李怀强 廖绮华
广东红海湾发电有限公司 广东 汕尾 516600
摘要：本文介绍了NOX生成机理及低NOx燃烧技术，指出低NOx燃烧器改造后运行的核心是控制炉内局部区域的空燃比。介绍了超超临界机组锅炉进低NOx燃烧器改造的方案。探讨了低NOx燃烧器改造后锅炉的优化控制以度对锅炉经济性的影响。本文可为国内燃煤锅炉低NOX燃烧器的改造及优化运行提供借鉴。
关键词：超临界直流锅炉；低氮燃烧器；燃烧优化
1.概述
我国火力发电以燃煤发电为主，燃煤发电过程中产生的从多气态污染物中，氮氧化物危害很大且很难处理。煤在燃烧过程中产生的氮氧化物主要包括一氧化氮（NO，无色）、二氧化氮（NO2，红棕色）、一氧化二氮（N2O）、等。作为空气污染物的氮氧化物（NOx）常指NO和NO2，其都是有毒气体。氮氧化物与空气中的水反应生成的硝酸和亚硝酸是酸雨的成分。
因此，为防止NO2及其引起的光化学烟雾的危害，必须抑制煤炭等燃料燃烧时氮氧化物的生产量。
2.NOx生成机理
煤燃烧产生的氮氧化物主要有两部分：一部分是燃烧时空气带进来的氮，在高温下与氧反应所生成的NOX，称为“热力NOX”；另一部分时燃料中固有的氮化合物经过复杂的化学反应所生成的，称为“燃料NOX”。
空气中的氮在燃烧室的高温下被氧化成NO的机理相当复杂，一般认为按下链式反应进行：
O2→2O (1)
N2+O→NO+N (2)
O2+N→NO+O (3)
“热力NOx”生成量与反应区的温度、反应区内氮氧的浓度以及反应时间有关，尤其是温度对热力型NOx的生成影响最大。实际上在1350 ℃以下，热力型NOx生成量很少，但随着温度的上升，热力型NOx生成量迅速增加，温度达1600 ℃以上时，热力型NOx占NO生成总量的25%～30%。
3.NOx的控制方法
根据NOx生成机理可知，在燃料既定的情况下，控制燃料燃烧过程中NOx产生可采取的主要措施有：一、低过量空气燃烧；二、空气分级燃烧；分级燃烧分为燃烧器出口分级配风和二次风垂直分级。
4.红海湾电厂的低氮改造
4.1.设备概况
红海湾电厂3号炉为超超临界、中间一次再热、燃煤强制循环锅炉。全炉共36只旋流燃烧器，分三层布置在前后墙上，每层6只；同时在前、后墙各布置一层燃尽风喷口，其中每层4只侧燃尽风（SOFA）喷口，12只燃尽风（OFA）喷口；采用中速磨煤机，A层微油点火。脱硝入口NOX平均排放浓度在高负荷时超过350mg/Nm3，同时烟气中飞灰含碳及CO排放浓度也偏高等问题。
4.2.燃烧系统改造方案
30只常规煤粉燃烧器（A层微油燃烧器不改造）数量和位置保持不变，燃烧器组件根据改造后的风量及风速进行匹配设计。改造后燃烧器一次风扩锥及一次风筒前端（900mm）均采用铸件形式。一次风扩锥与风筒之间采用螺栓连接，扩锥角度由45°改为25°，带翻边；二次风扩锥角度由45°改为30°。对新设计的每只煤粉燃烧器增加空气冷却风系统，保证燃烧器在停运状态时有可靠的冷却措施。
为强化全炉膛高度方向的深度分级燃烧，有效控制NOX，在原设计燃尽风标高的上方新增加一层直流燃尽风（前、后墙各6只），新增的每只燃尽风喷口设置水平摆动装置。设计新增的燃尽风引自于大风箱。
5.改造后的运行优化调整
锅炉燃烧器改造完成后进行热态调试, 通过锅炉将近10天的运行观察，脱硝入口NOx在50%TRL以上基本是线性关系，因此在高负荷调试更有意义。本次调试均在额定负荷660MW工况进行，调试过程中主要关注NOx、CO、飞灰含碳、壁温。
5.1.基础工况测试
机组负荷加至660MW，测试运行氧量、NOx、飞灰含碳。此工况燃烧器、燃尽风小风门都为全开状态。
NOx浓度A侧脱硝入口280mg/m3、脱硝出口4.0%，氧量B侧脱硝入口288mg/m3、脱硝出口氧量4.6%。就地脱硝入口实测烟气成分如下表
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从基础工况的测试数据看，炉宽氧量分布呈现出炉膛中间氧量高靠侧墙氧量低的规律，对应侧墙CO较中间稍高，在低氧量状态下CO的分布规律将更为明显。下层OFA挡板左右侧开度有偏差的状态下右侧氧量偏低为4.2%，左侧氧量高为4.5%，单从左右侧氧量追求平衡的角度讲左右侧OFA开度最好一致。日常运行氧量偏大，平均为4.37%，总风量为2228T/H，排烟损失大且风机电耗大。
5.2.改变燃尽风量率对NOx影响
在工况0的基础上将未全开的两层OFA挡板全开，增加燃尽风率，并调整上层OFA偏转角及下层OFA燃尽风的旋流风，期望提升两侧烟气中氧量。 实测烟气成分如下表：
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从图中可以看出，调整后两侧氧量依然偏低，虽然整体CO不高，但氧量低的位置CO 含量较高，存在局部燃烧不完全的问题。与基础相比，NOx没有明显变化。
5.3.降低锅炉氧量对NOx影响
通过前两个工况可知，锅炉运行氧量偏大，飞灰含碳量比较低，为追求更好的效率及NOx排放，将总风量从2200t/h左右降为2100t/h左右，配风方式不变同（风门全开），降低锅炉送风量后，出口有一定CO，脱硝出口氧量A、B侧分别为2.4%、2.8%，省煤器出口氧量平均0.75%、1.6%。实测烟气成分如下表：
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由测试数据可知，降低总风量后NOx有所下降，但平均氧量仍有2.8%，所以下降幅度不大，氧量下降后CO生成量明显上升，在500到1000mg/m3范围内波动。因此针对CO上升需要进行必要燃烧器外二次风调整，强化燃烧降低CO。
5.4.调整燃烧器外二次风对NOx影响
本工况主要是针对降低锅炉送风量后CO有所上升，做了燃烧器外二次风的调整，以期降低CO，为整体进一步降低总风量和配平烟量分布打基础。调整中间四只燃烧器外二次风后CO明显下降，有1000mg/m3降低为100 mg/m3左右，表明旋流强度增大后卷吸增强，煤粉燃烧速度和强度更大。NOx有上升趋势。横向烟气成分分布见下表，调整外二次风开度并无改善，和冷态试验结果吻合，且调整后风机出口压头无增加，表明外二次风此开度下并无节流。
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实测数据也表明，调整外二次风后CO较前一个降低氧量工况有明显下降，但NOx上升明显，因此，外二次风调小后强化了燃烧但不利于控制NOx。飞灰含碳没有明显变化。
6.结论：
燃烧器改造后NOx下降明显，在机组满负荷时使用燃烧器设计煤种可以控制在240-280mg/m3之间，飞灰含碳量低，都低于1.5%。从改变燃尽风率看，燃尽风率的改变对NOx影响不是特别明显，主要原因为锅炉氧量分布明显不均衡，局部氧量过低导致锅炉总体氧量偏大，燃烧区域氧量充足。根据外二次风调整试结果看，燃烧器外二次风的旋流强度对NOx及CO影响明显，燃烧器外二次风角度减小，旋流强度增大，强化燃烧，CO趋于好转，而NOx上升，正反两个方向都证明了这个规律。从壁面氛围测试结果看，越靠近侧墙中心H2S含量越高，侧墙水冷壁存在严重腐蚀风险。侧墙区域氧量对H2S生成量有明显抑制作用，因此，侧墙区域补风理论上可以防止或减缓水冷壁腐蚀，建议后续添加贴壁风。
参考文献
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