双调风旋流燃烧器W 火焰锅炉低氮改造与优化调整
赵 雄1，姚国强2，宋福昌2，李安强2，夏 峰2，张 跃2
（1. 贵州电力试验研究院，贵州贵阳 550002；2. 贵州黔西中水发电有限公司，
贵州黔西 551514）
摘要：某厂3号炉是北京巴威锅炉厂生产的“W ”型火焰锅炉，在进行了低氮燃烧改造后，经过燃烧优化调整，在保证锅炉效率的前提下，成功降低了烟气中NOx 排放浓度，达到了改造的预期效果，取得良好的社会效益和经济效益。本文对其低氮改造方案和燃烧调整情况进行了介绍。 关键词：“W ”型火焰锅炉；低氮燃烧改造；燃烧调整
Low Nitrogen Transformation and Optimization and Adjustment of W-Shape Flame Boiler with Double
Adjustable Swirling Flow Burners
ZHAO Xiong 1, YAO Guoqiang 2, SONG Fuchang 2, LI Anqiang 2,
XIA Feng 2, ZHANG Yue 2
(1 Guizhou Electric Power Testing & Research Institute, Guiyang, Guizhou, 550002，China ；
2 Guizhou Qianxi Water Power Co.Ltd,Qianxi, Guizhou,551514,China) Abstract:The W-Shape flame boiler of Beijing boiler factory which was modified by low nitrogen combustion,through combustion optimization, in the premise of ensuring the boiler efficiency,reduced the emissions of NOx ,achieved good social and economic benefit. This paper introduces the revamping scheme and low nitrogen combustion adjustment.
Keywords: W-shape flame boiler, low nitrogen combustion modification, combustion optimization
某电厂3号炉是“W ”型火焰锅炉，自投运以来额定负荷运行时NOx 排放浓度在1100～1200 mg/Nm3范围。根据国家最新颁布的《火力发电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）要求，采用“W”型火焰炉膛的火力发电锅炉， NO x 排放浓度不超过200mg/Nm3（折算到O 2=6%条件下）。为了满足排放要求，锅炉必须进行尾部烟气脱硝。为保证脱硝效果和减少脱硝成本，该厂采取了先对燃烧系统进行低氮燃烧器改造，再上脱硝装置的改造方式，要求在低氮燃烧器改造后额定负荷工况时，相近煤质条件条件下， NO x 排放浓度指标不大于800 mg/Nm3，同时锅炉效率下降小于0.5个百分点[3]。
作者简介：赵雄，高级工程师，主要从事锅炉燃烧、性能测试和锅炉调试等；电话：[1**********]。
1 NO x 形成机理及低氮燃烧技术简介
燃煤电站锅炉在燃烧过程中生成的NO x 主要是NO(90%～95%)，一般分为三种类型：燃料型、热力型、和瞬发型[1]。燃料型NO x 所占比例一般较高，其生成和破坏过程不仅和煤种特性、燃料中的氮化合物受热分解后在挥发份和焦炭中的比例、成分和分布有关，而且其反应过程还和燃烧条件（如温度和氧）及各种成分的浓度等密切相关；热力型NO x 为助燃空气中的N 2在燃烧后期高温下被氧化而成，温度对热力型NO x 的生成具有决定作用；对于燃煤机组，瞬发型NO 所占比例一般小于5%。由此可知，对NO x 的形成起决定作用的是燃烧区域的温度和过剩空气量，而低NO x 燃烧技术就是通过控制燃烧区域的温度和空气量，以达到阻止NO x 生成及降低其排放的目的。
空气分级燃烧技术是目前应用较广泛的低氮燃烧技术，即在煤粉进入炉膛时形成一个缺氧燃烧的富燃料区，提高燃烧过程中的NO x 自还原能力，以降低燃料型NO x 的生成。缺氧燃烧产生的烟气再与二次风混合，使燃料完全燃烧。此外，主要的低NO x 燃烧技术还有：燃烧优化、燃料分级、烟气再循环和低NO x 燃烧器技术等。
2 锅炉设备简介
该厂3号炉系北京巴布科克·威尔科克斯有限公司引进美国B&W公司技术生产的B&WB-1025/17.4-M型W 火焰锅炉，设计燃用无烟煤。16只EI-XCL 双调风旋流燃烧器对称布置在前后炉拱上，煤粉气流经弯头实现浓淡分离，其中浓相由燃烧器主喷口、淡相由拱下乏气喷口喷入下炉膛，乏气下方布置16只分级风喷口。燃烧器内外二次风旋流强度和风量比例可调，而一次风和乏气均为直流。（参见图1）。
3 低氮燃烧改造方案
3.1 增设燃尽风OFA 喷口
为实现分级燃烧、降低NO x ，在锅炉拱上增设一层双风区OFA 喷口（图2），与16个燃烧器一一对应。双风区OFA 喷口有两个风区，中心风区为直流，能确保燃尽风有足够的穿透力；外环风区为旋流（旋流叶片可调），能确保燃尽风风沿炉膛宽度方向和近壁处均匀分布。
3.2 一次风喷口
在一次风喷口处加装一钝体, 同时在一次风喷口处增设稳燃环、在外二次风喷口内增设节流环（图3）。
图1 W形火焰锅炉下炉膛结构 图2 燃尽风喷口
图3 双调风燃烧器及其改造
3.3 乏气风口
将乏气风喷口位置与燃烧器竖直平面错开布置。
3.4 分级风口
分级风由单只喷口改为两只喷口、喷口位置适当下移、喷口下倾角由35°改为25°，同时分级风喷口用碳化硅敷设（喷口直径略有减小）。
3.5 卫繎带
增加124m 2卫燃带（总面积620㎡）。
4 改造后的冷态空气动力场试验
低氮燃烧器改造后冷态空气动力场试验工况及燃尽风喷口设置如下表1所示。试验过程中主燃烧器内外旋流叶片角度分别为40°和50°、调风套筒开度60%、调风盘位置80mm 、分级风开度50%。
表1 冷态空气动力场试验燃尽风喷口设置情况
1 2 3
0 100 100
—— 40 80
—— 40 80
—— 30 40
从烟花示踪照片看，燃尽风的穿透情况较好（图4），但燃尽风全开后，一次风火焰下冲有较明显减弱（图5）。
图4 燃尽风射流烟花示踪照片（工况2、3）
图5 燃尽风开启前后（工况1、2）主喷口一次风烟花示踪照片
根据锅炉冷态空气动力场试验结果，确定热态运行时按工况3进行燃烧器和燃尽风相关挡板设置（即燃烧器二次风门50%，调风盘80mm ，内旋40°，外旋50°，燃尽风调风套筒80mm ，调风盘80mm ，旋流风角度40°。
5 热态燃烧调整试验
5.1 改后锅炉燃烧稳定性
低氮燃烧器改造后，由于在一次风喷口处增加了钝体和稳燃环，推迟了二次风和一次风的混合，使得煤粉着火提前，有利于着火稳燃。从现场运行状况观察，改造后锅炉在炉膛负压、火焰稳定性、特别是低负荷时的锅炉稳燃性等方面均优于改造前。
5.2 燃尽风总门开度对锅炉效率、NO x 的影响
由图6可见，燃尽风总门开度40%以下时，随着开度的增大NO x 明显下降但锅炉效率的下降并不明显；但在燃尽风总门开度40%以时随着开度的增大NO x 的下降不明显甚至在开度大于60%后NO x 反而有所上升，并且此时锅炉效率有了较明显的下降。因此燃尽风总门开度控制在40%左右是比较合适的。
图6 不同负荷下（左190MW ，右300MW ）燃尽风总门开度对锅炉效率、NO x 的影响
图中，锅炉效率的单位为“%”，NO x 单位为“mg/m3”,但为了图示方便，图中NO x 数据为实测数据乘以0.1后的结果。
190MW 试验时氧量控制在4.4%-5.5%，燃烧器：套筒60%、调风盘80mm 、内旋40°、外旋55°、分级风80%；燃尽风：套筒80mm 、调风盘80mm 、旋流叶片角度40°。300MW 试验时氧量控制在3%-3.6%，燃烧器：套筒70%、调风盘80mm 、内旋38°、外旋50°、分级风80%；燃尽风：套筒120mm 、
调风盘80mm 、旋流叶片角度60°。
5.3 燃尽风总门开度对传热的影响
由图7和图8可见，随着燃尽风总门开度的增加，减温水量（t/h）和排烟温度(℃) 逐渐增加，说明燃尽风的增加延迟了煤粉的燃烧，对锅炉传热有一定负面影响。
图7 燃尽风开度对排烟温度的影响 图8 燃尽风开度对减温水量的影响
5.4 氧量的影响
图9 氧量水平对NO x 和飞灰、大渣含碳量的影响
如图9所示，随着氧量的升高（负荷295MW ，燃尽风总门30%，燃烧器套筒70%、调风盘100mm 、内旋40°、外旋52°、分级风60%），NO x （mg/m3，为了图示方便，图中NO x 数据为实测数据乘以0.01后的结果）明显增大；氧量由3%增大到4%时，飞灰、大渣含碳量（%）下降明显，但氧量大于4%后飞灰、大渣含碳量基本没有变化。
5.5 燃尽风调风套筒开度、调风盘开度、旋流叶片角度等对NOx 的影响
3
此外，热态调整试验期间还对燃尽风调风套筒开度、调风盘开度、旋流叶片角度等对NO （x mg/m）的影响进行了试验（以燃烧器：套筒70%、调风盘80mm 、内旋38°、外旋50°、分级风80%；燃尽风：套筒120mm 、调风盘80mm 、旋流叶片40°、总门40%为基准工况进行调整），结果见图10。
图10
由图可见，总的来说影响幅度较小。其中燃尽风套筒改变的是燃尽风量，作用和趋势都和燃尽风总门是一样的，开度越大NO x 越低，只是幅度相对较小；燃尽风旋流叶片角度越大（旋流越弱）NO x 越低，即尽量加强燃尽风的穿透能力是有利的；燃尽风调风盘则在中间位置（80mm ）时NO x 最低。
6 结论
（1）某厂3号炉通过增设燃尽风和对原有燃烧器的局部改造，完成了W 火焰锅炉的低氮燃烧改造工作。锅炉改造后燃烧稳定性强，投运至今未出现过熄火、垮大焦现象，并且经过燃烧优化调整，在锅炉效率基本不变（改后锅炉效率89.48%，较改前锅炉效率89.69%降低0.21%）的前提下， NO x 排放浓度由改前的1100～1200mg/Nm3降低到改后的800mg/Nm3以下，取得了良好的社会效益和经济效益，说明改造是成功的，完全达到了预期效果。
（2）从调整试验情况看，燃尽风量和锅炉氧量水平对NO x 排放浓度和锅炉效率均有显著影响。在满足排放要求前提下，燃尽风总门开度不宜超过40%、氧量控制在4%以上为宜。
（3）根据初步试验结果，燃尽风套筒在不明显锅炉效率的条件下可尽量开大，燃尽风旋流叶片也可尽量开大，但燃尽风调风盘开度以中间位置（80mm ）为宜。
参考文献
[1] 周新雅, 大型燃煤电站锅炉低氮燃烧技术分析及应用策略[J] .华东电力,2003(10):6-10.
[2] 王恩禄, 张海燕, 罗永浩, 彭玲, 等. 低NOx 燃烧技术及其在我国燃煤电站锅炉中的应用[J].动力工程,2004(1):24-28. [3] 黔西电厂#3炉低氮燃烧器改造技术协议 北京巴布科克·威尔科克斯有限公司. [4] 贾宏禄. 国外几种锅炉低氮燃烧改造方案及业绩考察[J].江苏电机工程,2006(5):81-84. [5] 低氮燃烧及改造[R].中国南方电网广东电力科学研究院,2009.9.
[6] 贾宏禄.350MW 机组锅炉低氮燃烧器改造分析[J].中国电力, 2006,39 (11).
[7] 禹庆明, 张波, 朱宪然, 王巨川, 等. 低氮燃烧器改造及运行调整方法探讨[J].华北电力技术,2012(7):35-38.
（责任编辑 幽建菊）
双调风旋流燃烧器W 火焰锅炉低氮改造与优化调整
赵 雄1，姚国强2，宋福昌2，李安强2，夏 峰2，张 跃2
（1. 贵州电力试验研究院，贵州贵阳 550002；2. 贵州黔西中水发电有限公司，
贵州黔西 551514）
摘要：某厂3号炉是北京巴威锅炉厂生产的“W ”型火焰锅炉，在进行了低氮燃烧改造后，经过燃烧优化调整，在保证锅炉效率的前提下，成功降低了烟气中NOx 排放浓度，达到了改造的预期效果，取得良好的社会效益和经济效益。本文对其低氮改造方案和燃烧调整情况进行了介绍。 关键词：“W ”型火焰锅炉；低氮燃烧改造；燃烧调整
Low Nitrogen Transformation and Optimization and Adjustment of W-Shape Flame Boiler with Double
Adjustable Swirling Flow Burners
ZHAO Xiong 1, YAO Guoqiang 2, SONG Fuchang 2, LI Anqiang 2,
XIA Feng 2, ZHANG Yue 2
(1 Guizhou Electric Power Testing & Research Institute, Guiyang, Guizhou, 550002，China ；
2 Guizhou Qianxi Water Power Co.Ltd,Qianxi, Guizhou,551514,China) Abstract:The W-Shape flame boiler of Beijing boiler factory which was modified by low nitrogen combustion,through combustion optimization, in the premise of ensuring the boiler efficiency,reduced the emissions of NOx ,achieved good social and economic benefit. This paper introduces the revamping scheme and low nitrogen combustion adjustment.
Keywords: W-shape flame boiler, low nitrogen combustion modification, combustion optimization
某电厂3号炉是“W ”型火焰锅炉，自投运以来额定负荷运行时NOx 排放浓度在1100～1200 mg/Nm3范围。根据国家最新颁布的《火力发电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）要求，采用“W”型火焰炉膛的火力发电锅炉， NO x 排放浓度不超过200mg/Nm3（折算到O 2=6%条件下）。为了满足排放要求，锅炉必须进行尾部烟气脱硝。为保证脱硝效果和减少脱硝成本，该厂采取了先对燃烧系统进行低氮燃烧器改造，再上脱硝装置的改造方式，要求在低氮燃烧器改造后额定负荷工况时，相近煤质条件条件下， NO x 排放浓度指标不大于800 mg/Nm3，同时锅炉效率下降小于0.5个百分点[3]。
作者简介：赵雄，高级工程师，主要从事锅炉燃烧、性能测试和锅炉调试等；电话：[1**********]。
1 NO x 形成机理及低氮燃烧技术简介
燃煤电站锅炉在燃烧过程中生成的NO x 主要是NO(90%～95%)，一般分为三种类型：燃料型、热力型、和瞬发型[1]。燃料型NO x 所占比例一般较高，其生成和破坏过程不仅和煤种特性、燃料中的氮化合物受热分解后在挥发份和焦炭中的比例、成分和分布有关，而且其反应过程还和燃烧条件（如温度和氧）及各种成分的浓度等密切相关；热力型NO x 为助燃空气中的N 2在燃烧后期高温下被氧化而成，温度对热力型NO x 的生成具有决定作用；对于燃煤机组，瞬发型NO 所占比例一般小于5%。由此可知，对NO x 的形成起决定作用的是燃烧区域的温度和过剩空气量，而低NO x 燃烧技术就是通过控制燃烧区域的温度和空气量，以达到阻止NO x 生成及降低其排放的目的。
空气分级燃烧技术是目前应用较广泛的低氮燃烧技术，即在煤粉进入炉膛时形成一个缺氧燃烧的富燃料区，提高燃烧过程中的NO x 自还原能力，以降低燃料型NO x 的生成。缺氧燃烧产生的烟气再与二次风混合，使燃料完全燃烧。此外，主要的低NO x 燃烧技术还有：燃烧优化、燃料分级、烟气再循环和低NO x 燃烧器技术等。
2 锅炉设备简介
该厂3号炉系北京巴布科克·威尔科克斯有限公司引进美国B&W公司技术生产的B&WB-1025/17.4-M型W 火焰锅炉，设计燃用无烟煤。16只EI-XCL 双调风旋流燃烧器对称布置在前后炉拱上，煤粉气流经弯头实现浓淡分离，其中浓相由燃烧器主喷口、淡相由拱下乏气喷口喷入下炉膛，乏气下方布置16只分级风喷口。燃烧器内外二次风旋流强度和风量比例可调，而一次风和乏气均为直流。（参见图1）。
3 低氮燃烧改造方案
3.1 增设燃尽风OFA 喷口
为实现分级燃烧、降低NO x ，在锅炉拱上增设一层双风区OFA 喷口（图2），与16个燃烧器一一对应。双风区OFA 喷口有两个风区，中心风区为直流，能确保燃尽风有足够的穿透力；外环风区为旋流（旋流叶片可调），能确保燃尽风风沿炉膛宽度方向和近壁处均匀分布。
3.2 一次风喷口
在一次风喷口处加装一钝体, 同时在一次风喷口处增设稳燃环、在外二次风喷口内增设节流环（图3）。
图1 W形火焰锅炉下炉膛结构 图2 燃尽风喷口
图3 双调风燃烧器及其改造
3.3 乏气风口
将乏气风喷口位置与燃烧器竖直平面错开布置。
3.4 分级风口
分级风由单只喷口改为两只喷口、喷口位置适当下移、喷口下倾角由35°改为25°，同时分级风喷口用碳化硅敷设（喷口直径略有减小）。
3.5 卫繎带
增加124m 2卫燃带（总面积620㎡）。
4 改造后的冷态空气动力场试验
低氮燃烧器改造后冷态空气动力场试验工况及燃尽风喷口设置如下表1所示。试验过程中主燃烧器内外旋流叶片角度分别为40°和50°、调风套筒开度60%、调风盘位置80mm 、分级风开度50%。
表1 冷态空气动力场试验燃尽风喷口设置情况
1 2 3
0 100 100
—— 40 80
—— 40 80
—— 30 40
从烟花示踪照片看，燃尽风的穿透情况较好（图4），但燃尽风全开后，一次风火焰下冲有较明显减弱（图5）。
图4 燃尽风射流烟花示踪照片（工况2、3）
图5 燃尽风开启前后（工况1、2）主喷口一次风烟花示踪照片
根据锅炉冷态空气动力场试验结果，确定热态运行时按工况3进行燃烧器和燃尽风相关挡板设置（即燃烧器二次风门50%，调风盘80mm ，内旋40°，外旋50°，燃尽风调风套筒80mm ，调风盘80mm ，旋流风角度40°。
5 热态燃烧调整试验
5.1 改后锅炉燃烧稳定性
低氮燃烧器改造后，由于在一次风喷口处增加了钝体和稳燃环，推迟了二次风和一次风的混合，使得煤粉着火提前，有利于着火稳燃。从现场运行状况观察，改造后锅炉在炉膛负压、火焰稳定性、特别是低负荷时的锅炉稳燃性等方面均优于改造前。
5.2 燃尽风总门开度对锅炉效率、NO x 的影响
由图6可见，燃尽风总门开度40%以下时，随着开度的增大NO x 明显下降但锅炉效率的下降并不明显；但在燃尽风总门开度40%以时随着开度的增大NO x 的下降不明显甚至在开度大于60%后NO x 反而有所上升，并且此时锅炉效率有了较明显的下降。因此燃尽风总门开度控制在40%左右是比较合适的。
图6 不同负荷下（左190MW ，右300MW ）燃尽风总门开度对锅炉效率、NO x 的影响
图中，锅炉效率的单位为“%”，NO x 单位为“mg/m3”,但为了图示方便，图中NO x 数据为实测数据乘以0.1后的结果。
190MW 试验时氧量控制在4.4%-5.5%，燃烧器：套筒60%、调风盘80mm 、内旋40°、外旋55°、分级风80%；燃尽风：套筒80mm 、调风盘80mm 、旋流叶片角度40°。300MW 试验时氧量控制在3%-3.6%，燃烧器：套筒70%、调风盘80mm 、内旋38°、外旋50°、分级风80%；燃尽风：套筒120mm 、
调风盘80mm 、旋流叶片角度60°。
5.3 燃尽风总门开度对传热的影响
由图7和图8可见，随着燃尽风总门开度的增加，减温水量（t/h）和排烟温度(℃) 逐渐增加，说明燃尽风的增加延迟了煤粉的燃烧，对锅炉传热有一定负面影响。
图7 燃尽风开度对排烟温度的影响 图8 燃尽风开度对减温水量的影响
5.4 氧量的影响
图9 氧量水平对NO x 和飞灰、大渣含碳量的影响
如图9所示，随着氧量的升高（负荷295MW ，燃尽风总门30%，燃烧器套筒70%、调风盘100mm 、内旋40°、外旋52°、分级风60%），NO x （mg/m3，为了图示方便，图中NO x 数据为实测数据乘以0.01后的结果）明显增大；氧量由3%增大到4%时，飞灰、大渣含碳量（%）下降明显，但氧量大于4%后飞灰、大渣含碳量基本没有变化。
5.5 燃尽风调风套筒开度、调风盘开度、旋流叶片角度等对NOx 的影响
3
此外，热态调整试验期间还对燃尽风调风套筒开度、调风盘开度、旋流叶片角度等对NO （x mg/m）的影响进行了试验（以燃烧器：套筒70%、调风盘80mm 、内旋38°、外旋50°、分级风80%；燃尽风：套筒120mm 、调风盘80mm 、旋流叶片40°、总门40%为基准工况进行调整），结果见图10。
图10
由图可见，总的来说影响幅度较小。其中燃尽风套筒改变的是燃尽风量，作用和趋势都和燃尽风总门是一样的，开度越大NO x 越低，只是幅度相对较小；燃尽风旋流叶片角度越大（旋流越弱）NO x 越低，即尽量加强燃尽风的穿透能力是有利的；燃尽风调风盘则在中间位置（80mm ）时NO x 最低。
6 结论
（1）某厂3号炉通过增设燃尽风和对原有燃烧器的局部改造，完成了W 火焰锅炉的低氮燃烧改造工作。锅炉改造后燃烧稳定性强，投运至今未出现过熄火、垮大焦现象，并且经过燃烧优化调整，在锅炉效率基本不变（改后锅炉效率89.48%，较改前锅炉效率89.69%降低0.21%）的前提下， NO x 排放浓度由改前的1100～1200mg/Nm3降低到改后的800mg/Nm3以下，取得了良好的社会效益和经济效益，说明改造是成功的，完全达到了预期效果。
（2）从调整试验情况看，燃尽风量和锅炉氧量水平对NO x 排放浓度和锅炉效率均有显著影响。在满足排放要求前提下，燃尽风总门开度不宜超过40%、氧量控制在4%以上为宜。
（3）根据初步试验结果，燃尽风套筒在不明显锅炉效率的条件下可尽量开大，燃尽风旋流叶片也可尽量开大，但燃尽风调风盘开度以中间位置（80mm ）为宜。
参考文献
[1] 周新雅, 大型燃煤电站锅炉低氮燃烧技术分析及应用策略[J] .华东电力,2003(10):6-10.
[2] 王恩禄, 张海燕, 罗永浩, 彭玲, 等. 低NOx 燃烧技术及其在我国燃煤电站锅炉中的应用[J].动力工程,2004(1):24-28. [3] 黔西电厂#3炉低氮燃烧器改造技术协议 北京巴布科克·威尔科克斯有限公司. [4] 贾宏禄. 国外几种锅炉低氮燃烧改造方案及业绩考察[J].江苏电机工程,2006(5):81-84. [5] 低氮燃烧及改造[R].中国南方电网广东电力科学研究院,2009.9.
[6] 贾宏禄.350MW 机组锅炉低氮燃烧器改造分析[J].中国电力, 2006,39 (11).
[7] 禹庆明, 张波, 朱宪然, 王巨川, 等. 低氮燃烧器改造及运行调整方法探讨[J].华北电力技术,2012(7):35-38.
（责任编辑 幽建菊）