摘要：為解決300MW“w”型火焰鍋爐NOx排放濃度過高的問題，針對300MW“W”型電廠鍋爐的特性，進行低氮改造，通過低氮燃燒器更換，合理布置燃盡風、乏氣風，達到了降低NOx排放的效果;同時鍋爐蒸汽參數也得到了提高。但是改造也帶來了爐膛結焦、帶負荷困難等問題，仍需進一步優化運行措施，以確保鍋爐綜合運行效益得到提升。

　　關鍵詞：“W”型火焰鍋爐;低氮燃燒改造;運行調整;結焦

　　前言

　　隨著環保要求的提高，火電廠污染物排放控制問題，已越來越受到政府的關注和重視。早期投運的鍋爐低氮燃燒技術相對落后，NOx排放質量濃度普遍較高，盡管在鍋爐尾部增設煙氣脫硝裝置，但仍不能滿足超低排放要求;再者煙氣脫硝深度運行，會給鍋爐運行帶來不利影響。而低氮燃燒改造是一種經濟、有效的減排方法。因此，低氮燃燒技術應作為燃煤電廠實現氮氧化物超低排放的首選技術。

　　鍋爐概述：菏澤發電有限公司二期工程#3、#4鍋爐系英國巴布科克有限公司制造的與300MW機組配套鍋爐，鍋爐設計為亞臨界壓力、中間一次再熱、自然循環、固態排渣，配300MW汽輪發電機組，采用正壓直吹式制粉系統，單爐膛，“W”型火焰燃燒方式，露天布置。再熱汽溫通過爐底注入熱風調節，并設有一級事故噴水減溫。鍋爐采用輕型敷管式爐墻、全懸吊鋼結構型式。汽包中心高度49.9m，采用“W”火焰燃燒方式，在23m高度爐拱處分為上、下兩個部分，下爐膛截面為19320×15630mm，呈八角形;上爐膛為19320×7176mm，呈長方形，爐膛容積6557m3(如下圖所示)。

　　該爐制粉系統配有3臺美國Svedala公司制造的雙進雙出鋼球磨煤機，每臺磨分為兩端，每端各連接一粗粉分離器，由粗粉分離器出口的一次風管道在爐本體28m處又通過分配器分為2根，三臺磨煤機共有12根一次風管道至燃燒器前，每一管道連接一臺旋風子分離器(進行濃淡分離，分為煤粉流、乏氣流兩部分，分別進入爐膛燃燒)。燃燒器設計為直流縫隙式，共有24個煤粉燃燒器，前后拱各12個，每個煤粉燃燒器兩側各有一個二次風噴口。二次風前后墻各3個風箱，與二次風相對應，煤粉燃燒器前后墻也各分為3組，每組4個燃燒器(如圖2所示)。

　　1鍋爐改造前存在的問題及原因分析

　　1.1存在的問題

　　鍋爐飛灰可燃物、爐渣含碳量高，鍋爐效率低;NOx排放量較高，環保壓力大(如表1所示)。

　　1.2原因分析

　　1.2.1鍋爐燃燒效率偏低的原因為：

　　(1)鍋爐排煙溫度高和空預器漏風率偏大，造成排煙熱損失較大;

　　(2)煤種為較難燃盡的貧煤或無煙煤，灰渣含碳量偏高，造成機械熱損失增加;

　　(3)由于每臺磨煤粉細度的偏差較大以及一次風風速分布不均勻致使各燃燒器著火點之間偏差較大，造成著火距離較遠的區域煤粉燃燒不充分，增加機械熱損失。

　　1.2.2鍋爐NOx排放量高原因分析

　　(1)燃燒器噴口布置不合理

　　拱部每組燃燒器噴口布置不利于降低NOx排放量：燃燒器的一、二次風噴口呈相間密集布置(見圖3)，由于二次風速遠高于一次風速，一次風離開噴口后即混入二次風中使一次風速增加，在離開一次風噴口的一段距離內，一次風氣流即完全混入二次風中。由以上分析可知，一次風離開噴口后即混入二次風中，使一次風速迅速升至最大并達到與二次風速相等。這就使得鍋爐運行時一次風煤粉氣流長期處于富氧燃燒狀態，導致煤粉燃燒初期熱力型NOx和燃料型NOx生成量都較高。從原鍋爐的設計參數可知，原鍋爐拱上二次風風率達到65-80%，這種配風方式一方面使得下爐膛過量空氣系數過大，使得所有煤粉一進入爐膛就處于富氧燃燒狀態，這雖然有利于煤粉燃盡，但同時也為燃料型NOX的大量生成創造了有利條件。

　　(2)燃燒器組整體布置不合理

　　布置增加了局部熱流密度，使沿爐膛寬度方向熱負荷分布不均勻，造成局部溫度區分布較多，下爐膛局部溫度遠超過1500℃，造成熱力型NOx呈指數上升而生成了大量NOx。(如圖4)

　　(3)爐膛配風不合理

　　爐膛配風從降低NOx排放角度來看，存在兩個缺陷：鍋爐配風包括拱上的一次風、乏氣、二次風和貼壁風和拱下送入的分級風，未配有專用于降低NOx排放的燃盡風;拱上風率高達85%，拱下用于分級燃燒送入的分級風風率僅15%，且分級風噴口呈組布置，每組分級風間距達1.5m，分級風易于衰減，分級燃燒程度很有限。

　　2.低NOx燃燒改造方案

　　2.1為避免二次風過早混入一次風粉氣流中,改變原一、二次風的布置方式，單組燃燒器一次風噴口集中并排布置,將二次風噴口部分集中布置于一次風的兩側，以實現拱上燃料和空氣的分級布置。緊貼一次風的二次風攜帶一次風下射并提供煤粉前期燃燒所需過量空氣，外側的二次風在下射入一定深度后才與其混合并繼續深入，從而在拱上形成一次風與二次風分離、二次風分成兩級而逐步攜帶一次風粉下行的低NOx燃燒器布置方式，使一次風煤粉長時間處于遠離化學當量比燃燒狀態，抑制了燃料型NOx的生成。

　　2.2燃燒器重新分組，即沿爐膛寬度方向均勻布置，降低燃燒器局部區域的熱流密度，使沿爐膛寬度方向的溫度分布均勻，降低熱力型NOx的生成。

　　2.3分級風下傾45°并分兩級噴入爐膛，推遲了煤粉氣流與分級風的混合，在下爐膛實現了第二級的空氣分級燃燒，使煤粉處于低氧燃燒,抑制了NOx的生成。

　　2.4下爐膛出口1m處布置占總風量10%且下傾45°噴入的燃盡風，實現了第三級分級燃燒。由于一次風粉垂直下射進入下爐膛，受二次風引射作用沿近前、后水冷壁側下行，而燃盡風在靠近下爐膛出口1m處向爐膛中心傾斜45°噴入，因此燃盡風不會混入一次風粉中參與燃燒。由于一次風粉在深入到冷灰斗中部后折轉上行，煤粉顆粒在下爐膛出口區域與燃盡風混合之前長期處于還原性氣氛下燃燒。

　　由以上分析可知：燃燒器噴口重新布置實現燃料和空氣的分級燃燒、分級風下傾以及下爐膛出口1m處加燃盡風，使一次風煤粉長時間處于遠離化學當量比燃燒狀態，抑制了燃料型NOx的生成;沿爐膛寬度方向燃燒器組均勻布置均勻溫度分布抑制熱力型NOx的生成，從而降低鍋爐NOx的排放量。

　　3加強著火和穩然，提高鍋爐效率措施

　　3.1因兩側二次風的引射作用，在一次風噴口集中并排布置的區域形成回流區，可回流部分煙氣，有利于煤粉的著火和穩然;

　　3.2分級風下傾45°減輕了流場偏斜，使爐內燃燒更穩定;

　　3.3一次風噴口集中并排布置在提高一次風粉動量的同時還延緩了射流衰減，即避免了火焰短路，從而延長了一次風粉的行程而提高燃盡;

　　3.4動量大、剛性強的二次風密集布置，緊貼一次風布置的內側二次風先攜帶一次風下行，在一次風粉和內二次風流衰減至一定程度后再由外側二次風攜帶繼續深入下爐膛，從而延長了一次風粉的行程而提高燃盡;

　　3.5分級風分成兩級并下傾45°噴入爐膛，一方面能攜帶煤粉進一步向下深入爐膛而延長了一次風粉的行程，另一方面能及時供給燃燒所需要的空氣，使爐內燃燒更均勻，從而提高燃盡;

　　3.6燃盡風在下爐膛出口1m處下傾45°噴入，可增強煙氣氣流的后期擾動，可促進煤粉氣流的燃盡;燃盡風降低NOx生成，但必須使燃盡風射流能與上行煙氣充分混合，從而保證煤粉燃燒所需要的氧量，以降低爐膛出口的飛灰可燃物含量。為保證燃盡風射流沿爐膛深度方向與煙氣充分混合，就必須盡可能地使燃盡風射流沖到爐膛中部，這就需要足夠大的動量和足夠強的剛度而不易衰減。

　　將燃盡風噴口沿爐寬方向均勻布置以減輕燃盡風射流的衰減，占總風量10%、風速等同于二次風的燃盡風下傾45°(與水平方向夾角)噴入下爐膛出口，燃盡風射流到大爐膛中心的混合點距大屏底部的距離為10m，燃盡風在煤粉顆粒的反應時間為1.406s，保證了足夠長的停留時間。

　　4.方案實施

　　4.1燃燒器改造目前“W”型火焰鍋爐NOx生成較多的主要原因就是富氧燃燒，火焰高度集中，為進一步降低Nox排放，減少對環境的污染，將原單旋風筒煤粉燃燒器

　　改造為變化噴口布置方式，乏氣噴口下移(如下圖5所示)

　　4.2設置分級風箱，提高分級風率。

　　原設計一次風粉在進入燃燒器前先經過一個旋風筒式分離器進行煤粉濃縮分離，濃相氣流進入爐膛外側的煤粉噴嘴，淡相氣流進入爐膛內側的乏氣噴嘴。每組燃燒器內一、二次風噴口間隔布置，在爐內一、二次風以直流方式垂直下射進入爐膛，形成“W”形大回流長火焰燃燒方式。磨煤機與燃燒器對應布置示意圖(見下圖6)，煤粉燃燒器與二次風的設計參數(見下表2)，采用該種燃燒方式，在設計煤種下的最低不投油穩燃負荷為50%BMCR。

　　為了深化空氣分級，優化空氣流場，新設分級風箱、新的分級風噴口，出口加裝可調導流板、布風板，分級風率有所提高，噴口面積增大，并與水平方向呈一定角度噴入爐膛。

　　4.3增設燃盡風為進行全爐膛空氣分級降低燃料NOx和熱力NOx的生成，在燃燒器層由二次風箱引出部分二次風在上爐膛一定位置噴入，加裝OFA風道、膨脹節、OFA風箱、風量調擋板、燃盡風噴嘴、流量測量、執行機構及附件等，水冷壁管重新彎管等設施。

　　4.4加設圍燃帶為增加爐膛溫度水平，強化燃燒，在爐膛拱部增加拱部衛燃帶，并增大垂直墻部分衛燃帶面積。

　　4.5更換靜態粗粉分離器制粉系統磨煤機出口煤粉靜態分離器改造更換為自除雜物型動靜態分離器，分離器轉子采用變頻調速控制，電機減速機直連式結構變頻馬達。磨煤機分離器采用動靜態旋轉分離器，動葉片轉速可調，靜葉片角度可在分離器外部調整，以適應煤種變化，保證煤粉細度合格。

　　5.低NOx燃燒改造后的運行情況

　　5.1低氮改造后的燃燒器著火情況良好，爐內燃燒較穩定，主汽溫和再熱汽溫均能滿足運行要求，隨負荷波動汽溫有小幅波動，目前隨著爐膛溫度水平的提升及燃燒穩定性的提高，升降負荷汽溫波動;

　　5.2飛灰含碳量偏高，300MW負荷下約為13%左右，入爐煤粉過粗，3臺磨煤粉細度R90從11%至20%不等，平均約為16%;

　　5.3分離器回粉管鎖氣器動作不靈，導致回粉管堵塞。

　　5.4啟動初期SCR反應器入口NOx排放值約600mg/Nm3，之后將拱上二次風門開大后，著火初期氧量增大，導致SCR入口NOx上升約200mg/Nm3，因此，NOx濃度有調節空間，在兼顧爐效的同時盡量降低SCR入口的NOx濃度。

　　5.運行注意事項及需解決的問題

　　5.1磨煤機停止時及時關閉對應的濃、淡粉閥，以防在主氣和乏氣噴口之間形成熱循環回路，導致乏氣管道燒紅。

　　5.2低氮改造后爐膛增加了部分衛燃帶，為此機組長或主值每班次至少應對12米、25米層各看火孔看火一次;并注意檢查爐底出渣量、渣樣是否正常，以判斷爐膛是否有結焦現象，注意加強調整。

　　5.3為防止爐膛結焦，氧量一般應維持在3.5%以上。

　　5.4燃盡風噴口為擺動式噴口，可實現上、下各30度，左、右各20度的擺動，其中上、下擺動為電動，可在一定程度上調節火焰中心高度，以改變主、再汽溫。燃盡風量由鍋爐前、后墻四個燃盡風道上的風門進行調節。分級風導流板下傾角度為手動可調，在調試階段確定角度。F風導流板的角度可改變拱上主氣流的下沖深度，下傾角度越大可使拱上氣流下沖越深。開啟燃盡風擋板時應緩慢，避免快開快關，特別是在加負荷過程中，由于氧量過低，可能造成汽溫波動。

　　5.5鍋爐運行期間，通過對燃燒器觀火孔區域的結焦情況進行觀察，發現在部分拱上主燃燒器二次風噴口處、拱下垂直墻乏氣風噴口處、拱下垂直墻分級風噴口上沿、翼墻上部以及燃盡風噴口處;爐膛內部個別側二次風噴口、下二次風噴口、燃盡風噴口附近出現結焦現象。

　　6運行優化

　　6.1優化提高主氣風速

　　通過分析并借鑒國內外鍋爐改造經驗，改造后拱上部位結渣的主要原因是主氣流著火過于提前，燃燒器噴口區域熱負荷偏高，熔融狀態的灰顆粒被高溫煙氣裹攜至燃燒器區域水冷壁，并附著其上累積形成大的渣塊。因此，提高主氣流噴口風速是緩解爐內結渣的重要手段。在旋風子上部乏氣豎直段增設一12mm厚截流擋板，但保留15%的通流面積，同時結合可調鎖孔對乏氣風速進行調整，防止滿負荷下主氣風速過高而形成黑龍區過長或沖爐底灰斗的現象。

　　6.2調整優化衛燃帶輻射面積

　　在原有320m2衛燃帶的基礎上，分別自拱部衛燃帶下方邊界向爐膛中心側方向去除17m2衛燃帶;去除乏氣噴口之上1m及左右的衛燃帶，計41m2，自垂直墻下方邊界向上去除0.5m高度衛燃帶，計13m2，去除垂直墻區域合計54m2;去除翼墻52m2衛燃帶，共去除衛燃帶123m2，保留衛燃帶面積197m2。

　　6.3消除局部渦流

　　取消燃燒器前二次風門;在主氣、后二次風之間加設防焦風;在V管區域加設布風板孔。(如圖7、圖8所示)

　　7結束語

　　通過此次改造并按照有關標準與規程進行優化設計和調試，達到了鍋爐燃燒系統技術升級、安全可靠、運行經濟，滿足了環境保護的要求，為燃煤電廠的超低排放奠定了良好基礎，同時也為國內同類燃煤鍋爐的低氮改造和運行調試優化提供了經驗。