張 騫，徐有寧，關(guān)風(fēng)一

(沈陽工程學(xué)院a.研究生部;b.能源與動力學(xué)院，遼寧 沈陽110136)

1 中心給粉旋流燃燒技術(shù)

中心給粉旋流燃燒器結(jié)合了徑向空氣分級技術(shù)和濃淡燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并與OFA系統(tǒng)相結(jié)合。利用中心給粉燃燒技術(shù)對某600 MW機(jī)組的鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造后通過改變二次風(fēng)和燃盡風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化試驗，得到最優(yōu)的NOx排放量和鍋爐效率。

2 鍋爐改造前的基本情況

機(jī)組裝機(jī)容量為600 MW，鍋爐為HG-1956/25.4-YM1型超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，雙進(jìn)雙出鋼球磨冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，32只低NOx軸向旋流煤粉燃燒器(LNASB)，分4層布置于前后墻，對沖燃燒，上層14只燃盡風(fēng)噴口對沖布置于前后墻。尾部布置雙煙道，利用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，采用噴水減溫方式控制過熱汽溫，空氣預(yù)熱器為容克式三分倉回轉(zhuǎn)式，鍋爐一次再熱。鍋爐的設(shè)計煤種、校核煤種均為現(xiàn)場目前燃用的義馬、山西和陜西煤種的混煤。改前鍋爐的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3.2 空氣分級燃燒技術(shù)

為了強(qiáng)化主燃區(qū)的還原性氣氛，在改造過程中，將布置在前、后墻燃燒器正上方的14只燃盡風(fēng)裝置進(jìn)行更新，擴(kuò)大燃盡風(fēng)噴口面積，將燃盡風(fēng)率增加到總風(fēng)量的23.82%。每個燃盡風(fēng)裝置的配風(fēng)均由直流二次風(fēng)和旋流二次風(fēng)組成。燃盡風(fēng)中心為直流二次風(fēng)，這部分氣流剛性大、擴(kuò)散衰減速度慢，可以直接穿透上升煙氣直達(dá)爐膛中心部位，不會造成爐膛中央缺氧;外層為旋流二次風(fēng)，其擴(kuò)散角大、衰減速度快、剛性弱，能夠與爐膛前、后水冷壁附近的上升煙氣迅速、均勻地混合，不會造成靠近壁面附近的部位缺氧。通過改變直流二次風(fēng)和旋流二次風(fēng)的比例及旋流強(qiáng)度，可達(dá)到使煤粉最大限度地燃盡并抑制NOx生成的效果。

表1 改前鍋爐BMCR工況主要參數(shù)

在主燃區(qū)除最下層4只燃燒器外，其余燃燒器改為中心給粉燃燒器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。中心給粉旋流燃燒器采用雙調(diào)風(fēng)形式，內(nèi)層為軸向彎曲葉片，葉片不可調(diào);外層為直葉片，葉片可調(diào);內(nèi)、外二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向相同。內(nèi)二次風(fēng)引燃煤粉，外二次風(fēng)補(bǔ)充空氣，實現(xiàn)軸向的空氣分級。煤粉噴入的位置正對中心回流區(qū)的中心部分，增加了穿過回流區(qū)的煤粉量，延長了煤粉在回流區(qū)的停留時間，增加了煤粉在還原性氣氛的停留時間，有效地減少NOx的生成。

圖1 中心給粉燃燒器結(jié)構(gòu)

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 冷態(tài)實驗及參數(shù)的確定

在現(xiàn)場冷態(tài)空氣動力場試驗中，利用熱線風(fēng)速儀和等溫模化技術(shù)測量并得到燃燒器及微油燃燒器的一次風(fēng)速和內(nèi)、外二次風(fēng)速。利用燃燒器飄帶流場示蹤實驗和粉末示蹤試驗對燃燒器出口流場進(jìn)行測量并觀察燃燒器的回流區(qū)特性。在外二次風(fēng)葉片角度分別為40°、35°和45°時，中心回流區(qū)的直徑和長度分別為1 200～1 600 mm。

通過粉末示蹤試驗，燃燒器?；淮物L(fēng)速為16 m/s時較為合理，可以攜帶粉末到達(dá)爐膛中心，燃燒器不存在刷墻現(xiàn)象，不會造成水冷壁結(jié)渣。

4.2 鍋爐熱態(tài)試驗結(jié)果及分析

熱態(tài)試驗除了探究不同工況下NOx的生產(chǎn)量以外，還將飛灰含碳量、爐渣含碳量及不同工況下?lián)圃鼨C(jī)運(yùn)出的爐內(nèi)掉焦情況進(jìn)行比對。

4.2.1 二次風(fēng)擋板開度的選取

1)二次風(fēng)量由二次風(fēng)擋板控制，在二次風(fēng)量達(dá)到設(shè)計值(即1 286 t/h)并保證射流強(qiáng)度的情況下，滿負(fù)荷時，二次風(fēng)擋板需全開。

2)內(nèi)二次風(fēng)設(shè)有擋板，調(diào)節(jié)內(nèi)風(fēng)風(fēng)率配比。在改造過程中，保證二次風(fēng)擋板全開，內(nèi)、外二次風(fēng)葉片角度和燃盡風(fēng)噴口參數(shù)不變，考察內(nèi)二次風(fēng)擋板開度分別為60%、80%、100%時NOx的生成量，其結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)率增加時，內(nèi)二次風(fēng)與一次風(fēng)混合加快，一次風(fēng)粉加快向二次風(fēng)中的擴(kuò)散，并且二次風(fēng)風(fēng)率的增加使射流的旋流強(qiáng)度和回流區(qū)的徑向尺寸增加，使更多煤粉有機(jī)會進(jìn)入回流區(qū)，利于穩(wěn)燃和抑制NOx的產(chǎn)生。但是由于內(nèi)二次風(fēng)對一次風(fēng)的拉動作用使煤粉向外擴(kuò)散的能力增強(qiáng)，使回流區(qū)內(nèi)的煤粉濃度減少，在還原性氣氛中燃燒的煤粉顆粒減少，使NOx的生成量相對增加，而且內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)量的增加也使氧量增加，減弱了還原性氣氛，進(jìn)而增加NOx的生成量。由此可見，內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)率對NOx的影響不可能是上面兩種現(xiàn)象相互作用的結(jié)果。內(nèi)二次風(fēng)擋板開度的增加，使回流區(qū)起點(diǎn)位置前移，加劇燃燒器噴口的結(jié)渣問題，因此，內(nèi)二次風(fēng)擋板的最佳開度選擇為60%。

圖2 內(nèi)二次風(fēng)擋板開度對NOx生成率的影響

4.2.2 二次風(fēng)角度的選取

外二次風(fēng)葉片角度對燃燒器噴口射流的旋流強(qiáng)度、射流擴(kuò)展角和回流區(qū)徑向大小等都有重要的影響。外二次風(fēng)葉片角度增大，回流區(qū)徑向范圍減小，射流擴(kuò)展角也減小，不利于穩(wěn)燃;外二次風(fēng)葉片角度減小，利于穩(wěn)燃，但會增強(qiáng)二次風(fēng)對一次風(fēng)在徑向的拉動作用，使煤粉顆粒向外擴(kuò)散，造成水冷壁結(jié)渣以及高溫腐蝕等問題。類似的內(nèi)二次風(fēng)葉片角度對燃燒器回流區(qū)的起點(diǎn)位置、燃燒器回流區(qū)的長度、一次風(fēng)與二次風(fēng)的前期混合也有一定影響。

內(nèi)二次風(fēng)葉片角度增大，回流區(qū)的起點(diǎn)隨之前移并且回流區(qū)的徑向范圍增大，利于穩(wěn)燃。但會使葉片間的通道變小，阻力變大，并且回流區(qū)起點(diǎn)位置的前移會導(dǎo)致著火點(diǎn)前移，容易引起燃燒器噴口結(jié)渣;內(nèi)二次風(fēng)葉片角度減小，則回流區(qū)起點(diǎn)隨之后移并且回流區(qū)的徑向范圍減小，不利于穩(wěn)燃。

在電廠實際改造中，內(nèi)二次風(fēng)葉片角度不可調(diào)，外二次風(fēng)葉片角度可調(diào)。因此，外二次風(fēng)葉片的參數(shù)作為控制回流區(qū)特性、射流強(qiáng)度、射流擴(kuò)展角的唯一參數(shù)。結(jié)合冷態(tài)實驗結(jié)果，考察熱態(tài)情況下外二次風(fēng)葉片角度為40°和45°時燃燒器著火點(diǎn)的位置及NOx的生成量。每層選取一支前墻燃燒器(編號為1～4)和一支后墻燃燒器(編號為5～8)測量著火點(diǎn)，結(jié)果如表2所示。

外二次風(fēng)角度越大，回流區(qū)起點(diǎn)越后移，導(dǎo)致著火點(diǎn)位置越后移。隨著外二次風(fēng)角度增大，回流區(qū)徑向尺寸變小，導(dǎo)致NOx的生成量增加。外二次風(fēng)角度為40°時，燃燒器噴口結(jié)焦情況較嚴(yán)重，因此將著火點(diǎn)后移，選擇外二次風(fēng)角度為45°時，爐內(nèi)的結(jié)渣現(xiàn)象得到很好的緩解。

表2 變外二次風(fēng)葉片角度試驗結(jié)果

4.3 燃盡風(fēng)風(fēng)量試驗

燃盡風(fēng)風(fēng)量由燃盡風(fēng)擋板控制，燃盡風(fēng)主要使未燃碳粒子燃燒更完全，提高燃燒效率。燃盡風(fēng)風(fēng)量的增加可以強(qiáng)化主燃區(qū)的還原性氣氛，并且使火焰中心上移。在下層燃燒器參數(shù)及氧量不變的情況下，控制燃盡風(fēng)擋板開度分別為20%、40%、60%進(jìn)行了試驗，并測出了相應(yīng)的爐膛出口NOx的含量、飛灰和大渣的含碳量，試驗結(jié)果圖3所示。

圖3 燃盡風(fēng)擋板開度與固體可燃物含碳量及NOx生成量的關(guān)系

試驗結(jié)果表明，燃盡風(fēng)擋板開度在20%到40%之間，隨著燃盡風(fēng)擋板開度的增加，NOx的生成量逐漸減小;但當(dāng)開度達(dá)到40%以后，對NOx的生成量影響并不大，因為主燃區(qū)生成的大量還原性組分(HCN、NH3、HCNO等)和未燃碳粒子已經(jīng)較充分的對NOx進(jìn)行了還原分解。燃盡風(fēng)擋板開度大于40%以后，隨著燃盡風(fēng)量的增加，會加強(qiáng)燃盡區(qū)的富氧性而使NOx的生成量逐漸增加。燃盡風(fēng)擋板的開度對于煤粉的完全燃燒有影響，由圖3可以看出，當(dāng)燃盡風(fēng)擋板開度由20%增大到40%時，爐渣含碳量明顯減少，未完全燃燒就進(jìn)入尾部煙道的煤粉顆粒逐漸減少，開度在40%時未完全燃燒的煤粉顆粒已經(jīng)較少，當(dāng)燃盡風(fēng)擋板開度增大到60%時飛灰含碳量無明顯增加。同時，由于火焰中心上移，內(nèi)二次風(fēng)擋板開度和外二次風(fēng)角度的優(yōu)化選取使著火點(diǎn)后移，使燃燒器噴口結(jié)焦情況基本消失。

4.4 變氧量試驗

保持其他因數(shù)不變，改變二次風(fēng)量來調(diào)整爐膛出口過量空氣系數(shù)。由于需要保證風(fēng)箱風(fēng)壓，爐膛出口氧量最低只能達(dá)到3.5%。設(shè)定爐膛出口氧量分別為3.72%、4.27%、4.6%、5.26%，觀察氧量變化對 NOx的排放量和鍋爐效率的影響，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 爐膛出口氧量與NOx生成量、鍋爐效率的關(guān)系

爐膛出口氧量為3.72%時，NOx的排放量最低為451 mg/m3，鍋爐效率為92.87%;爐膛出口氧量增加到4.27%時，NOx的排放量變?yōu)?08 mg/m3，效率為93.03%;氧 量 為 4.5% 時，NOx的 排 放 量 為485 mg/m3，效率為 93.5%;當(dāng)氧量增加到 5.26% 時，NOx的排放量增加到最高值為514 mg/m3，鍋爐效率升高到93.12%。總體而言，NOx的排放量隨氧量的增加而增加，效率隨氧量的增加而升高。氧量的增加使過量空氣系數(shù)增加，燃料燃燒更充分，飛灰含碳量降低，鍋爐效率隨之增加而NOx的生成量也增加。

由于電廠燃煤為取自多地的混煤，燃煤的揮發(fā)分含量在28%～41%之間波動。當(dāng)燃燒揮發(fā)分較高的煤時，氧量的降低并不會引起飛灰可燃物的增加;同時由于氧量的降低使排煙溫度降低，排煙熱損失降低，進(jìn)而燃燒效率會相對增加。燃煤揮發(fā)分較高使得燃燒初期大量的揮發(fā)分會在低氧的情況下燃燒，強(qiáng)化了還原性氣氛，降低NOx的生成量。

氧量較低時，效率較小且易發(fā)生結(jié)焦，因此爐膛出口氧量選取4.5% ～5.5%較為合適。

5 結(jié)論

1)改前爐膛出口 NOx的排放量為650～750 mg/m3，改造之后實測的爐膛出口NOx的排放量可降到400～500 mg/m3，降低了30% ～40%。

2)鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時，二次風(fēng)擋板開度為100%，可保證射流強(qiáng)度和二次風(fēng)量的要求，將內(nèi)二次風(fēng)擋板開度減小到60%，NOx的排放量略有增加，對燃燒器噴口的結(jié)渣有所緩解。

3)燃燒器外二次風(fēng)葉片角度選取為45°時，NOx的生成量為477 mg/m3，略高于外二次風(fēng)葉片角度為40°時NOx的生成量459 mg/m3，但外二次風(fēng)葉片角度越高，越能有效緩解燃燒器噴口的結(jié)渣問題。

4)燃盡風(fēng)有效地實現(xiàn)了軸向的空氣分級，燃盡風(fēng)擋板開度在達(dá)到40%以后，主燃區(qū)的還原性和燃盡區(qū)的富氧性就達(dá)到平衡。當(dāng)燃盡風(fēng)擋板開度達(dá)到40%時，NOx的排放量為485 mg/m3，此時爐內(nèi)的可燃物燃燒較為完全，且燃盡區(qū)的強(qiáng)富氧性并未引起NOx的生成量增加。

5)考慮效率及鍋爐內(nèi)的結(jié)焦問題，氧量需控制在4.5% ～5.5%之間，此時NOx的生成量為500 mg/m3左右，與最低的NOx的生成量451 mg/m3相比，差距在可接受范圍內(nèi)，可根據(jù)NOx的排放量及飛灰含碳量進(jìn)行調(diào)整。NOx的排放量較高時，可適當(dāng)降低氧量;反之，則適當(dāng)增大氧量。飛灰含碳量高時，可適當(dāng)增大氧量;反之，則適當(dāng)降低氧量。將氧量控制在4.5%左右，燃燒效率與改前基本持平。

［1］張曉輝，孫 銳，孫紹增，等.200 MW鍋爐空氣分級低NOx燃燒改造實驗研究［J］.熱能動力工程，2008，23(6):676-681.

［2］費(fèi) 俊，吳必科，李云峰，等.立體分級低氮燃燒技術(shù)在恒運(yùn)電廠2×210MW鍋爐上的應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10(34):8421-8426.

［3］王小華，陳寶康，陳 敏.低NOx燃燒器改造后飛灰可燃物高原因分析及優(yōu)化調(diào)整［J］.熱能動力工程，2012，27(3):342-349.

［4］陳智超，李爭起，孫 銳，等.大容量鍋爐新型旋流煤粉燃燒技術(shù)的研究［J］.動力工程，2005，25(5):618-622.

［5］李爭起，陳志超，孫 銳，等.適用于燃用貧煤1025t/h鍋爐的中心給粉旋流燃燒器［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2006，42(3):221-226.

［6］劉 勇.中心給粉旋流燃燒器熱態(tài)試驗臺試驗研究［D］.哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學(xué).2012.

［7］朱群益，秦裕琨，吳少華，等.水平濃淡風(fēng)煤粉燃燒器低負(fù)荷穩(wěn)燃性能的試驗研究［J］.動力工程，2003(3):2400-2403.

［8］秦裕琨，孫 銳，李爭起，等.徑向濃淡旋流煤粉燃燒器流動特性研究及應(yīng)用［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2000(9):73-77.

［9］陳智超.中心給粉旋流燃燒器氣固流動及應(yīng)用的研究［D］.哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學(xué).2007.

［10］岳峻峰，高 遠(yuǎn)，黃 磊，等.600MW超臨界旋流燃燒器鍋爐優(yōu)化運(yùn)行研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2010，26(3):15-17.