摘要：为降低脱硝改造及运行成本，安阳电厂#9、10锅炉燃烧器进行改造，改造后的燃烧器将降低燃煤在炉膛燃烧过程中NOx的生成量，本文重点介绍锅炉低氮燃烧器改造的方案，并结合安阳电厂#9、10锅炉改造后的实际运行情况及效果，浅谈燃煤机组锅炉低氮燃烧改造技术及对NOx的生成量的控制。
关键字：低氮燃烧器 改造 NOx 效率
一、前言
我国煤电污染严重，预计到2015年和2020年，我国火电装机容量将分别达到10亿千瓦和12亿千瓦。据此测算，按照目前的排放控制水平，到2015年，火电排放的NOx，将达到1116万吨以上，到2020年，将达到1234万吨以上。由此可见，火电大气污染物的排放对生态环境的的影响将越来越严重。
最新标准（GB13223-2011）要求，现有火力发电锅炉及燃气轮机组从2014年7月1日，新建火力发电锅炉及燃气轮机组从2012年1月1日起执行NOx排放浓度100mg/Nm3的标准，机组烟气脱硝改造在降低烟气NOx含量的同时，高昂的脱硝运行费用又使发电企业不堪重负。为了减少SCR入口处NOx含量，降低脱硝改造及运行成本，低氮燃烧器改造势在必行。
二、低NOx燃烧技术简介
用改变燃烧条件来降低NOx排放的方法称为低NOx燃烧技术。在各种降低NOx排放的技术中，低NOx燃烧技术是采用最广、相对简单、最经济的方法。目前低NOx燃烧技术主要有如下几种：
3.2.1 低过量空气系数
低过量空气系数是一种优化装置燃烧、降低NOx生成量的简单方法。随着烟气中过量氧的减少，可以抑制NOx的生成。它不需对燃烧装置做结构改造，并有可能在降低NOx排放的同时，提高装置运行的经济性。对于燃煤锅炉而言，限制主要来自于过剩空气系数低时会造成受热面的粘污结渣和腐蚀、汽温特性的变化以及因飞灰可燃物增加而造成经济性下降，所以电站锅炉实际运行时的过剩空气系数不能做大幅度的调整。
3.2.2 空气分级燃烧
空气分级燃烧的基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段完成。在第一阶段，将从主燃烧器供入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的70－75%（相当于理论空气量的80%），使燃料先在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧。此时第一级燃烧区内过量空气系数α＜1，因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平，不但延迟了燃烧过程，而且在还原性气氛中降低了生成NOx的反应率，抑制了NOx在这一燃烧中的生成量。为了完成全部燃烧过程，完全燃烧所需的其余空气则通过布置在主燃烧器上方的专门空气喷口OFA（over fire air）――称为“燃烬风”喷口送入炉膛，与第一级燃烧区在“贫氧燃烧”条件下所产生的烟气混合，在α＞1的条件下完成全部燃烧过程。这一方法弥补了简单的低过量空气燃烧的缺点。在第一级燃烧区内的过量空气系数越小，抑制NOx的生成效果越好，但不完全燃烧产物越多，导致燃烧效率降低、引起结渣和腐蚀的可能性越大。因此为保证既能减少NOx的排放，又保证锅炉燃烧的经济性和可靠性，必须合理组织空气分级燃烧过程。
3.2.3 燃料分级
在燃烧中已生成的NO遇到烃根CHi、未完全燃烧产物CO、H2、C以及CnHm时，会发生NO的还原反应，反应式为：
4NO+CH4 =2N2+CO2+2H2O
2NO+2CnHm+(2n+m/2-1)O2 =N2+2nCO2+mH2O
2NO+2CO =N2+2CO2
2NO+2C =N2+2CO
2NO+2H2 = N2+2H2O
利用这一原理，将80-85%的燃料送入第一级燃烧区，在α>1条件下，燃烧并生成NOx。送入一级燃烧区的燃料称为一次燃料，其余15-20%的燃料则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区，在α<1的条件下形成很强的还原性气氛，使得在一级燃烧区中生成的NOx在二级燃烧区内被还原成氮分子，二级燃烧区又称再燃区，送入二级燃烧区的燃料又称为二次燃料，或称再燃燃料。在再燃区中不仅使得已生成的NOx得到还原，还抑制了新的NOx的生成，可使NOx的排放浓度进一步降低。
3.2.4 烟气再循环
目前使用较多低NOx燃烧技术的还有烟气再循环法，它是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉内，或与一次风或二次风混合后送入炉内，这样不但可降低燃烧温度，而且也降低了氧气浓度，进而降低了NOx的排放浓度。
3.2.5 低NOx燃烧器
煤粉燃烧器是锅炉燃烧系统中的关键设备。从燃烧的角度看，燃烧器的性能对锅炉的可靠性和经济性起着主要作用。从NOx的生成机理看，占NOx绝大部分的燃料型NOx是在煤粉的着火阶段生成的，因此，通过特殊设计的燃烧器结构以及改变燃烧器的风煤比例，可降低着火区氧的浓度及着火区的温度，从而达到最大限度地抑制NOx生成的目的。
3.2.6 低NOx燃烧系统
为更好地降低NOx的排放量和减少飞灰含碳量，将低NOx燃烧器和炉膛低NOx燃烧（空气分级、燃料分级和烟气再循环）等组合在一起，构成一个超低NOx燃烧系统。
三、锅炉概况
安阳发电厂#9、10锅炉由东方锅炉（集团）股份有限公司制造的亚临界自然循环汽包锅炉，锅炉型号DG1025/18.2-II4，锅炉为亚临界自然循环汽包锅炉，单炉膛，一次中间再热，平衡通风，钢构架，固态排渣，燃煤锅炉。采用四台低速钢球磨、中间仓储热风送粉系统、四角切园燃烧方式，假想切圆的直径为Φ700mm、Φ500mm。改造前锅炉省煤器出口处NOx排放浓度为780～850mg/Nm3，锅炉再热汽温偏低，大屏容易超温，燃烧器磨损严重。
水冷壁每角的燃烧器共有15层喷口，其中一次风喷口5层（在A层中布置有小油枪）、二次风喷口7层(其中DE层布置大油枪)、用于降低NOx生成量的顶二次风喷口1层，三次风2层。一次风喷口四周有周界风，每角燃烧器分上、下2组。摆动燃烧器喷口，除顶二次风喷口能上下摆动15°外，各层喷口（A层上倾3°固定）均可上下摆动18°(#9炉15°)，上、下组喷口的摆动由气动执行器带动完成，每组燃烧器配一个气动执行器，每角2个，全炉共8个。
我厂#9、10锅炉目前采用的燃烧器技术为水平浓淡燃烧器，根据研究结果和锅炉实际运行情况，我厂燃烧器整体布置基本合理，但燃烧配风组织上存在一定缺陷且燃烧器磨损严重。
1）燃烧器结构型式欠妥，一次风与二次风混和过早，不利于抑制NOx 生成；
2）虽然进行了全炉膛分级燃烧，但燃烬风率偏小，炉内空气分级燃烧效果不明显，无法起到大幅降低NOx的目的。
3）燃烧器喷口及壳体磨损严重，二次风挡板特性差；周界风卡涉，调节不灵活。
四、工程概况
结合我厂锅炉燃烧器结构现状，项目承包商制定了改造方案，采用立体分级低氮燃烧技术，即低NOx水平（或垂直）浓淡燃烧器+空气分级燃烧组合技术，保证在降低NOx的同时，燃烧稳定性好、炉内避免结渣和高温腐蚀，安阳发电厂在2014年2月至6月利用#9、10锅炉B级检修机会完成了低氮燃烧器改造工作。
低氮燃烧系统改造包括分离燃烬风（SOFA风）、低氮浓淡燃烧器（A层燃烧器保留小油枪）、燃烧器摆动机构及控制系统、二次风喷口、二次风挡板执行机构、周界风挡板执行机构（原来没有）、三次风喷口、三次风门及执行机构（原来没有）、风烟系统风量测点、油枪及点火枪等。
4.1 分离燃尽风系统
将有组织燃烧风量沿炉膛垂直方向分级供入，主燃区有组织空气量与理论空气量的比值由原来λp=1.2变为λp=0.84~0.9。在主燃烧器上方(标高31.702m、32.393m、33.084m、33.715m)，布置四层共16只燃尽风喷口，整个燃尽风喷口在燃烧器区上部相同的水冷壁角部位置开出燃尽风安装口，燃尽风量占总空气量约为26%，燃尽风喷口风速采用较高风速45.73m/s，所有燃尽风喷口均可以垂直和水平方向摆动，上下摆动± 15°，水平方向上± 10°左右摆动，可根据锅炉运行状况（燃尽、NOx排放、过热器汽温偏差等）进行喷口角度的适当调整，有效调节炉膛出口烟温偏差，并保证过热器管壁不出现超温问题。
各个燃尽风喷口的供风风道均由相对应的各角主二次风道引出分别向燃尽风喷口供风，保证供风阻力小，在风道上设置有单独风门挡板，由气动执行器远程操控。相应水冷壁上将开出燃尽风安装口，安装有水冷壁水冷套和密封壳体，并根据现场管道、钢架安装位置对燃尽风道进行适当调整，各燃尽风道上加装膨胀节，并均设有恒力弹簧吊挂。
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4.2 一次风及煤粉浓缩器：
采用经过优化的煤粉百叶窗浓缩器，保证低的流动阻力，均匀的气流分配，高的煤粉浓缩比，采用耐磨铸钢结构，保持耐久的抗磨损能力，在易磨损部位内衬高珞铸铁耐磨材料。煤粉浓缩器总长较短，能够满足现场安装布置的要求。根据现有燃用煤质的情况，对煤粉浓缩器进行优化设计，达到最佳着火、燃烬和低NOx排放特性。
百叶窗式煤粉燃烧器设计参数表
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一次风浓淡喷口之间采用垂直V型隔板，推迟浓淡一次风的混合速度。一次风喷口出口四周设计有偏置型周界风喷口，对运行或停运的一次风喷口起到冷却保护作用，一次风在向火侧和上下两侧设有小扳边，推迟周界风与一次风的混合，在一次风喷口背火侧设计较大出口动量的侧二次风，对炉膛水冷壁面起到防止结渣、防止高温腐蚀的保护作用。
4.3 微量油燃烧器：
针对锅炉特点和燃料燃烧特性，将A层四只燃烧器改为新一代微油直接点火水平浓淡风煤粉燃烧器，作为锅炉点火燃烧器和主燃烧器使用，可满足锅炉启、停的要求。
4.4 二次风系统改造
主燃烧器区二次风喷口面积根据主燃烧器区有组织二次风减少的情况进行相应缩小，出口二次风风速达到设计值，保证出口的二次风风速达到较高风速。最下层保证较大二次风喷口面积，使其具有较大出口二次风动量，起到在最下层托粉的作用，减少炉膛底部的掉渣量和大渣的含碳量。二次风喷口采用收缩型结构，推迟一、二次风的混合，有效地推迟空气与煤粉的混合，减少燃烧过程中含N基团与O2反应机会，有效降低NOx生成量。
本次改造对二次风喷口全部进行更换，对二次风及周界风挡板执行机构及气动执行器全部进行更换，保证二次风挡板的特性曲线，保证运行中二次风挡板开关调节灵活。
4.4 三次风系统改造
采用稳燃能力较好的新一代水平浓淡风煤粉燃烧器，锅炉机组的稳燃能力将大幅度提高，增大三次风喷口面积，降低三次风出口风速，增加稳燃齿，强化三次风着火和燃尽度，以尽量减少对燃烧稳定性的影响，增加其稳燃性能。
本次改造将原上层三次风燃烧器（标高27.492m）从煤粉管道膨胀节处重新设计，降低标高并通过复合三通弯头分成上下两层三次风管道，新增三次风燃烧器标高分别为25.996m（原EE层二次风）和24.799m（原DE层二次风）。将标高27.492m（原三次风）改为EE层二次风喷口，原DE层大油枪下移至DD层。原下层三次风标高维持不变，并采用喷口摆动结构。改造后主燃区共有五层一次风分别在A、B、C、D、E层，七层二次风分别在AA、AB、BC、CC、DD、EE、OFA层，三层三次风分别在F、G、H层。
4.5 摆动执行机构：
主燃烧器的分上下两组，每组喷口可同步或单独摆动，上下摆动±20°（喷口水平为0°）。除AA层二次风及A层微油燃烧器喷口固定不动，OFA层二次风喷口可上下摆动±20°，左右可摆动±10°。二次风、周界风和三次风挡板同层四个风门的调节可层控调节，也可单独调节。新增燃尽风燃烧器每角采用1组摆动执行机构，带动4层燃尽风进行垂直摆动，摆动幅度为上下摆动± 15°，燃尽风喷口的水平摆动为手动调节，可水平摆动± 10°，调试完毕后锁定，运行期间不允许随意摆动。
其他如火检全部更换为新设备，煤粉管道和吊挂装置等都进行相应的移位、改造。项目施工完成后，进行冷态动力场试验及热态调试工作，总结出低氮燃烧器运行期间调整指导手册。
五、效果验证
安阳发电厂#9、10锅炉启动运行后，河南电科院对两台机组低氮燃烧器改造后进行性能试验，结果如下：
5.1 降NOX效果明显
在试验煤种下，#9炉在300MW、250MW、180MW工况下，测的SCR入口烟气NOx含量（6%O2）分别是426.8mg/m3、438.8mg/m3、435.0 mg/m3，#10炉在315MW、240MW、160MW工况下，测的SCR入口烟气NOx含量（6%O2）分别是410.4mg/m3、421.4mg/m3、442.3mg/m3，SCR入口烟气CO含量均低于100ppm；均达到不高于450mg/m3技术保证值；#9、10机组SCR入口烟气CO含量均低于100ppm。
5.2 飞灰、炉渣情况：
#9、10炉飞灰、炉渣含碳量均较改造前有所提高，但低于技术协议要求值，#9炉在300MW、250MW、180MW工况下，测得飞灰含碳量分别为2.24%、2.47%、2.24%，炉渣含碳量分别为3、43%、3.13%、0.38%；#10炉在315MW、240MW、160MW工况下，1.88%、1.79%、1.58%，炉渣含碳量分别为6.05%、3.84%、4.85%；除#10炉在315MW试验工况下的炉渣含碳量高于5%外，#9、10炉其余工况下飞灰、炉渣均达到“飞灰含碳量<2.5%，炉渣含碳量<5%”技术协议要求。
5.3 锅炉效率提升
#9、10炉性能实验报告显示，#9炉在300MW、250MW、180MW试验工况下，锅炉热效率分别为92.28%、92.20%、92.10%；#10炉在315MW、240MW、160MW工况下，锅炉热效率分别为91.81%、92.210%、92.12%；均高于设计B—ECR锅炉效率91.10%。
5.4 汽温、减温水、排烟温度
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改造后，#9、10炉主蒸汽汽温略有下降，基本维持在533～538℃，但均能达到额定值要求；再热气温提升尤为明显，高、中再负荷下均能额定值，低负荷工况下下再热汽温低于530℃（额定值下线），但均比改造前有大幅提高。
#9、10机组因进行汽轮机通流改造后，造成再热器出口欠温严重，本次#9炉低氮改造同时进行再热器增容改造，改造后再热汽温提升明显，#10炉未进行再热器增容改造，虽温度提升稍逊于#9炉，但比改造前有明显提升。
#9炉过、再热减温水量与改造前相比有所提高，#10炉过、再减温水量相比改造前总体没有升高。
试验工况下，锅炉过热器、再热器各受热面壁温均在安全控制值以下，没有出现超温现象。
六、总结
安阳发电厂#9、10锅炉通过低氮燃烧器改造，可将NOx排放浓度降至450mg/Nm3以下，降幅达50%左右，同时提升了锅炉效率、保证机组过热汽温、再热汽温均维持在正常水平，保证机组经济性，同时对改善周围的大气环境质量起到积极的作用，降低了SCR运行成本，实现了经济效益和环境效益的双丰收。
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