of the burner and structure of the separator after retrofit

4 改造前、后运行数据对比及分析

改造前、后运行煤种分析数据见表3，由表3可以看出，改造后的煤质与改造前的煤质相比，挥发分略低，固定碳略高，热值基本相同。

表3 改造前、后运行煤种分析数据Tab.3 Analysis data of coal before and after retrofit

改造前、后省煤器出口烟气试验数据见表4。由表4可以看出，改造后，在煤质挥发分下降的情况下，省煤器出口NOx排放质量浓度从620.75 mg/m3降至487.13 mg/m3，降低了大约22%；同时，不同负荷下锅炉飞灰含碳量平均值从4.03%降至1.69%，炉渣含碳量平均值从10.68%降至8.35%，省煤器出口烟气温度下降了约10 ℃。

改造后，锅炉运行平稳，主蒸汽、再热蒸汽均达到了设计值，达到了低氮改造预期的目标，同时降低了飞灰、炉渣含碳量以及排烟温度，提高了锅炉效率。