浅析燃烧器改造技术方法及应用

浅析燃烧器改造技术方法及应用
摘要：本文针对为满足机组超低排放进行燃烧器改造，改造后对水冷壁造成的
高温腐蚀进行了探讨，阐述了现阶段燃烧器改造技术原理及技术路线，同时针对
公司机组存在的问题提出来针对性的改造方案，改造方案得到了实际论证，从根
本上减缓了水冷壁高温腐蚀。

关键词：燃烧器；水冷壁；高温腐蚀
一、概述
山西大唐国际临汾热电有限责任公司（以下简称“大唐国际临汾热电”）2×300MW锅炉为亚临界参数、一次中间再热、自然循环汽包炉，采用平衡通风、四角切圆燃烧方式，同步上SCR脱硝装置。

锅炉以最大连续负荷（即BMCR工况）为设计参数，锅炉的最大连续蒸发量
为1092.307t/h；机组电负荷为300MW（即TRL工况）时，锅炉的额定蒸发量为1060.43t/h。

锅炉为哈尔滨锅炉有限责任公司制造，型号为HG-1092/17.5-YM28。

采用两台容克式三分仓
回转式空气预热器，两台动叶可调轴流式增压引风机，两台动叶可调轴流式送风机，两台液
力耦合器可调单吸离心式一次风机，五台中速辊式磨煤机，两台密封风机，两台电袋复合式
除尘器，一台干式排渣机。

原设计燃用煤种为当地烟煤，采用正压直吹式制粉系统。

在2014年低氮改造之前，实际运行中炉膛出口NOx在600-700mg/Nm3之间。

2014年
进行了低氮改造，改造后，在50%~100%BMCR工况下NOx在300-500mg/Nm3之间，峰值瞬
间最高600mg/Nm3，再经过SCR脱硝后，SCR出口NOx排放在100mg/Nm3以内。

2015年进行了超低排放改造，SCR催化剂由两层改为三层，并同时更换已经损坏的催化剂，SCR出口NOx排放控制在50mg/Nm3以内。

2014年经过低氮改造，并且2016-2017年实际燃用煤种与原设计煤种发生了较大变化，
实际燃用煤种挥发份提高、更易着火，A-E层煤粉燃烧器都存在烧损现象，C层燃烧器喷嘴至下层燃烬风下1-2米的区域,前后左右墙水冷壁都存在不同程度的高温腐蚀现象。

二、腐蚀原因分析
1、经过2014年的低氮改造有效降低了炉膛出口NOx排放，50%-100%BMCR工况下炉膛
出口NOx浓度由600-700mg/Nm3降低到300-500mg/Nm3。

但是低氮改造完，运行一段时间后，水冷壁出现了高温腐蚀现象。

根据现场测试数据，实际运行中壁面CO浓度峰值在
30000μL/L，为典型的还原性气氛，会对水冷壁产生严重腐蚀。

2、目前各燃烧器存在不同程度的烧损结焦现象，经分析主要是低氮燃烧器改造后，入
炉煤种变化所致。

2014年低氮改造所依据的设计煤种是原锅炉设计煤种，而机组2017-2018
年入炉煤种与原设计煤种相比，发生了较大变化，近期入炉煤种为配煤掺烧煤种，该煤种干
燥无灰基挥发份高、易着火，致使燃烧器内着火提前，引发煤粉燃烧器的烧损结焦。

3、主燃区二次风喷口面积相对较大，使得主燃区二次风喷口风速较低。

目前送风机选
型偏大，系统风压偏低、风量偏大，实际运行中动叶开度较小，可调性较差，对二次风系统
影响较大，必要时考虑对送风机叶型进行改造。

4、主燃区燃烬风配风设置不合理，引起锅炉两侧烟温偏差大（最大峰值可达120℃），
导致锅炉两侧汽温有偏差。

5、锅炉运行飞灰含碳量较大，有时达到3.5%以上，致使锅炉效率降低。

三、改造技术原理及改造方案
1、燃烧器改造技术原理
目前燃煤电站按常规燃烧方式产生的NOx主要包括NO、NO2 及微量N2O 等，其中NO
含量超过 90%，NO2约占5-10%，N2O量仅占1%左右。

因此，燃煤电站NOx的生成与排放
量主要取决于NO。

煤粉燃烧过程中，理论上NOx的生成有三条途径，即：热力型、燃料型与瞬态型。

其中，燃料型NOx产生于煤粉燃烧初期，所占NOx比例超过80-90%，是通过燃烧控制NOx减排的
主要对象。

根据NOx生成机理，对燃烧过程中NOx生成的控制主要从两个方面考虑：一是抑制燃
烧中的NOx的形成；二是还原已形成的NOx。

其主要方法是通过运行方式的改进或者对燃烧
过程进行特殊的控制，抑制燃烧过程中NOx的生成反映，从而降低NOx的最终排放量。

低NOx燃烧技术的主要途径有如下几个方面，具体情况如下：1）在氧浓度较少的条件下，维持足够的停留时间，使燃料中的氮不易生成NOx，而且使生成的NOx经过均相或多相
反应而被还原分解。

2）在过量空气的条件下，降低温度峰值，以减少热力型NOx的生成，
如采用降低热风温度和烟气再循环等。

2、低NOx燃烧技术
纵观国内外控制燃煤电站NOx排放的低NOx燃烧技术，大概可分为低氮燃烧器、空气
分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、烟气再循环燃烧技术。

各种低氮燃烧技术介绍如下：
2.1、燃料分级燃烧
燃料分级燃烧，又称燃料再燃技术，是指在炉膛（燃烧室）内，设置一次燃料欠氧燃烧
的NOx还原区段以控制NOx最终生成量的一种“准一次措施”。

NOx在遇到烃根CHi和未完全
燃烧产物CO、H2、C和CnHm时会发生NOx的还原反应。

利用这一原理，把炉膛高度自下
而上依次分为主燃区（一级燃烧区）、再燃区和燃烬区。

再燃低NOx燃烧是将80%~85%的燃料送入主燃区，在过量空气系数α燃料的条件下燃烧；其余15%~20%的燃料则在主燃烧器的
上部某一合适位置喷入形成再燃区，再燃区过量空气系数α燃料，再燃区不仅使主燃区已生
成的NOx得到还原，同时还抑制了新的NOx的生成量。

再燃区上方布置燃烬风（OFA）以形
成燃烬区，以使再燃区出口的未完全燃烧产物燃烧，达到最终完全燃烧的目的。

一般采用燃
料分级的方法可以达到30%以上的脱除NOx的效果，在主燃烧器采用低NOx燃烧器抑制NOx 生成的基础上联合使用燃料分级燃烧可以进一步降低NOx的排放量。

2.2、空气分级燃烧
空气分级燃烧是目前使用最为普遍的低NOx燃烧技术之一。

空气分级燃烧（见图1）的
基本原理为：将燃烧所需的空气量分成两级送入炉膛，使主燃烧区内过量空气系数在0.8~1，燃料先在富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，延迟了燃烧过程，在还原性气氛中
大量含氮基团与NOx反应，提高了NOx向N2的转化率，降低了NOx在这一区域的生成量。

将燃烧所需其余空气通过布置在主燃烧器上方的燃烬风喷口（SOFA）送入炉膛，在供入燃烬
风以后，成为富氧燃烧区，此时空气量虽多，但因火焰温度低，且煤中析出的大部分含氮基
团在主燃区已反应完成，最终NOx生成量不大，同时空气的供入使煤粉颗粒中剩余焦炭充分
燃烬，保证煤粉的高燃烧效率，最终炉内垂直空气分级燃烧可使NOx生成量降低30～40%。

图1 空气分级燃烧原理图
2.3、烟气再循环
烟气再循环也是常用的燃烧中降低NOx排放量的方法之一。

该技术是将锅炉尾部约
10%~30%的低温烟气（温度约300~400~）经烟气再循环风机回抽（多在省煤器出口位置引出）并混入助燃空气中，经燃烧器或直接送入炉膛与一次风、二次风混合送入炉内，从而降低燃
烧区域的温度，同时降低燃烧区域的氧的浓度，最终降低NOx的生成量，并具有防止锅炉结
渣的作用。

但采用烟气再循环会导致不完全燃烧热损失加大，而且炉内燃烧不稳定，所以不
能用于难燃烧的煤种（如无烟煤等）。

2.4、低NOx燃烧器
除了在燃烧室内采用上述的空气分级燃烧、燃料再燃烧和烟气再循环等技术来降低NOx
的浓度外，也可以将这些原理用于燃烧器，使燃烧器不仅能保证燃料着火和燃烧的需要，还
能最大限度地抑制NOx的生成，这就是低NOx燃烧器技术。

世界各国的大锅炉公司分别发
展了各种类型的低NOx燃烧器，NOx降低率一般在30%-60%之间。

燃烧器一般分为旋流和直
流两种型式。

低NOx圆形旋流燃烧器通常采用空气分级燃烧技术，它分两次或多次供入空气进行分段
燃烧（如下图2）：一次空气通入，在燃料出口附近形成富燃区，抑制燃料NOx生成；其余
空气是从燃烧器周围的一些空气喷口送入，与未燃烬燃料混合，继续燃烧形成燃烬区。

空气
分级低NOx燃煤燃烧器的工作原理是煤粉与空气分三段混合，形成三个不同的过量空气系数α燃烧区。

图3 低NOx直流水平浓淡燃烧器
以上四种低NOx燃烧技术：燃料分级技术通过燃料的投入量来控制NOx排放，给料系
统复杂，不易控制，实际应用较少；烟气再循环在燃煤锅炉上单独应用时NOx脱除率小于20%，一般都需要与其他的措施联合使用；浓淡燃烧技术和高位燃烬分技术结合是目前国内
各大锅炉厂及脱硝厂家主流的低氮燃烧技术，在煤粉炉机组广泛应用。

3、治理水冷壁高温腐蚀对燃烧器改造的方案
3.1、一次风煤粉燃烧器改造
一次风煤粉燃烧器：将锅炉5层一次风燃烧器拆除，更换为低阻力、相对高浓缩比、浓
淡风速均匀的对置丘体水平浓淡分离燃烧器。

各层一次风燃烧器标高保持不变、原燃烧器切
圆大小保持不变。

本次改造共更换5层共20套一次风燃烧器。

燃烧器热功率、风速、一次
风率与锅炉原设计相同。

3.2、二次风喷口部分改造
低氮燃烧优化改造二次风设计风率：47%，设计风速46-50 m/s，根据风量分配重新设计
二次风喷口，降低二次风喷口侧向漏风量，增强二次风刚性，提高二次风风速。

主燃区最上
层二次风喷嘴改造为反切消旋喷口，并加装手动角度调节装置，形成逆向旋转气流，以降低
炉内气流的残余旋转，减少炉膛出口处两侧烟温的偏差。

3.3、燃烬风区域改造
低氮燃烧优化改造燃烬风风设计风率：25%，设计风速46m/s。

将原锅炉3层燃烬风喷
口及龙高科设计的2层燃烬风喷口全部取消，并在中心标高34.605m区域水冷壁重新开孔，
新安装3层SOFA燃烬风。

燃烬风喷嘴反切8°，可垂直摆动正负20°和水平摆动正负10°，可
有效的调整燃烬风区域高度（防屏过超温）和有效的消除四角布置切圆燃烧锅炉的左右烟温
偏差。

图4 改造方案
四、改造后治理效果
本次燃烧器改造主要以降低水冷壁腐蚀、燃烧器烧损结焦为目的，在现有基础上进行局
部优化改动，不进行大范围改造；同时保证优化改造后，在各工况下运行的NOx浓度不得高
于改造前各工况运行水平。

1、保证燃烧器改造后NOx排放不高于改造前。

2、75%额定工况下，保证飞灰含碳量控制在2.2-2.5%以内。

3、降低锅炉出口CO浓度，提高炉膛水冷壁壁面的氧浓度、减轻炉膛结焦，避免和减轻
高温腐蚀现象，锅炉出口CO浓度≤100μL/L；
4、目前额定工况下实际运行中锅炉效率为92.03%、锅炉飞灰含碳量2.14%，本次燃烧
器改造后各项指标优于目前实际运行值。

5、汽温调节性能不低于改造前，减温水量不明显增加。

五、结束语
本次针对锅炉水冷壁高温腐蚀进行燃烧器改造是很有必要的，本次燃烧器改造达到了以
下效果：一是有效降低锅炉壁面CO浓度峰值，减少燃烧器喷口的结焦、水冷壁的高温腐蚀，二是改造后，炉膛出口NOx排放浓度不高于改造前，三是减少锅炉两侧烟温和汽温偏差，四
是降低飞灰含碳量，提高锅炉效率。

为满足机组超低排放进行的燃烧器改造对水冷壁腐蚀是一项长期存在的隐患，能适当减
缓因燃烧器改造造成水冷壁高温腐蚀可保证机组长周期安全稳定运行。

参考文献：
[1] 刘志江低氮燃烧器改造及其存在问题处理[J] 热力发电 2013，12（3） 77-81
[2] 李勇燃煤电站锅炉低氮燃烧系统改造研究 [D] 华南理工大学 2013
[3] 浅谈低氮燃烧器技术及其改造方法《科技创新与应用》。