低氮燃烧器的应用及燃烧调整研究

李佩直，孙 斌

(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)

随着雾霾天气的出现，空气的污染治理也越来越被人们重视。NOx作为大气污染的主要组成成分之一，减少NOx的排放成为人们关注的重点［1］。按照GB13223－2011《火电厂大气污染物排放标准》的规定，2014年7月1日起，2003年12月31日建成投产以后的火力发电厂(W型火焰锅炉、循环流化床锅炉除外)执行NOx排放浓度限值为100 mg/Nm3的标准。

因此，火力发电厂和高校为了达到此目标，正在努力开展关于降低NOx浓度排放的试验及改造工作［2］。对于燃煤电厂来说，控制NOx的排放浓度，主要是通过两种途径来实现:一是燃烧过程中减少NOx浓度的排放，通过低氮燃烧技术，调整燃烧手段减少NO x的生成量;二是燃烧后对生成产物NOx的控制，进一步通过脱硝装置达到国家控制的排放标准［3］。

1 锅炉燃烧系统

1.1 锅炉概况

某电厂锅炉为亚临界参数、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，设计燃料为褐煤，锅炉采用紧身封闭。锅炉以最大连续负荷(即BMCR工况)为设计参数，在机组电负荷为364.055 MW时，锅炉的最大连续蒸发量为1 125 t/h;机组电负荷为330 MW(ECR工况)时，锅炉的额定蒸发量为1 070 t/h。主要设计参数见表1。

表1 锅炉主要技术参数表

1.2 设计燃料特性

燃烧器的布置，采用四角布置的切向摆动式燃烧器。设计煤质参数见表2。燃烧器可以上下摆动，最大摆动角度为±20°。锅炉在运行过程中NOx排放浓度在550～610 mg/Nm3，经过脱硝后排放浓度不能满足环保的要求。

为了控制NOx的排放，尽量减少NOx在燃烧过程中的生成量，保证SCR入口的氮氧化物浓度在一个合理的水平，主要通过调整燃烧温度、各级过量空气系数和优化运行方式等控制氮氧化物的排放［4］。

氮氧化物的生成主要有燃料型、快速型和热力型三种方式。其中燃料型氮氧化物的生成量占4/5以上，其次是热力型氮氧化物，快速型的生成含量最小［5］。减少燃料型氮氧化物的生成量是控制氮氧化物排放的主要途径，主要是燃烧中低氮燃烧技术以及燃烧后烟气的脱硝技术相结合，而其它两种类型的氮氧化物生成量占少量部分［6］。

表2 设计煤质参数

2 低氮燃烧器的改造

2.1 低氮燃烧器的改造方案

(1)在炉膛中心形成逆时针旋向的两个直径稍有不同的假想切园，如图1所示。为了削弱炉膛出口烟气的旋转强度，减小四角燃烧引起的炉膛出口烟温偏差，主燃烧器上方设置了SOFA燃烧器，SOFA风室被设计成反切，使其喷嘴出口中心线同主喷嘴中心线成12°的夹角，其目的就是要形成一个反向动量矩，平衡主燃烧器的旋转动量矩，而达到减少炉膛出口烟温偏差之目的，另外，还选取了较大的燃烬风率，来控制NOx的排放量。

图1 假想切圆图

(2)在燃烧器高度方向上，根据燃烧器可摆动的特点，考虑到燃烧器向下摆动时，保证火焰充满空间和煤粉燃烧空间。

(3)为防止炉膛结焦，采用了较小的单只喷嘴热功率，防止燃烧器区域的结焦，采用燃烧器分组拉开式布置及合理配风形式，可有效控制NOx排放量。

(4)燃烧器采用水平浓淡煤粉燃烧技术，以提高锅炉低负荷运行的能力，水平浓淡煤粉燃烧器是利用煤粉进入燃烧器一次风喷嘴体后，经百叶窗的分离作用，将一次风气流分离成浓淡两部分;两部分之间用垂直隔板分开，燃烧器出口处设有带波纹形的稳燃钝体。浓相气流的煤粉浓度高着火特性好，即使在低负荷情况下，浓相气流的风煤比仍可保持在较合适的范围内，使着火特性不会明显恶化。钝体形成的高温烟气回流区又充分为煤粉着火提供了热源，这两者的结合为低负荷稳燃提供了保证。

3 改造后的NOx排放及燃烧调整

低氮燃烧器改造后，由表3、表4可以看出，在300 MW和220 MW负荷工况下，在不同的运行氧量和不同的SOFA风门开度下，NOx的排放水平各不相同，在220MW负荷下，运行氧量3.8%、SOFA风门开度50%时，NOx排放浓度控制在248.5 mg/Nm3;在300 MW负荷下，运行氧量3.1%、SOFA风门开度90%时，NOx排放浓度控制在207.1 mg/Nm3。在这两种工况下，NOx排放浓度控制在较低的水平。

表3 不同运行参数下NOx排放比较

表4 不同运行参数下NOx的排放比较

4 改造后问题分析

(1)蒸汽参数偏离设计值

锅炉燃烧区采用空气分级燃烧技术，使得主燃烧区的温度下降，炉内的温度分布更加均匀，对于水冷壁存在沾污结焦情况严重的得到改善，水冷壁的吸热增加，炉膛出口的烟温降低［7］，过热器、再热器温升下降，使得过热器、尤其再热器温低于设计值。

(2)飞灰、炉渣的含碳量增加

低氮燃烧技术主要是采用低温、缺氧燃烧技术，使得主燃烧区的温度下降较多，推迟了煤粉的着火，并且此区域缺氧燃烧，控制过量空气系数，煤粉在此区域的燃尽度下降，造成了飞灰、炉渣的含碳量增加。q4的增大，必然导致锅炉热效率的降低。

(3)高温腐蚀现象加剧

煤粉在主燃烧器区域进行缺氧燃烧，不充分燃烧会产生大量的CO，以及还原性气体H2S，从而加剧水冷壁区域的高温腐蚀。

利用空气的分级燃烧技术，上层增加燃尽风，总风量不变的情况下，上层二次风分增加势必使得下层二次风减少，使得下层一、二次风的掺混过程推移，炉膛的火焰中心上移，相应炉膛出口的烟温升高，容易引起结焦、积灰等现象。

(4)炉内燃烧状况复杂

由于低氮燃烧器改造后对整个炉膛内的动力场发生变化，使得炉内的燃烧也产生不利影响。低氮燃烧器改造前设计的燃烧运行优化方式已经不再适应，会产生炉膛负压波动大、偏烧、排烟温度高、飞灰含碳量大、再热器温度低等的影响，使得在低温、低氧的燃烧运行工况下调节难度加大，导致低负荷稳燃能力下降。

5 改进措施

(1)合理控制运行氧量

运行过程中氧量的控制不仅影响机组经济性，而且对NOx的排放具有一定的抑制作用［8－9］，因此，对氧量的精细化调整显得至关重要。分别对燃烧区和还原区的过量空气系数进行控制。通过对不同氧量的调节控制，分别对飞灰含碳量、再热器温度以及锅炉效率等主要运行参数试验，找出不同运行工况下的锅炉参数变化，得出机组的最佳运行氧量。在300 MW负荷下，通过变氧量试验，可以得出炉膛氧量与NOx的关系曲线，如图2所示。

(2)燃烧运行优化调整

低氮燃烧器改造后，NOx的排放控制在环保要求的标准之内，并且在运行过程中尽量减少NOx的排放量，降低脱硝的运行成本，但是也要兼顾对锅炉效率、高温腐蚀等对经济性和安全性运行的影响［10］。对不同的磨煤机运行组合方式、不同的配方式、不同的运行氧量等主要指标的正交试验，摸索机组的最佳运行优化调整方式。在300 MW负荷下，通过变SOFA开度试验，可以得出SOFA开度与NOx的关系曲线如图3所示。

图2 300 MW负荷炉膛氧量与NOx的关系曲线

图3 300 MW负荷SOFA开度与NOx的关系曲线

(3)水冷壁进行防结焦、腐蚀材料喷涂

对于燃烧器改造前结焦严重的锅炉会有所改善，主燃烧区的温度有所下降，炉内的温度分布更加均匀，使得水冷壁的沾污结焦情况减少，通过对水冷壁的喷涂，消除结焦现象，并且高温腐蚀的情况也得到解决。

6 结 论

通过燃烧过程中进行优化运行，控制NOx的排放在合理的水平，并通过燃烧后对生成物排放的控制，达到国家要求的排放标准。低氮燃烧器改造后对机组的经济性造成一定的影响，通过燃烧优化运行调整、合理控制炉膛氧量以及控制煤粉细度，解决机组运行中存在的问题。使得低氮燃烧器改造后的机组主要指标能够控制到同类机组设计的最高标准。

［1］毕夏，等.低碳背景下我国新能源行业现状及发展前景分析［J］.东北电力大学学报，2012，32(5):86－90.

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［3］岑可法，姚强.燃烧理论与污染控制［M］.北京:机械工业出版社，2004.

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［5］应凌俏，曹欣玉，牛志刚.烟煤热解过程中氮的释放特性研究［J］.煤炭学报，2004，29(1):101－104.

［6］周国民.燃煤锅炉NOx排放特性及其燃烧优化［J］.锅炉技术，2006，37(3):77－80.

［7］张文景，黄郁明，张书谨.大型机组再热器温调节手段研究［J］.热能动力工程，2002，17(3):195－198.

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