MBEL低NOx轴向涡流燃煤燃烧器在大型火电厂的应用.pdf

2 0 0 3 年 第1 期 东北 电力技术 MB E L低 N O x轴向涡流燃煤燃烧器 在大型火电厂的应用 Ap p l i c a t i o n o f MB E L L o w NOx Ax i a l E d d y B u r n e r s i n L a r g e F o s s i l fi r e d P o w e r P l a n t s 赵 贺，覃 一宁 华能大连 电厂 ，辽 宁 大连 1 1 6 1 0 0 摘要随着世界各国对环保要求的不断提高，燃煤燃烧器的低 N O x 排放指标也愈加严格。如何在不影响锅炉效率的基础上 尽量减少 N O x 排放量是燃烧器的研究发展方向。结合华能大连电厂二期 3号 MB E L锅炉的燃烧调整试验 ，对 MB E L低 N O x 轴向涡流燃煤燃烧器的工作机理及其在大型电厂中的实际运行技术进行了较详实的剖析。 关键词燃煤燃烧器；低 N O x ；燃烧调整试验 [ 中图分类号]T M 6 2 1 ．2 ，T K 2 2 3 ．2 3 [ 文献标识码]B [ 文章编号] 1 0 0 4 7 9 1 3 2 0 0 3 0 1 一O O 2 50 3 华能大连电厂二期锅炉由三井 一巴布考克能源 有限公司 MB E L 提供 ， 炉膛设计为对冲燃烧 ， 配有 2 4只低 N O x轴向涡流燃煤燃烧器 ， 采用前后墙各两 排， 每排 6只燃烧器布置 ， 由 4台中速辊式磨给每排 6只燃烧器提供煤粉。同时在燃烧器顶部排列 6对 后风 口， 形成两级燃烧过程， 以完成从富燃料区向富 氧区的过渡 ， 控制燃烧 区域烟温平均水平 ， 尽可能抑 制 N O x 生成。3层 l 8个燃烧器可达到最大持续功 率 B M C R 3 7 8 ． 4 5 M W 。为了点火 ， 每个燃烧器还配 有 B A B C O C K Y型油枪 ， 从而使煤火焰稳定易燃 。 1 低 NO x轴 向涡流燃煤燃烧器基本原理 MB E L的轴向涡流燃烧 器 L N A S B 由三井 一巴 布考克能源有限公司 MB E L 于 2 0世纪 8 0年代初 开发 ， 其 目的是在保证锅炉经济性的同时 ， 满足降低 N O x排放限量的要求。 早期 M B E L 设计的 N O x 轴向涡流燃煤燃烧器是为 了燃用南半球的高灰分腐蚀性煤炭。进一步研究开发 表明， 这种燃煤燃烧器系列中的低 N O x N O和 N O 2 型 能够在不改变排灰中碳含量的条件下使 N O x 排放量降 低 4 0 ％～5 0 ％。随着进一步改进 ， 解决 了燃烧器耐火 砖碹口上的灰渣堆积使 N O x 减排效能衰退问题 ， 从而 相继开发出了 M a r kⅡ 和 M a r k m 型燃烧器， 并在英国德 拉克斯 6 6 0 M W 电厂进行了示范性应用， 与原燃烧器相 比， N O x 排放量始终保持在减少 5 0 ％～ 5 5 ％的水平， 明 显优于欧洲 委员会 E C 在其 大型燃烧 设备规程 L C P D 中规定的 6 5 0 x 1 0 - 6 的 N O x 排放极限。理论计 算表明， 该 N O x减排量几乎接近锅炉内部气流分级所 可能达到的最大值。 对于燃煤经济性好 的锅炉系统 ， 有效降低 N O x 排放量必须通过优化燃烧器设计来实现。所遵循的 基本原理是通过对燃烧器 内部风煤混合比率的最佳 控制来确保燃烧初期的充 足燃料环境 ， 以符合 N O x 的产生机理并保证燃烧效率 a ． 挥发物的最大形成 比率来 自煤粉中全部 易 挥发物的产生 ； b ． 提供初期缺氧环境 ， 使 N O x产生最小化 ， 但要提供充分氧气保证火焰稳定燃烧 ， 并减少中间 氮种类 ， 使分子氮 比率最大 ； C ． 在燃料充足条件下 ， 以最佳 的滞 留时间使 N ， 形成最大 ； d ． 在燃料充足条件下 ， 碳存在时间达 到最大 值 ， 待挥发分作用完后 ， 减少保护在碳 中的 N形成 N O x的潜能 ； e ． 增加足够风量使燃料完全燃烧； f ． 火焰 自身标准化 ， 具有完全氧化包层 ， 最大 程度减少炉墙腐蚀。 2 MB E L低 N O x轴向涡流燃煤燃烧器技术 特性 M B E L的低 N O x轴向涡流燃烧器在设计上利用 降低 N O x生成 的典型方法， 即在接近燃烧器的地方 分级处理燃料与空气的混合比率 ， 制造 出还原气氛， 使挥发分中的氮 N 2 在还原气氛 中以氰化氢 H C N 的形式排出， 使氰化氢优先转化为氮 N ’ ， 而不是 N O x 。氰化氢 再 与存 留的 N O x发 生反 应 ， 产 生 氮 N 2 。由于降低 了火焰温度峰值 ， 燃烧气体 中的氮 N 2 在氧化过程 中因高温而生成 的 N O x量也相应减 维普资讯 东北 电力技术 2 0 0 3 年第1 期 少。 低 N O x 轴流式涡流燃烧器结构特点见图 1 。全 部燃烧物及气体均通过燃烧器的喉管口， 燃烧器控制 煤粉与空气的混合。燃油点火燃烧器位 于供气芯管 内的轴线上 ， 燃料进 口弯头被同心安装在供气芯管周 围。一次风／ 燃料混合物在与弯头成一体的铸钢蜗壳 的作用下产生涡流 ， 并在出 口锥体中靠折 向板导流， 从而在主管入 口处产生分布均 匀的燃料／ 空气混合 物。涡流状燃料／ 空气混合物沿管道 进入燃料分级 器 ， 该分级器可使燃料／ 空气流与燃烧器轴线同轴、 并 使燃料形成不连续流， 这样就加强了燃料和空气在火 焰基层中的分级效果。同轴的二次和三次风 的空气 流在位于通向二次和三次风环状管锥形入 口处的涡 流发生器的作用下产生不同强度的涡流， 产生涡流的 程度可以通过固定叶片式涡流发生器轴向运动进行 调节 。在正常情况之下 ， 三次风的气流不能独立进行 控制 ， 而通过调整二次风管道外周上的套管式空气调 节器与进风缝 隙之间的相对位置可 以调节二次风气 流强度。燃烧器喉口以一个渐扩形的耐火砖碹 口与 火焰相接触。该渐扩形耐火砖碹 口的形状可使燃料 空气流在燃烧器出口处得以充分外展， 使火焰 中部的 燃烧生成物实现再循环 ， 从而提供一个点火源 ， 让各 股气流混入火焰 ， 以遏制 N O x 的生成。 二次风涡流 二次风 发生器 调节嚣 图 1 M B E L低 N O x燃烧器示意图 该燃烧器的性能特点如下。 a ． 三次风和二次风的气流形成独立涡流， 用 于控制供给主火焰 区的空气与燃料混配比。理想的 混配比能够控制挥发份充分燃烧 ， 并最大限度地减 少 N O x的生成量。 b ． 燃料分级器控制进入燃烧火焰 的燃料 密 度 ， 形成点火区煤粉和主燃 区煤粉 ， 有效控制喷口处 火焰温度在较低水平 。 c ． 利用涡流气体对燃烧过程进行的空气动力 控制促进 了燃烧产物的内部再循环 ， 保证了燃料在 主区迅速点燃 、 燃烧稳定。 d ． 火焰稳定器进一步加强了燃料流在主区内 的均匀燃烧 ， 从而保证了含有 N 2 的挥发份在低配比 火焰区内得 以排 出。 e ． 由于减少火焰 中 N O x排放水 平的设计特 点常影响燃烧的效率 ， 并增加了火焰长度， 增加 了排 灰中的碳含量及锅炉结渣结焦的风险。而三次风的 气流控制可最大限度地减小这些负面影响。 后风 口特点 在前 、 后墙燃烧器的上方各对应了 6 个后风 口。每个 后风 口由一 、 二次风管组成。后 风 口中心一次风为直流 ， 用手动套筒挡板调节风量 ； 二次风为旋流 ， 用手动旋流器拉 杆调节旋流强度。 通过改变一 、 二次风比例及旋流强度， 达到改变燃烧 富氧区扰动及混合 目的， 使煤粉最大限度燃尽 ， 抑制 N O x生成。 3 低 N O x轴向涡流燃煤燃烧器的调试 根据 MB E L设计要求 ， 锅炉必须具有运行经济 性高 、 环保排放指标好的特点。为此， 华能大连电厂 请辽宁电力科学研究院为 3 号锅炉进行了燃烧调整 试验。该试验有别于传统的锅炉燃烧调整试验 仅 满足锅炉运行经济性单一指标 ， 其方案对锅炉效率 和 N O x 排 放标准都作 了认 真考虑。整个试验分 4 个阶段进行。 3 ． 1 燃烧器最佳位置调整 通过多组试验数据 比较 ， 燃烧器最佳位置设定 在二次风旋流器位置为 一 2 5 m l n ， 二次风套筒位置为 5 0 ％ 中间位置 ， 三次风全开。 3 ． 2 后风口最佳调整 燃烧器按照阶段 1 的最佳设定 ， 通过试验确认 后风口最佳位置设定为 二次风旋 流器 的旋流强度 最大位置， 一次风挡板全开。 3 ． 3 燃烧器区域过剩空气 系数调整 试验结果 在如下 工况 ， 即燃烧 器 区域 氧量 为 1 ． 0时各项损失和 N O x排放量 比较小 ， 并得 出了相 应的磨煤机出力与通过燃烧器二次风量之间关系的 曲线 图 2 以及燃烧器二次风量与通过后风 V I 的二 次风量之间的比率关系曲线 图 3 。机组协调系统 依照该 曲线对锅炉风煤系统进行控制 ， 达到经济运 行效果 。 3 ． 4工况 验证 工况验证是为了确定省煤器 出V I 氧量与锅炉负 荷对应关 系， 保证锅炉在最 经济 、 合理 的状 态下运 维普资讯 2 0 0 3 年第1 期 东北 电力技 术 行。根据试验结 果和参考工况 ， 得 出了对应调节 曲 线 图 4 。系统通过该曲线投入氧量修 正的 自动调 节 ， 能够减少 N O x减排 的负面影响 ， 从 而保证锅炉 的工作效率。 磨煤机出力／ t ． h 一 图 2 磨煤机 出力与燃烧器二次风量 之间的关系 ￡ 匠 Ⅱ 匠 燃烧嚣总二次风风量／ t h 一 燃烧器二次风风量 与后风 口风量之间的关系 锅炉负荷 图 4 锅炉负荷与省煤器 出口氧量对应关 系 4 低 N O x轴向涡流燃煤燃烧器的实际运行 情况 4 ． 1 优异的点火性能和燃煤适应性 华能大连电厂二期机组投入运行后锅炉燃烧器 一 直保持较好的工作状态。点火容易 ， 火焰燃烧稳 定 。 该燃 烧 器 的设 计 煤 种 的发 热 量 在 2 24 3 1 ～ 2 3 4 3 2 k J ／ k g之 间， 下 、 上 限值 为 1 9 5 8 6 k J ／ k g和 2 4 5 2 4 k J ／ k g 。由于煤源关 系， 华能大连电厂的燃烧 用煤发热量较高， 一度达到2 5 1 0 0 k J ／ k g以上 ， 而丹 东电厂燃煤发热量较低为2 0 9 2 5 k J ／ k g 左右 ， 但在实 际运行 中两厂都没有表现明显负面影响， 说 明该燃 烧器的适应能力较强 。 4 ． 2 良好的变负荷稳燃性能 在调试期 间的磨煤机调整试验时 ， 单台磨煤机 2 5 t ／ h 煤量状况下带 8 0 MW负荷的稳定运用时间超 过 了 2 h ， 现场 目测燃烧器火焰气流脉动均匀 ， 无 明 显燃 烧 扰动 现 象。由于设 计 锅 炉 的最 低 负 荷为 3 0 ％B MC R 1 2 6 Mw ， 该燃烧 器体现了很好 的低负 荷稳燃特性 。 在机组协调投入 ， 一 、 二次风投 自动 ， 磨煤机煤 量在 2 5～ 5 5 t ／ h之间变化时 ， 燃烧器火焰状况 目测 能保持稳定 。特别在 自动协调 状况下启停磨煤 机 时， 1 台磨煤机 的启停对其他磨煤机燃料量 的阶跃 影响非常大 △ F 1 5 t ／ h ， 但在实际 目测时发现 仅在磨煤机启停的较短时间内炉膛火焰末端出现扰 动， 其根部火焰扰动较小， 说明这种扰动主要是由于 风量变化 ， 燃烧器本身对这种扰动无较大的敏感性。 4 ． 3 无腐蚀 、 不结焦 在 2 0 0 0年 3月的华 能大连电厂 3号机组检查 性大修中发现 ， 除燃烧器周 围的保温材料受热损坏 外 ， 燃烧器本体完好 ， 碹 口无明显灰渣堆积， 结焦量 极少， 周围炉墙状况良好 。 由于该燃烧器的燃料分级器涡流降低了喷 口点 火燃料密度 ， 并通过火焰稳定器使大量燃 料在 主燃 区稳定燃烧 ， 火焰外 围的气 流循环使温度场分布合 理 ， 喷 口附近温度不高 ， 因此结焦极少， 即使在高负 荷下也不会烧坏喷 口。火焰外裹 的足量二次风和三 次风起到了包覆火焰形成氧化包层的作用 ， 解决 了 对炉墙高温腐蚀 问题 。 5 结论 通过实际运 行和指标测试 ， M B E L的低 N O x轴 向涡流燃煤燃烧器在华能大连电厂的实际运行 中取 得了较好的效果。通过燃烧 调整试验后 ， 燃烧器得 到全面优化调整 ， C O和飞灰可燃物均较低 ， N O x 排 放 折算 6 ％氧量 浓度小于 3 0 0 1 0 ～， 达到了兼顾 经济和环保指标 的要求。但从数据分析可 以看 出， 降低 N O x排放量的同时在 一定程度上加 大了飞灰 含碳量。目前 电厂正进一步更好地平衡 N O x排放 量和锅炉经济性 能之 间的关系 ， 使机组整体效率得 以最大程度地提高。 参考文献 [ 1 ]岑可法． 锅炉燃烧试验研究方法与测量技术[ M] ． ．北京 水利电 力出版社 ， 1 9 8 7 [ 2 ]毛健熊， 毛健全， 赵树民． 煤的清洁燃烧[ M] ． 北京 科学出版社， 1 9 9 l8 作者简介 赵贺 1 9 6 3 一 ， 男， 工学硕士， 高级工程师， 现从事华能大连电 厂生产运行的管理工作 。 收稿 日期2 O 0 2 0 7 一O 6 7 6 5 4 3 2 虱 ●■Ⅱ善椎 维普资讯