摘 要：双尺度低NOx燃烧器具有抑制NOx的生成、煤种适应性强、燃用混煤不易结焦的特点。本文介绍了文登热电厂3#锅炉低氮燃烧器的改造过程，系统地对改造前情况、改造内容、改造后热态调试及性能测试情况进行了论述。结果表明在不同负荷段及不同磨煤机组合下，3#炉双尺度低NOx燃烧器与机组其他设备配合良好。在保证锅炉效率基础上，锅炉未发生结焦，各点壁温不超温，燃用正常煤种NOx排放值在420-480mg/Nm3 间。飞灰含碳量较低，在1.6-2.3%间。相应锅炉效率达到91.3%以上。这一技改成果说明双尺度低NOx燃烧器在小容量煤粉锅炉上也具有较广的应用价值，有助于热电企业进一步实施节能减排。
关键词：煤粉锅炉 燃烧技术 双尺度 低NOx燃烧器 节能减排
1．锅炉概况
文登热电厂3#锅炉是哈尔滨锅炉厂工业锅炉公司制造，型号为HG—220/9.8-PM。锅炉为单汽包，自然循环，集中下降管，倒U型布置的固态排渣煤粉炉。锅炉改造前性能数据如表1-1。
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该锅炉燃烧器采用水平浓淡分离直流燃烧器，燃烧器布置在锅炉的正四角，炉内假想切圆为Φ600m（逆时针方向旋转），燃烧器采用风管式结构，每只燃烧器有自下而上分别是：下二次风口、下一次风周界风口、下一次风口、腰二次风口、上一次风周界风口、上一次风口、中二次风口、上二次风口和向下倾斜的三次风口。点火油枪4只各设在下二次风口中。
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2．改造方案
2014年7月，文登热电厂与烟台龙源合作，对该炉进行改造。改造设计整体思路为保持锅炉较高的燃烧效率情况下，防止结渣，NOx得到较大幅度地削减。用双尺度低NOx燃烧器替代原燃烧器。调整原燃烧器各层燃烧器间距。在主燃烧器上方增加燃尽风，距上一次风较大距离，取风方式在原四角风箱垂直风道；重新设计了主燃烧器部分水冷壁管；燃尽风区域水冷壁管；一次风喷口采用上下浓淡组合方式，二次风面积也相应调整；三次风分为上下两股，分别引至上、下二次风上方，风率及风速与原燃烧器设计参数相近。
在水平断面上，一次风射流方向与原设计一次风射流方向有所调整，二次风、三次风及SOFA燃尽风与一次风射流方向一致在炉内形成直径747mm的逆时针切圆；贴壁风射流与炉墙自有夹角，更好的防结渣及降低NOx排放。
在原主燃烧器最上层一次风上方约4米处布置2层SOFA喷口，其取风口位于炉膛各角区风箱侧面开孔，SOFA喷口可同时作上下左右摆动，用于降低NOX总量和煤粉的后期燃烬。
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3.双尺度低NOx燃烧器减排机理
公认NOx生成主要有燃料型、热力型及快速型三种类型，燃料型NOx约占总NOx的80-90%，是各种低NOx技术控制的主要对象。其次是热力型，它主要是由于炉内局部高温造成。降低燃料型NOx时，通过控制炉温水平加以控制，快速型NOx生成量很少。
3.1燃烧器纵向三区分布抑制NOx
改造后燃烧器从下至上大致分为三个区，依次为集中氧化燃烧区、集中还原区及燃尽区。
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如图1所示，通过在主燃烧器上方合适位置引入适量的燃尽风（总风量20-30%），燃尽风采用多喷口多角度射入，燃烧器改造后沿高度方向从下至上形成三大区域，分别为氧化还原区（总风量的70-80%）、主还原区、燃尽区。氧化区有助于煤粉初期燃烧，炉温升高，促进煤粉着火、燃烧及燃尽。由于有较大燃尽风量的存在，主燃烧器区内也会存在氧化还原交替存区，通过控制高度方向的配风，可形成局部还原区，可以初步还原产生的NOx，使NOx在初始燃烧时就得到抑制，在主还原区内已生成的NOx还可得到更充分还原，燃尽区内将作为燃尽风的二次风及时补充进来，促进焦碳最后燃尽。通过纵向三区布置，形成纵向空气分级，NOx将得到极大抑制，飞灰可燃物也会得到控制。
由于实现纵向空气分级，相对地燃烧器区域有所扩大，燃烧器区域热负荷降低，炉内温度峰值降低，可以减少或消除热力型NOx产生。
3.2燃烧器上一次风喷口设计浓淡分离降低NOx
上一次风设计喷口为上下浓淡分离形式，中间加装较大的稳燃钝体形式，浓淡燃烧除可降低NOx外，还可对煤粉稳燃、提前着火有积极作用。同时钝体能增加卷吸的高温烟气量，进一步强化稳燃。
3.3两个一次风喷口之间设二次风。
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3.4优化燃尽风布置方案
燃尽风的布置是低NOx燃烧技术的关键所在，燃尽风量的选取、燃尽风喷口标高位置及燃尽风喷口风速、形状都会影响最终的低NOx效果及锅炉效率。
取风口位于炉膛各角区风箱侧面开孔，进而延接燃尽风道，接至燃尽风喷口处。燃尽风道保持较大的流通面积，与原大风箱相连通，形成统一的等压大风箱，
阻力小，供风量能得到满足。
炉内采用切圆燃烧时，煤粉及空气均从四角射入炉内形成一切向燃烧火球，由于火球的旋转及二次风射流的后期刚性较弱，火球中心部往往是一个极度缺氧的区域，如后期混合不强烈，尤其是采用空气分级技术以后，往往造成飞灰可燃物及CO排放高，影响锅炉效率。
本次改造在主燃烧器上方，布置类椭圆形穿透性强的燃尽风喷口，如图 3所示， SOFA可水平、垂直摆动，随着角度的变化可实现燃尽风对后期的炉膛全覆盖。同时，SOFA可作为调整炉膛火焰中心的有效手段。布置的两层SOFA喷口的不同摆动角度的组合射流可努力实现向炉膛中心补氧，同时可兼顾到距离水冷壁较近区域的补氧条件。这种布置方式的主要特点是在空间内形成不同的组合射流，加大了后期的混合，对煤粉的后期燃尽有积极作用。
布置在SOFA上方的高位燃尽风布置在两侧墙的炉膛中心，在扩大还原区的同时，能有效保证射流对火焰气流的穿透性。
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4.热态调试及性能测试
试验主要进行性能试验及相关数据采集，测试锅炉改造后的双尺度低NOx燃烧器是否达到设计要求。
4.1试验内容与结果
热态试验分别进行了锅炉效率试验、二次风配风方式优化试验、最佳过量空气系数优化试验、锅炉烟气成份测量等。
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4.2最佳过量空气系数优化试验
炉膛出口过量空气系数是衡量炉内燃烧反应所需氧量的重要参数。过量空气系数小时，燃料与氧的接触机会减少，不完全燃烧损失将增大；当过量空气系数大时，排烟热损失、氮氧化物含量、风机电耗都会显著升高。最佳过量空气系数试验在200t/h蒸汽流量下进行。通过氧量的变化，测量烟气中氮氧化物和飞灰含碳量的变化。
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从上表可以看出，随着氧量的升高，飞灰含碳量明显降低，氮氧化物含量明显升高，氧量过大会造成排烟损失增加，所以在保证飞灰含碳量合格的前提下，适当降低运行氧量，能够实现机组安全、经济、环保运行。
3.3二次风门开度优化试验
二次风门开度优化试验主要是为了验证二次风门开度变化对氮氧化物的影响，为运行调整确定最佳开度。主要是为了验证二次风门对汽温和氮氧化物的影响，为以后运行确定最佳开度。选取具有代表性的二次风门(下二次风) 和SOFA2燃尽风进行试验。
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通过风门开关试验可以看出：
l 关小主燃区二次风门，主燃区燃烧反应相应延缓，火焰中心上移，煤粉气化过程推后，CO的燃尽时间延长，还原区还原性气体体积分数增加，使得主再热汽温随之升高，NOx随之降低；
l 关小主燃区二次风门，主燃区氧量的降低有利于低氧还原区的建立，在缺氧的状态下对NOx进行还原，可大幅度降低NOx生成，因此在保证燃烧稳定和锅炉经济性的前提下可以适当关小；
l 开大SOFA燃尽风，降低了主燃区的氧量，降低NOx效果最明显；在同等负荷下，随着燃尽风开放层数越多，氮氧化物的排放量也越小。开启上层SOFA效果要好于下层SOFA燃尽风。
3.4锅炉效率测定试验
热效率按下式计算公式:η=100-(Q2+Q3+Q4+Q5+Q6)×100/Qr
式中:
Qr-------输入热量
Q2-------排烟损失
Q3-------化学未完全燃烧热损失
Q4-------机械未完全燃烧热损失
Q5-------散热损失
Q6------灰渣物理热损失
在计算中：
①．将燃料的低位发热量作为输入热量；
②．忽略物理热及雾化蒸汽带入的热量；
③．排烟损失中忽略雾化蒸汽及燃料中氮引起的热损失；
④．过量空气系数采用α=21/(21-O2)×0.9；
⑤．忽略化学未完全燃烧热损失；
计算中测量数值误差≤±0.3～0.5％，化验分析误差≤0.1%
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试验期间，通过二次风挡板特性试验及过量空气系数优化试验，总结出最佳的配风方案和各个负荷段的最佳氧量，所取飞灰含碳量较大修前略有降低，固体未完全燃烧热损失在1-1.3%之间，这是锅炉效率不降低的重要因素。
炉内无结焦现象发生，水冷壁及屏式过热器清洁，捞渣机无掉大焦块现象。过热蒸汽温度不同负荷可达到原设计值540℃±5℃，过热蒸汽的减温水量在可控范围之内。
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过热蒸汽温度不同负荷下可达到原设计值540℃±5℃，过热蒸汽的减温水量在可控范围之内，过热器减温水总量峰值出现在180-195t/h蒸汽流量段。
3.5运行操作指导
通过对不同负荷阶段的燃烧调整，总结出合理的配风方式能够保证较高的锅炉效率和较低的氮氧化物排量，总结出锅炉运行配风卡片：
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4.试验结果
燃用正常煤种时双磨情况下在420-480mg/Nm3间；单磨情况下在350-440 mg/Nm3。由于粉位偏低，单磨运行调整时间较短。锅炉效率在91.1%以上，飞灰在1.6-2.3%间、大渣含碳量5%以下，CO排放浓度不高于100µL/L，过热蒸汽的温度达到原锅炉设计要求并且过热蒸汽的减温水量控制在正常范围之内。炉内燃烧稳定、无结焦。
经对比试验，得出以下调整经验：
①．三次风最佳开度方式已确定：上三次风可调缩孔与下三次风插板门运行人员可基本不动。开大下三次风，排烟温度会上升。而开大上三次风则会明显提高NOx排放。
②．燃尽风开启SOFA上效果好于SOFA下。随着机组负荷的降低，可适当关闭下层燃尽风和上二次风。
③．一般情况下关闭周界风挡板。周界风开度为0%时，燃烧器设计时留有10-15m/s漏风，不会烧损喷口。
④．为保持空预器出口风压，二次风各角区总风门开度保持40-50%开度基本合适。关太小容易导致一次风速过高，飞灰可燃物急剧上升。
⑤．燃尽风投停过程中应按要求逐层缓慢开启，禁止快速同时投停。
⑥．在中低负荷下排烟氧量仍偏高，由于改造后二次风喷口面积较之前有所降低，且一次风改为上下浓淡并加装稳燃钝体，二次风射流刚性增强。
⑦．氧量偏高会使主燃区实际切圆放大，横向动量矩提高。不利于良好动力场的形成。高负荷下控制排烟氧量在4%左右为宜。
⑧．在调整配风过程中应加强锅炉侧各参数监视与调整，防止蒸汽参数及受热面壁温超限。
5.结论
文登热电厂3#锅炉使用双尺度低NOx燃烧器后，与机组其他设备配合良好。在不同负荷段及不同磨煤机组合下，锅炉效率未有明显下降，锅炉未发生结焦，各点壁温不超温，燃用正常煤种NOx排放值一般在420-480mg/Nm3 间。飞灰含碳量较低，约在1.6-2.3%间。按照该锅炉每小时烟气量204217 Nm3/h，年运行时间7000小时计算。年减少NOx排放量约为：
（765-450）×204217×7000/109=450.3吨
为达到目前的100 mg/Nm3的排放标准，必须进行脱硝处理，每年减少还原剂费用（按脱硝工程中每脱除1.6吨氮氧化物需消耗1吨液氨，液氨市场价格2800元/吨计算）为：
2800×450.3/1.5/104=84.1万元
可见节能减排效果明显。
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西安热工研究院有限公司、中国节能协会热电产业联盟主办的“2016火电厂污染物净化与节能技术研讨会”于2016年9月21～23日在西安召开。
活动主要报告内容：
报告单位：西安热工研究院有限公司
1、火电厂一体化节能技术集成应用 华能集团首席专家 杨寿敏
2、大型燃煤发电机组风机选型及烟风道优化节能技术 工程师 石清鑫
3、锅炉烟气深度冷却节能减排技术个性化设计及工程应用 工程师 张知翔
4、尿素制氨技术 副所长/高工 常磊
5、超低排放下SCR升级改造技术-基于SCR Wizard的智能管理平台 工程师 罗志
6、脱硝故障诊断及运行优化技术 工程师 舒凯
7、锅炉低氮燃烧器改造与燃烧控制的安全节能运行技术探讨 主任工程师/博士 汪华剑
8、锅炉燃烧优化与低氮燃烧技术 高工/博士王一坤
9、超低排放下烟尘控制系统运行优化 所长/研究员 张滨渭
10、燃煤掺烧技术及在线配煤管理系统 所长/高工 蒙毅
11、火电厂输煤贮灰系统环保治理技术 高工 李元昊
12、脱硫系统超低排放改造技术及改造后的节能优化运行研究 工程师 邹乔
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