空氣分級燃燒技術在六角切圓燃燒鍋爐中的應用
摘要：通過對某電廠一臺六角切圓燃燒鍋爐采用空氣分級燃燒技術改造后的空氣動力場分布情況以及該爐改造前后熱態運行情況的介紹，說明燃用褐煤的六角切圓燃燒鍋爐采用空氣分級燃燒技術可以有效抑制爐內結渣，減少NOx的生成，實現低負荷穩定燃燒。
關鍵詞：空氣分級；六角切圓燃燒；低NOx；穩定燃燒
中國煤炭資源豐富，能源的生產和消費歷來以煤為主，在中國電力工業中燃煤發電約占總發電量的75%。
某電廠6號爐為200MW六角切圓燃燒鍋爐，燃用褐煤。該鍋爐自投用以來，經運行調整已取得了較好的經濟效益，但結渣問題一直困擾著廠方。近年來，隨著國家對環境保護的日漸關注，減少煤在燃燒過程中NOx生成量也已成燃煤鍋爐燃燒器設計改造過程中必須考慮的問題。因此，為了解決困擾多年的結渣問題，降低燃燒過程中NOx的生成量，對該鍋爐在現有燃燒器的基礎上進行了空氣分級燃燒技術改造。本文著重介紹了該爐空氣分級改造后的冷態模化實驗及運行結果，為燃用褐煤的六角切圓燃燒鍋爐減少結渣，降低NOx排放量提供一定的參考。
1 空氣分級燃燒技術
空氣分級燃燒技術是目前中國使用較為廣泛的低NOx燃燒技術。分級燃燒技術是通過改變送風方式，控制爐內空氣的分布，使煤在著火階段缺氧，降低NOx的生成量，未燃燼的碳粒在爐膛上部的燃燼區與燃盡風混合并燃燒完全。
爐內空氣分級燃燒的實現形式主要有2種，即軸向空氣分級燃燒和徑向空氣分級燃燒。軸向空氣分級燃燒將燃燒所需的空氣分兩部分送入爐膛：一部分為主二次風，約占總二次風量的70%-85%；另一部分為燃盡風（OFA Over Fire Air），約占總二次風量的15%-30%。因此，爐膛內的燃燒分成3個區域，即熱解區、貧氧區和富氧區。徑向空氣分級燃燒是在與煙氣流垂直的爐膛斷面上組織分級燃燒，它是通過將二次風射流部分偏向爐墻來實現的。徑向分級燃燒不僅可以使主燃區處于還原性氣氛從而降低NOx的排放量，還可使爐墻附近處于氧化性氣氛，從而可以避免水冷壁的高溫腐蝕以及因還原性氣氛使灰熔點下降而導致的燃燒器附近的結渣。
2 鍋爐原型
所改造鍋爐為六角墻式布置切圓燃燒，鍋爐爐膛結構尺寸的高、寬、深分別為43.7m、13.66m、11.66m，如圖1 所示。根據其在運行過程產生的問題，具體改造如下：
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（1）將每組燃燒器的三層一次風全部改為百葉窗式水平濃淡燃燒器；
（2）將每組燃燒器的兩層中部二次風關掉，以降低煤粉燃燒初期的氧量，減少中部二次風供風量，減少的風量經上部的燃盡風噴口送入爐膛；
（3）為減少燃燒初期氧量，將原中二次風口偏轉二層，偏離原燃燒器切圓中心線約7°，加大切圓直徑；
（4）在燃燒器上方約1m左右的位置增設一層燃燼風口，流通截面占原有二次風口流通截面的15%左右，氣流方向和偏轉后的二次風氣流相同。燃燒器改造前后的結構如圖2所示，該爐配風情況見表1。
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3 改造結果分析
3.1 冷態模化實驗結果分析
表2中給出了根據相似模化理論所計算的各噴口冷態模化速度。
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圖3中所示的是冷態模化試驗時爐內流場煙花示蹤情況。
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從圖3可以看出，在100%ECR時停用5號磨煤機，氣流在爐膛內部旋轉形成橢圓型切圓，爐膛內氣流分布均勻，切圓圓心沒有發生嚴重偏移。對比圖3中的照片1、照片2和照片3可以觀察到，一次風氣流形成的實際切圓與二次風相比較小，中一次風由于上下兩層二次風均發生偏轉，切圓較下一次風大，但從照片1和照片2可以看出，中一次風的切圓小于偏轉二次風切圓，所以能夠在主燃區形成了空氣在外，煤粉在內的“ 風包粉” 結構，有效減少一次風粉氣流對爐膛壁面的直接沖刷，減少燃燒區域的結渣現象。二次風改造偏轉后，由于二次風切圓的增大，使一次風背火側的補氣條件有所改善，能夠減緩一次風射流發生偏轉時間，從而使大量煤粉顆粒直接進入爐膛中心主燃區，有利于提高燃燒效率。
3.2 改造前后鍋爐運行情況
鍋爐燃燒器改造前后熱態運行情況詳見表3。通過對比表3中改造前后鍋爐運行情況，可以看到燃燒器改造前后，鍋爐總體情況得到改善，鍋爐的機械未完全燃燒損失降低，排煙溫度降低，排煙熱損失減少，煤粉燃燒情況好轉，飛灰可燃物含量大大降低，燃燒效率提高，特別是NOx排放量由改造前的598.5Mg/m3減少到359Mg/m3，充分說明合理采用分級燃燒可以有效地降低燃燒過程中NOx的生成量，使NOx排放量低于國家標準。因此，對大容量褐煤鍋爐進行爐內分級燃燒技術改造可以提高鍋爐的熱效率，降低NOx排放量，減輕爐內結渣。
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4 結論
根據對某電廠6號爐在運行過程中結渣、NOx排放量較高的現象，采用爐內空氣分級燃燒技術進行改造，利用偏轉二次風和水平濃淡燃燒器實現爐內空氣徑向分級，增設頂部燃燼風（OFA）實現爐內空氣的軸向分級，在改造后的鍋爐上進行了冷態模化試驗，試驗表明：
（1）爐內空氣分級改造后，爐內仍具有分布較好的空氣動力場，切圓未發生嚴重偏移。
（2）將兩層中二次風偏轉7°，燃燒器改為水平濃淡燃燒器后，爐內主燃區二次風氣流的切圓直徑大于一次風切圓直徑，形成了空氣在外，煤粉在內的“風包粉” 結構，有利于在靠近水冷壁處形成氧化性氣氛，防止結渣。
（3）將主燃區一部分空氣從新增設的頂部燃燼風（OFA）噴口噴入，可以使主燃區進行貧氧燃燒，有效減少NOx生成量，未燃盡的的煤粉顆粒可利用頂部燃燼風來進一步燃盡，保持燃燒效率。
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