低氮燃燒器改造及應注意的問題

張圣偉，陳繼學，洪 民，朱曉強

（浙江桐鄉濮院協鑫環保熱電有限公司，桐鄉314501）

近幾年國家頒布了新的環保標準，對電站鍋爐的NOx排放指標更加嚴格。為此桐鄉濮院協鑫環保熱電有限公司對90t／h煤粉鍋爐進行了低氮燃燒器改造，收到了良好的效果。

1 鍋爐概況

鍋爐為SG－90／5．3－M499型次高壓、單鍋筒、自然循環汽包爐；設計煤種為煙煤；制粉系統為中間倉儲式、熱風送粉、正四角直流式燃燒器。

鍋爐主要設計參數和基本尺寸見表1。煤質資料見表2。

表1 鍋爐主要設計參數及基本尺寸

表2 煤質資料

原燃燒方式為正四角切向燃燒，燃用煙煤。采用二層一次風集中布置，熱風送粉，噴口布置自上而下順序為三、二、二、一、一、二。燃燒器法蘭中心標高為8 655mm。下排二次風布置了油槍，作為點火及低負荷穩燃和沖管用。在燃用設計燃料時，50%以上負荷可不投油穩燃。

燃燒器設計參數：一次風溫159℃，一次風率25%；二次風溫約295℃，二次風率55%；三次風溫60℃，三次風率20%。

原鍋爐煙氣排放的NOx質量濃度為780～820mg／m3，同時存在爐內結焦現象。為了降低改造投資，主要進行低氮燃燒器改造。

2 低氮燃燒器改造方案

NOx主要有燃料型、熱力型及快速型三種［1］：燃料型NOx生成量約占60%～80%，是低NOx燃燒器控制的主要對象；其次是熱力型NOx，主要由于爐內局部高溫造成，其生成量約占10%～15%，應采用適當措施加以控制；而快速型NOx生成量很少。在鍋爐燃燒中采取的控制措施主要降低燃料型及熱力型的NOx生成。

2．1 結構與布置

改造后的低氮燃燒器采用四角切圓布置，見圖1。

圖1 燃燒器布置（單位：mm）

90t／h鍋爐采用低NOx燃燒器，燃燒器的噴口重新進行布置，自上而下的順序為二、二、三、二、一、二、一、二；新命名為F層、E層、D層、C層、B層、AB層、A層、Y層。燃燒器法蘭中心標高為8 655mm。下排二次風口內布置了油槍。

燃燒器噴嘴設計參數見表3。

表3 燃燒器噴嘴設計參數

2．2 燃燒區域分類

采用分級燃燒方法，將爐膛自下而上的分成三個燃燒區域，分別為主燃燒區、再燃區和燃盡區。

2．2．1 主燃燒區

主燃燒區域由A層和B層煤粉噴嘴和相鄰的上下二次風噴嘴（Y層和C層）組成。

在此區域內采用了低過量空氣系數方法，使燃燒盡可能在接近理論空氣量的條件下進行。隨著煙氣中氧氣體積分數φ（O2）的減少，從而抑制NOx的生成。在此階段，將從主燃燒器供入爐膛的空氣量減少到總助燃空氣量的60%～70%，使燃料先在（缺氧的）富燃料條件下燃燒，過量空氣系數取α＜1，因而降低了燃燒區內的燃燒速度和溫度水平。這不但延遲了燃燒過程，而且在還原性氣氛中降低了生成NOx的反應率，抑制了NOx的生成量。但是如果爐內氧氣質量濃度過低，會造成煤粉質量濃度急劇增加，增加化學不完全燃燒熱損失，引起飛灰含碳質量分數增加，燃燒效率下降。因此在鍋爐設計和運行時，應通過調節裝置選取最合理的過量空氣系數。

同時對一次風煤粉噴嘴的布置和結構重新進行設計，提高噴嘴出口處局部的煤粉質量濃度，增強噴嘴出口煤粉與空氣接觸的面積和氣流卷吸熱煙氣的能力。保證煤粉氣流在低氧狀況下的著火能力，抑制燃料型NOx的生成。A層和B層煤粉噴嘴的四周增加有周界風，當煤種變化時可以調節周界風量來控制煤粉的著火時間。

底部的Y層噴嘴（安裝了點火和穩燃用的油槍），通常作為二次風噴嘴，能托住煤粉，防止掉粉。

中間的AB層二次風噴嘴用于調節燃燒時的空氣量，采用低氧燃燒時可以全關。為了有效地降低NOx排放質量分數，主燃區是關鍵，必須將煤粉噴嘴集中布置，使煤粉集中燃燒。

2．2．2 再燃區域

再燃區域由C層和D層噴嘴組成。

C層二次風噴嘴用于調節燃燒中期的空氣量，其風門開度可根據燃燒的需求進行控制，采用低氧燃燒時可以關小風量。

D層噴嘴作為三次風噴嘴，采用可以上下擺動的結構，根據燃燒情況改變噴射的角度和控制再燃區域的φ（O2），來降低NOx的生成。

在此區域應利用調節空氣和燃料量的方法，達到分級燃燒的目的，使燃料的燃燒過程分階段完成。這一方法彌補了一級主燃燒區域的低過量空氣燃燒的缺點。在第一級燃燒區內的過量空氣系數越小，抑制NOx生成的效果越好；但不完全燃燒產物越多，導致燃燒效率降低、引起結渣和腐蝕的可能性越大。因此為保證既能降低NOx質量分數，又能保證鍋爐燃燒的經濟性和可靠性，將部分燃料（其余15%～20%的燃料）送入主燃燒器上部的二級燃燒區（再燃燒區），在α＜1的條件下形成很強的還原性氣氛，使得在一級燃燒區中生成的NOx在二級燃燒區內被還原成N2。在再燃區域（送入二級燃燒區的燃料又稱為二次燃料，或稱再燃燃料），不僅使已生成的NOx得到還原，還抑制了新的NOx的生成，使NOx質量分數進一步降低。通過調試，采用燃料分級可使NOx質量分數降低50%以上。

2．2．3 燃盡區域

燃盡區域由E層和F層噴嘴（即SOFA噴嘴）組成。

將E層和F層噴嘴與主燃燒器拉開一定的距離，即在再燃區的上面布置二次風噴口，形成第三級燃燒區域，以保證再燃區中未完全燃燒產物的燃盡。設計的燃燒器噴嘴可以單獨上下擺動，又可水平擺動，使噴嘴出口的空氣既可以控制噴射進入燃燒區域的方向和時間，又可以調整燃燒旋轉氣流的大小，還可以調節噴射氣流的大小，增加了燃燒調整的手段。

SOFA噴嘴的上下擺動非常重要，可對爐內火焰中心標高進行調整，同時能保證碳的及時燃盡；SOFA水平擺動可以消旋，在鍋爐運行中對調節爐膛出口的煙溫偏差作用明顯。

2．3 一、二次風采用正、反切圓

為了更好地達到降低NOx排放質量濃度的效果，在主燃燒區域采用了一、二次風正、反切圓的技術，其主要作用是：

（1）將一次風煤粉氣流與二次風氣流相差一個角度噴入爐膛，使煤粉及時地進入高溫區著火，實現低氧燃燒，可有效抑制燃燒初期的NOx生成，增加煤粉顆粒在爐膛內的停留時間。利用一、二次風射流方向的差異，加大煤粉燃燒中后期與空氣的混合，降低飛灰可燃物質量分數。

（2）已著火的煤粉氣流被二次風卷吸，進入主氣流旋轉方向，使之能得到大量的O2補充，正好達到分級燃燒的目的。

（3）由于二次風氣流的切圓大，可在鍋爐爐膛的四周形成一圈氧化性氣氛，對防止結焦和防止爐膛水冷壁的高溫腐蝕極為有利。

3 熱態調試及結果

低NOx燃燒試驗于2013年2月進行。在鍋爐調試運行中首先關閉A層和B層煤粉噴嘴的周界風，并且關小AB層二次風（采用低過量空氣系數），使主燃燒區域的燃燒過程盡可能在接近理論空氣量（α＜1）的條件下進行；隨著煙氣中過量氧的減少，就抑制了NOx的生成。

然后對C層二次風噴嘴的風門開度進行調節，主要是控制再燃燒區域的φ（O2），同時對D層三次風煤粉噴嘴進行擺動調節，控制噴嘴氣流的噴射方向和時間，調整燃燒區域的溫度和再燃燒的時間，使部分已生成的NOx被還原。

其次對E層和F層二次風（SOFA）噴嘴的風門開度進行調節，主要是控制燃盡區域的φ（O2）。通過調整發現：要降低NOx質量濃度，E層和F層SOFA風門開度對燃燒的影響很大，關小SOFA風門時，NOx質量濃度增加；開大E層和F層風門擋板時（開度＞80%）可以降低NOx質量濃度，曾經使NOx質量濃度降低到200mg／m3以下。

通過低氮燃燒器改造后，鍋爐運行中基本上可以將NOx質量濃度控制在250mg／m3以下。

在低氮燃燒器改造之后的鍋爐運行中，爐膛出口的兩側煙溫曾經出現偏差較大（大于60K），這是由于燃燒切圓的旋轉殘余力矩大而引起的。通過調整頂部二次風噴嘴的噴射方向進行反切消旋后，降低了爐膛出口的兩側煙溫偏差（在30K內）。

4 結語

低氮燃燒器改造之后，在鍋爐運行中發現：在第一級燃燒區內的過量空氣系數越小，抑制NOx的生成效果越好，但不完全燃燒產物越多，會導致燃燒效率降低、引起結焦和腐蝕的可能性增大。因此為保證既能減少NOx的排放，又保證鍋爐燃燒的經濟性和可靠性，必須正確組織空氣分級送風的過程，不能片面追求NOx的降低。

對于不同的煤種，燃燒條件的不同、鍋爐負荷的不同、燃燒溫度的變化、所需的空氣量不同，NOx的生成量將會變化，所以鍋爐運行操作應該相應地變化，而降低NOx生成量的方法主要還是靠燃燒調整。在本次低氮燃燒器改造中還增加了許多新的調節功能，如改善二次風門的調節裝置、噴嘴的水平和上下擺動功能，增加周界風等，都是為了方便調控。

在鍋爐運行中三次風對燃燒的影響很大，關掉或減少三次風時，爐膛的燃燒和排放就會得到改善，增大三次風時就會使爐膛出口煙溫升高，這是因為三次風中的煤粉使鍋爐爐膛的燃燒延長，在今后的改造中將進一步研究和改進三次風噴嘴的設計布置，以達到更好的效果。

［1］馮俊凱，沈幼庭 ．鍋爐原理及計算［M］．2版．北京：科學出版社，1992．