摘要：为解决300MW“w”型火焰锅炉NOx排放浓度过高的问题，针对300MW“W”型电厂锅炉的特性，进行低氮改造，通过低氮燃烧器更换，合理布置燃尽风、乏气风，达到了降低NOx排放的效果;同时锅炉蒸汽参数也得到了提高。但是改造也带来了炉膛结焦、带负荷困难等问题，仍需进一步优化运行措施，以确保锅炉综合运行效益得到提升。
关键词：“W”型火焰锅炉;低氮燃烧改造;运行调整;结焦
前言
随着环保要求的提高，火电厂污染物排放控制问题，已越来越受到政府的关注和重视。早期投运的锅炉低氮燃烧技术相对落后，NOx排放质量浓度普遍较高，尽管在锅炉尾部增设烟气脱硝装置，但仍不能满足超低排放要求;再者烟气脱硝深度运行，会给锅炉运行带来不利影响。而低氮燃烧改造是一种经济、有效的减排方法。因此，低氮燃烧技术应作为燃煤电厂实现氮氧化物超低排放的首选技术。
锅炉概述：菏泽发电有限公司二期工程#3、#4锅炉系英国巴布科克有限公司制造的与300MW机组配套锅炉，锅炉设计为亚临界压力、中间一次再热、自然循环、固态排渣，配300MW汽轮发电机组，采用正压直吹式制粉系统，单炉膛，“W”型火焰燃烧方式，露天布置。再热汽温通过炉底注入热风调节，并设有一级事故喷水减温。锅炉采用轻型敷管式炉墙、全悬吊钢结构型式。汽包中心高度49.9m，采用“W”火焰燃烧方式，在23m高度炉拱处分为上、下两个部分，下炉膛截面为19320×15630mm，呈八角形;上炉膛为19320×7176mm，呈长方形，炉膛容积6557m3(如下图所示)。
该炉制粉系统配有3台美国Svedala公司制造的双进双出钢球磨煤机，每台磨分为两端，每端各连接一粗粉分离器，由粗粉分离器出口的一次风管道在炉本体28m处又通过分配器分为2根，三台磨煤机共有12根一次风管道至燃烧器前，每一管道连接一台旋风子分离器(进行浓淡分离，分为煤粉流、乏气流两部分，分别进入炉膛燃烧)。燃烧器设计为直流缝隙式，共有24个煤粉燃烧器，前后拱各12个，每个煤粉燃烧器两侧各有一个二次风喷口。二次风前后墙各3个风箱，与二次风相对应，煤粉燃烧器前后墙也各分为3组，每组4个燃烧器(如图2所示)。
1锅炉改造前存在的问题及原因分析
1.1存在的问题
锅炉飞灰可燃物、炉渣含碳量高，锅炉效率低;NOx排放量较高，环保压力大(如表1所示)。
1.2原因分析
1.2.1锅炉燃烧效率偏低的原因为：
(1)锅炉排烟温度高和空预器漏风率偏大，造成排烟热损失较大;
(2)煤种为较难燃尽的贫煤或无烟煤，灰渣含碳量偏高，造成机械热损失增加;
(3)由于每台磨煤粉细度的偏差较大以及一次风风速分布不均匀致使各燃烧器着火点之间偏差较大，造成着火距离较远的区域煤粉燃烧不充分，增加机械热损失。
延伸阅读：
1.2.2锅炉NOx排放量高原因分析
(1)燃烧器喷口布置不合理
拱部每组燃烧器喷口布置不利于降低NOx排放量：燃烧器的一、二次风喷口呈相间密集布置(见图3)，由于二次风速远高于一次风速，一次风离开喷口后即混入二次风中使一次风速增加，在离开一次风喷口的一段距离内，一次风气流即完全混入二次风中。由以上分析可知，一次风离开喷口后即混入二次风中，使一次风速迅速升至最大并达到与二次风速相等。这就使得锅炉运行时一次风煤粉气流长期处于富氧燃烧状态，导致煤粉燃烧初期热力型NOx和燃料型NOx生成量都较高。从原锅炉的设计参数可知，原锅炉拱上二次风风率达到65-80%，这种配风方式一方面使得下炉膛过量空气系数过大，使得所有煤粉一进入炉膛就处于富氧燃烧状态，这虽然有利于煤粉燃尽，但同时也为燃料型NOX的大量生成创造了有利条件。
(2)燃烧器组整体布置不合理
布置增加了局部热流密度，使沿炉膛宽度方向热负荷分布不均匀，造成局部温度区分布较多，下炉膛局部温度远超过1500℃，造成热力型NOx呈指数上升而生成了大量NOx。(如图4)
(3)炉膛配风不合理
炉膛配风从降低NOx排放角度来看，存在两个缺陷：锅炉配风包括拱上的一次风、乏气、二次风和贴壁风和拱下送入的分级风，未配有专用于降低NOx排放的燃尽风;拱上风率高达85%，拱下用于分级燃烧送入的分级风风率仅15%，且分级风喷口呈组布置，每组分级风间距达1.5m，分级风易于衰减，分级燃烧程度很有限。
2.低NOx燃烧改造方案
2.1为避免二次风过早混入一次风粉气流中,改变原一、二次风的布置方式，单组燃烧器一次风喷口集中并排布置,将二次风喷口部分集中布置于一次风的两侧，以实现拱上燃料和空气的分级布置。紧贴一次风的二次风携带一次风下射并提供煤粉前期燃烧所需过量空气，外侧的二次风在下射入一定深度后才与其混合并继续深入，从而在拱上形成一次风与二次风分离、二次风分成两级而逐步携带一次风粉下行的低NOx燃烧器布置方式，使一次风煤粉长时间处于远离化学当量比燃烧状态，抑制了燃料型NOx的生成。
2.2燃烧器重新分组，即沿炉膛宽度方向均匀布置，降低燃烧器局部区域的热流密度，使沿炉膛宽度方向的温度分布均匀，降低热力型NOx的生成。
2.3分级风下倾45°并分两级喷入炉膛，推迟了煤粉气流与分级风的混合，在下炉膛实现了第二级的空气分级燃烧，使煤粉处于低氧燃烧,抑制了NOx的生成。
2.4下炉膛出口1m处布置占总风量10%且下倾45°喷入的燃尽风，实现了第三级分级燃烧。由于一次风粉垂直下射进入下炉膛，受二次风引射作用沿近前、后水冷壁侧下行，而燃尽风在靠近下炉膛出口1m处向炉膛中心倾斜45°喷入，因此燃尽风不会混入一次风粉中参与燃烧。由于一次风粉在深入到冷灰斗中部后折转上行，煤粉颗粒在下炉膛出口区域与燃尽风混合之前长期处于还原性气氛下燃烧。
由以上分析可知：燃烧器喷口重新布置实现燃料和空气的分级燃烧、分级风下倾以及下炉膛出口1m处加燃尽风，使一次风煤粉长时间处于远离化学当量比燃烧状态，抑制了燃料型NOx的生成;沿炉膛宽度方向燃烧器组均匀布置均匀温度分布抑制热力型NOx的生成，从而降低锅炉NOx的排放量。
延伸阅读：
3加强着火和稳然，提高锅炉效率措施
3.1因两侧二次风的引射作用，在一次风喷口集中并排布置的区域形成回流区，可回流部分烟气，有利于煤粉的着火和稳然;
3.2分级风下倾45°减轻了流场偏斜，使炉内燃烧更稳定;
3.3一次风喷口集中并排布置在提高一次风粉动量的同时还延缓了射流衰减，即避免了火焰短路，从而延长了一次风粉的行程而提高燃尽;
3.4动量大、刚性强的二次风密集布置，紧贴一次风布置的内侧二次风先携带一次风下行，在一次风粉和内二次风流衰减至一定程度后再由外侧二次风携带继续深入下炉膛，从而延长了一次风粉的行程而提高燃尽;
3.5分级风分成两级并下倾45°喷入炉膛，一方面能携带煤粉进一步向下深入炉膛而延长了一次风粉的行程，另一方面能及时供给燃烧所需要的空气，使炉内燃烧更均匀，从而提高燃尽;
3.6燃尽风在下炉膛出口1m处下倾45°喷入，可增强烟气气流的后期扰动，可促进煤粉气流的燃尽;燃尽风降低NOx生成，但必须使燃尽风射流能与上行烟气充分混合，从而保证煤粉燃烧所需要的氧量，以降低炉膛出口的飞灰可燃物含量。为保证燃尽风射流沿炉膛深度方向与烟气充分混合，就必须尽可能地使燃尽风射流冲到炉膛中部，这就需要足够大的动量和足够强的刚度而不易衰减。
将燃尽风喷口沿炉宽方向均匀布置以减轻燃尽风射流的衰减，占总风量10%、风速等同于二次风的燃尽风下倾45°(与水平方向夹角)喷入下炉膛出口，燃尽风射流到大炉膛中心的混合点距大屏底部的距离为10m，燃尽风在煤粉颗粒的反应时间为1.406s，保证了足够长的停留时间。
4.方案实施
4.1燃烧器改造目前“W”型火焰锅炉NOx生成较多的主要原因就是富氧燃烧，火焰高度集中，为进一步降低Nox排放，减少对环境的污染，将原单旋风筒煤粉燃烧器
改造为变化喷口布置方式，乏气喷口下移(如下图5所示)
4.2设置分级风箱，提高分级风率。
原设计一次风粉在进入燃烧器前先经过一个旋风筒式分离器进行煤粉浓缩分离，浓相气流进入炉膛外侧的煤粉喷嘴，淡相气流进入炉膛内侧的乏气喷嘴。每组燃烧器内一、二次风喷口间隔布置，在炉内一、二次风以直流方式垂直下射进入炉膛，形成“W”形大回流长火焰燃烧方式。磨煤机与燃烧器对应布置示意图(见下图6)，煤粉燃烧器与二次风的设计参数(见下表2)，采用该种燃烧方式，在设计煤种下的最低不投油稳燃负荷为50%BMCR。
为了深化空气分级，优化空气流场，新设分级风箱、新的分级风喷口，出口加装可调导流板、布风板，分级风率有所提高，喷口面积增大，并与水平方向呈一定角度喷入炉膛。
4.3增设燃尽风为进行全炉膛空气分级降低燃料NOx和热力NOx的生成，在燃烧器层由二次风箱引出部分二次风在上炉膛一定位置喷入，加装OFA风道、膨胀节、OFA风箱、风量调挡板、燃尽风喷嘴、流量测量、执行机构及附件等，水冷壁管重新弯管等设施。
4.4加设围燃带为增加炉膛温度水平，强化燃烧，在炉膛拱部增加拱部卫燃带，并增大垂直墙部分卫燃带面积。
4.5更换静态粗粉分离器制粉系统磨煤机出口煤粉静态分离器改造更换为自除杂物型动静态分离器，分离器转子采用变频调速控制，电机减速机直连式结构变频马达。磨煤机分离器采用动静态旋转分离器，动叶片转速可调，静叶片角度可在分离器外部调整，以适应煤种变化，保证煤粉细度合格。
延伸阅读：
5.低NOx燃烧改造后的运行情况
5.1低氮改造后的燃烧器着火情况良好，炉内燃烧较稳定，主汽温和再热汽温均能满足运行要求，随负荷波动汽温有小幅波动，目前随着炉膛温度水平的提升及燃烧稳定性的提高，升降负荷汽温波动;
5.2飞灰含碳量偏高，300MW负荷下约为13%左右，入炉煤粉过粗，3台磨煤粉细度R90从11%至20%不等，平均约为16%;
5.3分离器回粉管锁气器动作不灵，导致回粉管堵塞。
5.4启动初期SCR反应器入口NOx排放值约600mg/Nm3，之后将拱上二次风门开大后，着火初期氧量增大，导致SCR入口NOx上升约200mg/Nm3，因此，NOx浓度有调节空间，在兼顾炉效的同时尽量降低SCR入口的NOx浓度。
5.运行注意事项及需解决的问题
5.1磨煤机停止时及时关闭对应的浓、淡粉阀，以防在主气和乏气喷口之间形成热循环回路，导致乏气管道烧红。
5.2低氮改造后炉膛增加了部分卫燃带，为此机组长或主值每班次至少应对12米、25米层各看火孔看火一次;并注意检查炉底出渣量、渣样是否正常，以判断炉膛是否有结焦现象，注意加强调整。
5.3为防止炉膛结焦，氧量一般应维持在3.5%以上。
5.4燃尽风喷口为摆动式喷口，可实现上、下各30度，左、右各20度的摆动，其中上、下摆动为电动，可在一定程度上调节火焰中心高度，以改变主、再汽温。燃尽风量由锅炉前、后墙四个燃尽风道上的风门进行调节。分级风导流板下倾角度为手动可调，在调试阶段确定角度。F风导流板的角度可改变拱上主气流的下冲深度，下倾角度越大可使拱上气流下冲越深。开启燃尽风挡板时应缓慢，避免快开快关，特别是在加负荷过程中，由于氧量过低，可能造成汽温波动。
5.5锅炉运行期间，通过对燃烧器观火孔区域的结焦情况进行观察，发现在部分拱上主燃烧器二次风喷口处、拱下垂直墙乏气风喷口处、拱下垂直墙分级风喷口上沿、翼墙上部以及燃尽风喷口处;炉膛内部个别侧二次风喷口、下二次风喷口、燃尽风喷口附近出现结焦现象。
6运行优化
6.1优化提高主气风速
通过分析并借鉴国内外锅炉改造经验，改造后拱上部位结渣的主要原因是主气流着火过于提前，燃烧器喷口区域热负荷偏高，熔融状态的灰颗粒被高温烟气裹携至燃烧器区域水冷壁，并附着其上累积形成大的渣块。因此，提高主气流喷口风速是缓解炉内结渣的重要手段。在旋风子上部乏气竖直段增设一12mm厚截流挡板，但保留15%的通流面积，同时结合可调锁孔对乏气风速进行调整，防止满负荷下主气风速过高而形成黑龙区过长或冲炉底灰斗的现象。
6.2调整优化卫燃带辐射面积
在原有320m2卫燃带的基础上，分别自拱部卫燃带下方边界向炉膛中心侧方向去除17m2卫燃带;去除乏气喷口之上1m及左右的卫燃带，计41m2，自垂直墙下方边界向上去除0.5m高度卫燃带，计13m2，去除垂直墙区域合计54m2;去除翼墙52m2卫燃带，共去除卫燃带123m2，保留卫燃带面积197m2。
6.3消除局部涡流
取消燃烧器前二次风门;在主气、后二次风之间加设防焦风;在V管区域加设布风板孔。(如图7、图8所示)
7结束语
通过此次改造并按照有关标准与规程进行优化设计和调试，达到了锅炉燃烧系统技术升级、安全可靠、运行经济，满足了环境保护的要求，为燃煤电厂的超低排放奠定了良好基础，同时也为国内同类燃煤锅炉的低氮改造和运行调试优化提供了经验。
延伸阅读：
原标题：“W”型火焰锅炉低NOx改造后燃烧优化
