博纳热能低氮燃烧器改造方案概论

博纳热能低氮燃烧器改造
1 概述
某某有限责任公司 2×330MW机组分别与2009年9月、2009年12月投产运行，锅炉采用哈尔滨锅炉厂有限责任公司根据美国ABB-CE燃烧工程公司技术设计制造的HG-1020/18.58-YM23型自然循环锅炉。锅炉燃烧系统采用水平浓淡煤粉燃烧技术，烟气中氮氧化物含量在600mg/Nm³左右。随着国家对火电厂节能减排高度重视，环保标准将越来越高。根据《火电大气污染排放标准》要求，2014年1月1日起现有发电厂锅炉NOx排放浓度限值不大于100mg/Nm3。本着对社会负责，对企业负责的态度，某某有限责任公司决定对本工程配套建设脱硝装置，脱硝装置投产后机组NOx排放浓度将降至排放标准以下。
按照脱硝工程设计要求，需对我公司燃烧器系统进行改造，将锅炉出口NOx排放浓度降低至200 mg/Nm3以下。本文列举了某某有限责任公司针对以上问题做出的相对应改造以及取得的效果。
2 设备简介
2.1工作原理
某某有限责任公司2×330MW机组锅炉是哈尔滨锅炉厂有限责任公司根据美国ABB-CE燃烧工程公司技术设计制造的，配330MW汽轮发电机组的亚临界、一次中间再热、燃煤自然循环汽包锅炉，型号为HG-1020/18.58-YM23。１号机组2009年9月投产，2号机组2009年12月投产。
锅炉燃烧系统采用摆动式燃烧器，燃烧器为四角布置，共5层分别对应5台磨煤机（由下往上依次是A、B、C、D、E）燃烧器四周通有周界风，在AB、BC、DE层布置由三层机械雾化油枪，燃用＃0轻柴油，按锅炉30％BMCR负荷设计，单支最大用油量1.68t/h。本燃烧器采用水平浓淡煤粉燃烧技术，以提高锅炉低负荷运行的能力，燃烧器可以上下摆动，其中一次风喷嘴可上下摆动20度，二次风喷嘴可上下摆动30度，顶部燃尽风喷嘴可向上摆动30度，向下摆动5度。正常运行时摆动燃烧器作为调整再热汽温的主要手段。
3 出现问题及原因分析
原燃烧器主要存在以下问题：
1) 原 SOFA 风量占总二次风量的 25%左右，占总风量的 20%左右，这样造成在主燃烧器区域的过量空气系数就已经达到了 1.0～1.05，这对于抑制 NOx的生成没有起到应有的效果。
2) 原 SOFA 与主燃烧器之间的还原区高度仅不到 4 米（喷嘴中心间隔 5 米），对于 NOx 还原所需的空间不够，没有实现较好的 NOx 还原作用。
3) 采用原水平浓淡分离装置以及浓淡喷嘴钝体设计存在结构问题，首先由于分离器问题，导致浓淡两侧风速偏差较大，淡侧出口风速远低于浓侧，浓侧虽然煤粉较多但风量同样较多，导致煤粉浓缩效果不明显，浓侧煤粉浓度较低；同时由于淡侧煤粉风速过低，易导致淡侧煤粉喷嘴附近结渣，不利于安全经济运行。其次由于在喷嘴出口采用钝体分离及导流煤粉，造成钝体运行环境恶劣，既要承受煤粉冲击磨损，同时又处于高温环境，容易造成钝体在一年左右时间损坏。
4) 在四角切圆燃烧燃烧中，由于主燃烧器区域的燃烧器设计中没有保护水冷壁壁面氧量控制的设计，容易造成炉膛水冷壁的结渣和高温腐蚀的发生。
5) 在采用原 CE 摆动燃烧器技术设计中，喷嘴与壁面间歇过大（12mm），同时采用的直边喷嘴结构，大流通面积的油风室喷嘴，造成燃烧的无组织漏风（不经过喷嘴出口）过大，同时在进行摆动过程中，无组织漏风会急剧增加，这对于控制 NOx 的生成积极不利，特别在锅炉低负荷运行中会导致 NOx 大幅上升。大量的油风室喷嘴旋流风又容易快速地混入一次风煤粉中，这都对于防止 NOx 的生成都不利。
4 设备改造方案
对燃烧器进行低NOx燃烧器综合改造，其方案布置如图1-1所示。更换现有燃烧器组件，对燃烧器进行重新布置，改变切圆直径，拆除原有SOFA燃尽风，更换新的燃尽风组件，以增加高位燃尽风量；一次风喷口全部采用上下浓淡中间带稳燃钝体的燃烧器；采用新的二次风室，适当减小端部风室、油风室及中间空气风室的面积；在凑燃尽风室两侧加装贴壁风；采用节点功能区技术，在两层一次风喷口之间增加贴壁风。
一次风仍旧为逆时针方向，其假想切圆适当减小；调整二次风射流方向，二次风改为与一次风小角度偏置，顺时针反向切入，形成横向空气分级。主燃烧器区整体下移，风量重新合理分配，通过调整主燃烧器区一二次风喷口面积，使一次风速满足入炉煤种的燃烧特性要求，主燃烧器区的二次风量适当减小，形成纵向空气分级。 主燃烧器装有摆动机构，可以上下摆动以调节再热汽温。
拆除原来的一层分离燃尽风SOFA，在原主燃烧器上方约6米处重新布置4层分离SOFA喷口，分配足量的SOFA燃尽风量，SOFA喷口可同时做上下左右摆动。
 4.1燃烧系统改造范围
(1) 主燃烧器（更换现有四角燃烧器本体，包括一次风喷口及弯头、二次风喷口、摆动机构、风箱风道、风门挡板、保温、护板、吊挂装置及附件等）。
(2) 分离SOFA燃尽风（喷口、摆动机构、燃尽风箱、连接风道、保温、护板、吊挂装置及附件等）。
(3) 水冷壁管屏（主燃烧器区域和燃尽风区域水冷壁弯管及修整管）。
(4) 油枪、点火器与火检（保留现有的油枪、点火器与火检系统）。
(5) 电气、仪表及控制（电源盘、控制柜、电缆等）。
(6) 附属系统（支吊架、楼梯平台、检修起吊设施、防腐、浇注料、保温和油漆设计等）。
(7) 其它（整套工程的设计、设备制造(含现场制作)、设备及材料供货、运输、安装工程、指导监督、技术服务、人员培训、调试、试验（含脱硝改造过程中所需各种数据测试并提供相关数据分析报告）及整套系统的性能保证和售后服务等,并保证该全套工程的安全实施和不会对环境造成不良影响）。
 4.2燃烧器改造方案说明
结合锅炉目前状况及改造目标进行充分分析，我们采用低NOx双尺度燃烧技术对锅炉进行低NOx燃烧改造，就是在射流空气分布（空间尺度）及燃烧过程控制实现（过程尺度）上采取措施。具体措施如下：
4.2.1燃烧器低NOx改造措施
(1) 纵向三区分布
如图1-2所示，改造后燃烧器从下至上大致分为三个区，依次为集中氧化燃烧区、集中还原区及燃尽区。
通过在主燃烧器上方合适位置引入适量的燃尽风（总风量20-30%），燃尽风采用多喷口多角度射入，燃烧器改造后沿高度方向从下至上形成三大区域，分别为氧化还原区（总风量的70-80%）、主还原区、燃尽区。氧化区有助于煤粉初期燃烧，炉温升高，促进煤粉着火、燃烧及燃尽。由于有较大燃尽风量的存在，主燃烧器区内也会存在氧化还原交替存区，通过控制高度方向的配风，可形成局部还原区，可以初步还原产生的NOx，使NOx在初始燃烧时就得到抑制，在主还原区内已生成的NOx还可得到更充分还原，燃尽区内将作为燃尽风的二次风及时补充进来，促进焦碳最后燃尽。通过纵向三区布置，形成纵向空气分级，NOx将得到极大抑制，飞灰可燃物也会得到控制。
由于实现纵向空气分级，相对地燃烧器区域有所扩大，燃烧器区域热负荷降低，炉内温度峰值降低，可以减少或消除热力型NOx产生。
(2) 横向双区分布
如图1-3所示，一次风仍旧为逆时针方向，其假想切圆适当减小；调整二次风射流方向，二次风改为与一次风小角度偏置，顺时针反向切入，形成横向空气分级。两层一次风之间还会布置我公司特有的贴壁风喷口，形成横向空气分级。这种横向布置，可使一次风初始燃烧时，二次风不能过早混合进来，形成缺氧燃烧，在火焰内就进行NOx还原，抑制NOx产生；在火焰末端，二次风再及时掺混合进来，使缺氧燃烧时产生的焦炭再燃烧；二次风反向切入，可以延长火焰行程，强化煤粉后期着火燃烧，并防止煤粉颗粒冲刷炉墙造成结焦。横向空气分级与纵向空气分级一起形成空间空气分级。
(3) 低NOx燃烧器
一次风设计喷口为上下浓淡分离形式，中间加装稳燃钝体形式，浓淡燃烧除可降低NOx外，还可对煤粉稳燃、提前着火有积极作用。同时钝体能优先增加卷吸的高温烟气量，进一步强化稳燃。
(4) 节点功能区的建立
将下层一次风设计为上浓下淡燃烧器喷口，上层一次风布置为下浓上淡一次风喷口，两层一次风喷口中间的二次风小角度与一次风射流偏置，同时布置贴壁风喷口。这样的喷口组合，同时具有稳燃、降低NOx的作用，将中间二次风和贴壁风风门开大，可实现NOx和飞灰可燃物同时降低。
4.2.2 防结渣、防腐蚀措施
(1) 横向双区布置
通过一二次风射流调整及布置独特的贴壁风，在炉膛截面上形成了三场特性截然不同的中心区与近壁区分布，中心区具有较高的煤粉浓度、较高的温度和相对较高的氧浓度分布，而近壁区具有较低的温度、较低的颗粒浓度和适宜的氧浓度，可同时实现防止结渣及高温腐蚀。一次风在内部形成更小且与炉内主气流相反的切圆时，更加易于控制煤粉气流冲壁，熔融灰渣更难甩向水冷壁从而达到强防渣的效果。
(2) 加装贴壁风
增加双尺度燃烧技术特有的附壁射流的贴壁风喷口能有效提高近壁区域的氧化性气氛，提高灰熔点，大大缓解炉膛的结渣。同时，作为水平断面分级燃烧中后期掺混的一部分，贴壁风可作为控制炉内NOx的生成的有效手段。
(3) 纵向空气分级
由于实现纵向空气分级，相对地燃烧器区域有所扩大，燃烧器区域热负荷降低，炉内温度峰值降低，可以有效防止燃烧器区域附所壁面结渣。
(4) 适当降低一次风率。
4.2.3稳燃高效措施
(1) 稳燃型浓淡燃烧器
如5.2.2所述，所有一次风喷口改为上下浓淡喷口，浓相由于煤粉浓度较高，析出挥发份较多，更易实现早着火。并且浓淡相之间布置有较宽的波形钝体结构，强化热烟气回流，实现早期着火。
(2) 节点功能区建立
再如图1-5所示，上下两层一次风及其之间的二次风实现功能组合，通过一二次风射流偏置，实现功能区内的浓相与回流热烟气混合，促进及早着火。
(3) 多喷口多角度燃尽风喷口
考虑到燃烧器改造后将彻底解决结焦问题，炉膛出口烟温会出现下降，加装适量燃尽风后，将SOFA喷口设计为可上下左右摆动的喷口，通过燃尽风喷口上下摆动可控制炉膛出口烟温水平。同时燃尽风喷口还可实现水平摆动，可向炉膛内不同区域内按需供风，实现对炉膛有效覆盖，保证飞灰可燃物控制，降低飞灰可燃物含量，保证降低NOx同时取得较高的锅炉经济性。
4.3改造方案特点
上述改造措施是在实现降低NOx功能的同时实现防渣、防腐、高效稳燃，多种措施相互作用，相互耦合，促使多功能一体化得以实现。
(1) 同时采用横向、纵向空气分级，实现低NOx排放
空气分级是降低NOx的炉内重要技术手段，通过高温低氧还原区的建立，实现已生成的NOx还原，可大幅度降低NOx生成。
(2) 采用低NOx燃烧器及低NOx功能小区，同时实现稳燃及降低NOx功能
一次风射流方向配合一次风集中布置及一次风喷口的浓淡形式有利于在炉膛主燃烧器区域组织一个高温低氧的燃烧核心区，煤粉气流准确及时的进入高温低氧的核心区域后，较低的过量空气系数，相对较高的燃烧温度，对煤粉及时有效的燃烧都会形成有利的条件。同时，在较低的过量空气系数下，燃料型NOx的生成会得到有效抑制，较低的燃烧温度可在根本上抑制温度型NOx的产生，从而达到炉内燃烧深度降低NOx的目标。
(3) 横向双区分布等措施防止炉内结渣及高温腐蚀
通过一二次风射流组合在炉内形成中心区和近壁区双区分布，非常有利于防结渣。
贴壁风喷口的加装，可以在炉内水平断面形成浓淡分布的同时，有效形成对水冷壁的保护。
贴壁风作为我公司技术特色的一部分，在历次改造中均证明其对降低NOx和保护水冷壁有积极的作用。作为二次风的一部分，贴壁风射流方向与水冷壁一致，并且位置处于近水冷壁区域，这部分二次风不直接混入主燃烧区域，而是随着煤粉燃烧，有组织的及时补入，同时，这部分二次风在近壁区域形成了较高的氧化性气氛，在有效冷却冲击的高温灰粒防治炉膛结渣的同时，可抑制水冷壁的高温腐蚀。
(4) 四大技术特点保证锅炉改造后锅炉经济性不降低
l 一、二次风射流方向差异性。一、二次风射流差异性可保证煤粉及时有效混入高温低氧区的同时，加大煤粉燃烧中后期的混合，加大煤粉颗粒在炉膛内的停留时间，可有效降低飞灰可燃物含量。
l 一次风的集中浓淡布置和大回流钝体。改造后一次风的集中布置，在一次风射流的近喷口区域形成较高的煤粉浓度，大回流钝体能最大程度的卷吸高温烟气加大高温烟气对煤粉的传热，保证一次风着火时间提前，相对于普通的一次风形式，相当于进一步增加了煤粉的停留时间。
l 一次风附近局部功能区。两层一次风喷口及中间布置的偏折二次风，在此区域形成一个高稳燃、高析出功能性还原物质的功能区。在两层一次风喷口集中浓淡的同时，可摆动二次风可有效控制功能区煤粉着火时间，着火距离及此区域的相对燃烧气氛，对进一步降低NOx和保证碳及时燃烧有极为重要的作用。
l 分离燃尽风（SOFA）的摆动。SOFA的垂直摆动，可对炉内火焰中心标高进行调整，同时能保证一部分少量碳的及时燃尽。SOFA水平摆动对调节炉膛出口的烟温偏差作用明显，在以往改造锅炉中，水平摆动的燃尽风能有效改变炉膛出口的烟温偏差。
5 运行现状
根据山东电力研究院出具的《某某有限责任公司#2机组锅炉大修后性能试验报告》表明#2炉经过双尺度低NOx燃烧技术改造后，锅炉能够安全正常运行，NOx排放平均值在200mg/Nm³以下，锅炉效率92.80%以上。
通过在锅炉主蒸汽流量分别为BMCR、TRL、90%TRL、80%TRL、70%TRL五个工况下进行试验，结果如下：
（1）BMCR工况最上部四层燃尽风全开时，A、B两侧空预器进口NOx（换算到6%O2）平均值为191.37 mg/Nm3； CO（换算到6%O2）平均值为29.93µL/L；修正后锅炉热效率为93.21%，固体未完全燃烧热损失为0.37%；锅炉主蒸汽温度为540.7℃，再热蒸汽温度为540.1℃，过热器减温水量为38.8t/h，再热器减温水量为4.6t/h。 
（2）TRL工况最上部四层燃尽风全开时，A、B两侧空预器进口NOx（换算到6%O2）平均值为203.62 mg/Nm3； CO（换算到6%O2）平均值为54.38µL/L；修正后锅炉热效率为93.24%，固体未完全燃烧热损失为0.41%；锅炉主蒸汽温度为542.3℃，再热蒸汽温度为540.5℃，过热器减温水量为98.4t/h，再热器减温水量为18.7t/h。
（3）TRL工况下A侧空气预热器漏风率为4.75%，B侧空气预热器漏风率为5.42%。
（4）90%TRL工况最上部四层燃尽风全开时，A、B两侧空预器进口NOx（换算到6%O2）平均值为178.19 mg/Nm3； CO（换算到6%O2）平均值为6.0µL/L；修正后锅炉热效率为93.77%，固体未完全燃烧热损失为0.38%；锅炉主蒸汽温度为538.4℃，再热蒸汽温度为538.2℃，过热器减温水量为32t/h，再热器减温水量为4.1t/h。
（5）80%TRL工况最上部四层燃尽风全开时，A、B两侧空预器进口NOx（换算到6%O2）平均值为197.23 mg/Nm3； CO（换算到6%O2）平均值为7.5µL/L；修正后锅炉热效率为93.41%，固体未完全燃烧热损失为0.46%；锅炉主蒸汽温度为540.8℃，再热蒸汽温度为541.7℃，过热器减温水量为80.7t/h，再热器减温水量为4.3t/h。
（6）70%TRL工况最上部四层燃尽风全开时，A、B两侧空预器进口NOx（换算到6%O2）平均值为193.37 mg/Nm3； CO（换算到6%O2）平均值为6.8µL/L；修正后锅炉热效率为93.45%，固体未完全燃烧热损失为0.35%；锅炉主蒸汽温度为539.7℃，再热蒸汽温度为538.4℃，过热器减温水量为53.7t/h，再热器减温水量为4.1t/h。