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【摘 要】由于NOx排放浓度高，托电公司对4号炉燃烧器进行改造，安装了由哈工大燃烧工程研究所设计的低NOx燃烧器，本文对其进行简要介绍与分析，希望对从事本行业同仁有所帮助。
【关键词】NOx；低氮燃烧；燃尽风
随着NOx排放污染的日趋严重，国家将于“十二五”期间加大对NOx排放的控制力度，并颁布了《火电厂氮氧化物防治技术政策》。托电公司利用2011年大修机会对4号机组进行了低NOx燃烧器的改造，现在对这次改造情况进行简要介绍。
1.NOx的形成
在锅炉燃烧过程中，主要通过两种形式生成NOx，即热力型NOx和燃料型NOx。热力型NOx是空气中的氮在高温下氧化产生的，炉膛温度高于1500℃时才生成大量的NOx。固态排渣煤粉炉炉膛温度一般低于1500℃，煤粉燃烧产生的NOx中热力型NOx所占份额不大，一般情况下，热力型NOx只占NOx总生成量的10～20%，其余80～90%为燃料型NOx。
燃料型NOx是燃料中含氮有机物在燃烧过程中热裂解产生的N、CN、HCN、NHi等中间产物基团氧化生成的。由于燃料中热裂解温度低于锅炉燃烧温度（600～800℃发生热裂解），燃料型NOx的生成比分解空气中的N2分子并重新结合成NOx所需的温度低得多。热裂解出来的含氮基团紧接着会和O、O2、OH等反应生成燃料型的NOx。在缺氧条件下则会和NO反应生成N2，生成的N2只要温度不太高一般不会和氧反应生成NOx。因此燃料裂解出含氮基团后，火焰中是否有富余的氧是能否生成NOx的一个重要因素。
2.低氮燃烧器原理
煤粉喷入位置正对中心回流区的中心部分，增加了穿过回流区的煤粉量，并延长了煤粉在回流区的停留时间。使煤粉在还原性气氛中燃烧，延长在还原性气氛中的停留时间，可有效抑制NOx的形成。中心回流区为低氧还原性气氛区，有利于抑制燃料型NOx的形成。二次风分成了内外旋流二次风两部分，通过调节风门挡板开度，可改变二次风分级燃烧的程度。
浓淡燃烧与二次风分级燃烧相结合，可实现最大限度的低NOx燃烧。同时，在炉膛上部加开OFA喷口，实现了炉内轴向空气分级燃烧，降低了主燃区过量空气系数，使主燃区还原性气氛增强，可进一步降低烟气中NOx的排放量。
中心给粉旋流煤粉燃烧器在径向上实现了浓淡分级，产生了中心浓，四周淡的煤粉浓淡效果。煤粉集中在燃烧器的中心区域，有效地防止煤粉被甩到两侧墙上，增强了两侧墙水冷壁附近的氧化性气氛。有效地防止两侧墙水冷壁因实现炉内轴向空气分级后导致主燃区过量空气系数降低而产生的高温腐蚀问题。
中心给粉旋流煤粉燃烧器形成了高温、高浓度区域，可以使煤粉适时着火，保证了煤粉的燃烧时间。同时，一次风量没有改变，保证了煤粉燃烧所需的一次风。由于加装燃尽风喷口，主燃区烟气流量减小，导致炉膛截面烟气流速降低，进而延长了煤粉在炉膛内的停留时间，有助于煤粉的燃尽；中心给粉燃烧器的颗粒被浓缩后，由燃烧器中心喷出，具有较小的切向、径向速度，大部分颗粒集中于燃烧器中心燃烧，有利于防止结渣。
3.锅炉改造前状况
托电4号锅炉为北京B&W公司生产制造的亚临界，一次再热，单炉膛平衡通风，单炉筒自然循环锅炉。锅炉型号B&BW-2028/17.5-M。燃烧系统采用中速磨正压直吹制粉系统，配有六台MPS-ZGM123G型磨煤机，前后墙对冲燃烧方式，36只EI-XCL燃烧器，前后墙对称布置三层旋流燃烧器，每层六只。
EI-XCL旋流燃烧器一次风管中存在一个均流装置，使大部分煤粉远离高温回流区，只能在回流区的外边流过，使煤粉的浓度分布和气流的温度分布不匹配，即高温回流区中煤粉很少，其外缘的附近低温区却集中了大量的煤粉，这就使得煤粉在还原性气氛的高温回流区中的停留时间短，不利于煤粉的燃尽和抑制NOx的生成。
4.改造实施方案
1）采用中心给粉旋流煤粉燃烧器技术
将6台磨对应的36只EI-XCL旋流燃烧器全部改为中心给粉旋流煤粉燃烧器，新型燃烧器数量、布置位置及旋转方向均保持不变，燃烧器喷口与水冷壁开孔的密封方式不变，不拆改现有水冷壁。
2）采用可调高位燃尽风技术
在炉膛上部前、后墙标高为36553mm及39910mm处分别开设6个及7个旋流燃尽风（OFA）喷口，加装燃尽风装置，用来进一步降低排烟中NOx的含量。 并为该装置配备二次风风箱，且由新加风道将二次风由母管引入新加风箱。
5.改后运行方式
负荷 燃烧器二次风挡板开度 燃尽风挡板开度 氧量
600MW 运行5台磨
运行磨60～70%，停运磨10% 3台磨一侧上下挡板均为100%
2台磨一侧上层100%下挡60% 1.0 -1.4%
500MW 运行5台磨
运行磨50～60%，停运磨10% 3台磨一侧上层100%下挡60%
2台磨一侧上层80%下挡50% 1.6%-2.2%
450MW 运行4台磨
运行磨60～70%，停运磨10% 前后墙燃尽风均为上层100%下挡60% 4%-4.5%
300MW 运行4台磨
上层2台磨及下层2台磨给煤比例为3：5，上层2台磨及下层2台磨二次风挡板开度分别为40%及45% 前后墙燃尽风上下层均为100% 5%-6.4%
6.改造后的运行效果
300MW 450MW 600MW
托电3号机 414 258 521
托电4号机 229 171 288
上表为托电公司同型号的两台机组在同一时刻烟气中NOx的数据（4号机组低NOx燃烧器改造后），单位为mg/m3。
从上表中不难发现，4号炉改造后的燃烧器大大的降低了烟气中NOx浓度，达到了预期的效果。
下面对4号炉低NOx燃烧器改造前后排烟温度（引风机入口）和减温水量进行对比：
负荷300MW
排烟温度 过热减温水 再热减温水
改造前 94℃ 110～130t/h 0
改造后 112℃ 100～130t/h 0
负荷450MW
排烟温度 过热减温水 再热减温水
改造前 105℃ 130～160 t/h 0
改造后 114℃ 150～180 t/h 0
负荷600MW
排烟温度 过热减温水 再热减温水
改造前 126℃ 170～200 t/h 25 t/h
改造后 131℃ 210～240 t/h 40 t/h
由上表可知，由于低NOx燃烧器的分级燃烧，使炉膛着火中心温度下降，减小了水冷壁吸收辐射热，并且由于分级燃烧，使火焰中心上移，造成在同负荷情况下排烟温度上升，并且使过、再热减温水量有所增加，增加了以吸收烟气对流换热为主的二级过热器及再热器的吸热量，相应管壁温度的有所上升。由于吸收辐射热减小，机组负荷变化时，锅炉跟踪主汽压力设定值得能力下降，使主汽压力摆动增大，增大了过、再热的调节难度。实践证明，高负荷时应适当开大二次风已提高氧量，防止锅炉缺氧燃烧。
7.结语
综上所述，托电4号炉低NOx燃烧器改造使NOx有了大幅下降，但使锅炉排烟温度及过、再热汽管壁温度有所上升，但通过及时调整及加强吹灰等其他调整手段可以使参数维持在正常范围。
【关键词】NOx；低氮燃烧；燃尽风
随着NOx排放污染的日趋严重，国家将于“十二五”期间加大对NOx排放的控制力度，并颁布了《火电厂氮氧化物防治技术政策》。托电公司利用2011年大修机会对4号机组进行了低NOx燃烧器的改造，现在对这次改造情况进行简要介绍。
1.NOx的形成
在锅炉燃烧过程中，主要通过两种形式生成NOx，即热力型NOx和燃料型NOx。热力型NOx是空气中的氮在高温下氧化产生的，炉膛温度高于1500℃时才生成大量的NOx。固态排渣煤粉炉炉膛温度一般低于1500℃，煤粉燃烧产生的NOx中热力型NOx所占份额不大，一般情况下，热力型NOx只占NOx总生成量的10～20%，其余80～90%为燃料型NOx。
燃料型NOx是燃料中含氮有机物在燃烧过程中热裂解产生的N、CN、HCN、NHi等中间产物基团氧化生成的。由于燃料中热裂解温度低于锅炉燃烧温度（600～800℃发生热裂解），燃料型NOx的生成比分解空气中的N2分子并重新结合成NOx所需的温度低得多。热裂解出来的含氮基团紧接着会和O、O2、OH等反应生成燃料型的NOx。在缺氧条件下则会和NO反应生成N2，生成的N2只要温度不太高一般不会和氧反应生成NOx。因此燃料裂解出含氮基团后，火焰中是否有富余的氧是能否生成NOx的一个重要因素。
2.低氮燃烧器原理
煤粉喷入位置正对中心回流区的中心部分，增加了穿过回流区的煤粉量，并延长了煤粉在回流区的停留时间。使煤粉在还原性气氛中燃烧，延长在还原性气氛中的停留时间，可有效抑制NOx的形成。中心回流区为低氧还原性气氛区，有利于抑制燃料型NOx的形成。二次风分成了内外旋流二次风两部分，通过调节风门挡板开度，可改变二次风分级燃烧的程度。
浓淡燃烧与二次风分级燃烧相结合，可实现最大限度的低NOx燃烧。同时，在炉膛上部加开OFA喷口，实现了炉内轴向空气分级燃烧，降低了主燃区过量空气系数，使主燃区还原性气氛增强，可进一步降低烟气中NOx的排放量。
中心给粉旋流煤粉燃烧器在径向上实现了浓淡分级，产生了中心浓，四周淡的煤粉浓淡效果。煤粉集中在燃烧器的中心区域，有效地防止煤粉被甩到两侧墙上，增强了两侧墙水冷壁附近的氧化性气氛。有效地防止两侧墙水冷壁因实现炉内轴向空气分级后导致主燃区过量空气系数降低而产生的高温腐蚀问题。
中心给粉旋流煤粉燃烧器形成了高温、高浓度区域，可以使煤粉适时着火，保证了煤粉的燃烧时间。同时，一次风量没有改变，保证了煤粉燃烧所需的一次风。由于加装燃尽风喷口，主燃区烟气流量减小，导致炉膛截面烟气流速降低，进而延长了煤粉在炉膛内的停留时间，有助于煤粉的燃尽；中心给粉燃烧器的颗粒被浓缩后，由燃烧器中心喷出，具有较小的切向、径向速度，大部分颗粒集中于燃烧器中心燃烧，有利于防止结渣。
3.锅炉改造前状况
托电4号锅炉为北京B&W公司生产制造的亚临界，一次再热，单炉膛平衡通风，单炉筒自然循环锅炉。锅炉型号B&BW-2028/17.5-M。燃烧系统采用中速磨正压直吹制粉系统，配有六台MPS-ZGM123G型磨煤机，前后墙对冲燃烧方式，36只EI-XCL燃烧器，前后墙对称布置三层旋流燃烧器，每层六只。
EI-XCL旋流燃烧器一次风管中存在一个均流装置，使大部分煤粉远离高温回流区，只能在回流区的外边流过，使煤粉的浓度分布和气流的温度分布不匹配，即高温回流区中煤粉很少，其外缘的附近低温区却集中了大量的煤粉，这就使得煤粉在还原性气氛的高温回流区中的停留时间短，不利于煤粉的燃尽和抑制NOx的生成。
4.改造实施方案
1）采用中心给粉旋流煤粉燃烧器技术
将6台磨对应的36只EI-XCL旋流燃烧器全部改为中心给粉旋流煤粉燃烧器，新型燃烧器数量、布置位置及旋转方向均保持不变，燃烧器喷口与水冷壁开孔的密封方式不变，不拆改现有水冷壁。
2）采用可调高位燃尽风技术
在炉膛上部前、后墙标高为36553mm及39910mm处分别开设6个及7个旋流燃尽风（OFA）喷口，加装燃尽风装置，用来进一步降低排烟中NOx的含量。 并为该装置配备二次风风箱，且由新加风道将二次风由母管引入新加风箱。
5.改后运行方式
负荷 燃烧器二次风挡板开度 燃尽风挡板开度 氧量
600MW 运行5台磨
运行磨60～70%，停运磨10% 3台磨一侧上下挡板均为100%
2台磨一侧上层100%下挡60% 1.0 -1.4%
500MW 运行5台磨
运行磨50～60%，停运磨10% 3台磨一侧上层100%下挡60%
2台磨一侧上层80%下挡50% 1.6%-2.2%
450MW 运行4台磨
运行磨60～70%，停运磨10% 前后墙燃尽风均为上层100%下挡60% 4%-4.5%
300MW 运行4台磨
上层2台磨及下层2台磨给煤比例为3：5，上层2台磨及下层2台磨二次风挡板开度分别为40%及45% 前后墙燃尽风上下层均为100% 5%-6.4%
6.改造后的运行效果
300MW 450MW 600MW
托电3号机 414 258 521
托电4号机 229 171 288
上表为托电公司同型号的两台机组在同一时刻烟气中NOx的数据（4号机组低NOx燃烧器改造后），单位为mg/m3。
从上表中不难发现，4号炉改造后的燃烧器大大的降低了烟气中NOx浓度，达到了预期的效果。
下面对4号炉低NOx燃烧器改造前后排烟温度（引风机入口）和减温水量进行对比：
负荷300MW
排烟温度 过热减温水 再热减温水
改造前 94℃ 110～130t/h 0
改造后 112℃ 100～130t/h 0
负荷450MW
排烟温度 过热减温水 再热减温水
改造前 105℃ 130～160 t/h 0
改造后 114℃ 150～180 t/h 0
负荷600MW
排烟温度 过热减温水 再热减温水
改造前 126℃ 170～200 t/h 25 t/h
改造后 131℃ 210～240 t/h 40 t/h
由上表可知，由于低NOx燃烧器的分级燃烧，使炉膛着火中心温度下降，减小了水冷壁吸收辐射热，并且由于分级燃烧，使火焰中心上移，造成在同负荷情况下排烟温度上升，并且使过、再热减温水量有所增加，增加了以吸收烟气对流换热为主的二级过热器及再热器的吸热量，相应管壁温度的有所上升。由于吸收辐射热减小，机组负荷变化时，锅炉跟踪主汽压力设定值得能力下降，使主汽压力摆动增大，增大了过、再热的调节难度。实践证明，高负荷时应适当开大二次风已提高氧量，防止锅炉缺氧燃烧。
7.结语
综上所述，托电4号炉低NOx燃烧器改造使NOx有了大幅下降，但使锅炉排烟温度及过、再热汽管壁温度有所上升，但通过及时调整及加强吹灰等其他调整手段可以使参数维持在正常范围。