0、前  言
    燃煤鍋爐產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)給環(huán)境造成了很大的危害，尤其是大型火電廠鍋爐。湘潭電廠是湖南省湘中電網(wǎng)大型區(qū)域性燃煤火力發(fā)電廠，位于長潭株省電力負(fù)荷中心，地處湘江人口稠密的城區(qū)，安裝有2臺HG-1025/18. 2-WM10型鍋爐，設(shè)計燃料為貧煤與無煙煤的混煤，設(shè)計煤種年耗煤量324.96萬t，該工程1，2號機組分別于1998年1月、9月移交生產(chǎn)投入商業(yè)營運。
    為了保護人類賴以生存的環(huán)境，達到GB13223-96《火力發(fā)電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，有必要研究電站鍋爐高效低NOx燃燒技術(shù)，控制電廠鍋爐NOx排放。
1、鍋爐概況
    該鍋爐系哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)，主要設(shè)計參數(shù)見表1，設(shè)計煤質(zhì)特性見表2。
    該爐燃燒器煤粉噴嘴自下而上分5層布置，輔助風(fēng)噴嘴（即二次風(fēng)）與煤粉噴嘴相間布置，整組燃燒器高9. 681 m。采用雙通道大速差燃燒器和WR燃燒器，上部3層為WR燃燒器，可以上下擺動20°；燃盡風(fēng)噴嘴可以單獨手動上擺30°、下擺5°；二次風(fēng)及上數(shù)第1層油噴嘴可上下30°擺動，以此來改變火焰中心的位置。下部為2只雙通道大速差燃燒器。采用一、二次風(fēng)同心逆時針方向切圓，假想切圓直徑∮878 mm，三次風(fēng)下傾7。，旋轉(zhuǎn)方向與一、二次風(fēng)旋向相反，用來平衡爐膛出口氣流殘余旋轉(zhuǎn)，減小水平煙道兩側(cè)熱偏差。制粉系統(tǒng)采用中間儲倉式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)，配4臺DTM350/700鋼球磨煤機，富通新能源銷售生產(chǎn)生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
2、鍋爐高效低NOx燃燒技術(shù)（改造）方案
2.1為提高分級程度，將部分熱風(fēng)（二次風(fēng)）改由三次風(fēng)的冷卻風(fēng)管通過三次風(fēng)噴口送入爐膛。將三次風(fēng)管的冷卻風(fēng)管由∮59 mm×4.5 mm增大到∮273 mm×5 mm后，截面積增大，三次風(fēng)率從14%增加到23.3%。由于三次風(fēng)率加大，三次風(fēng)口以下處于高溫還原區(qū)，有利于對NOx的還原。
2.2調(diào)整燃盡風(fēng)擺動角度，將燃燒器中的燃盡風(fēng)擺動角度上調(diào)至+5°。
2.3在雙通道燃燒器中部開V型槽，防止雙通道燃燒器變形、燒損。
2.4爐內(nèi)衛(wèi)燃帶的改造與調(diào)整。該鍋爐原設(shè)計衛(wèi)燃帶280 m2，燃燒器區(qū)域基本上布有衛(wèi)燃帶，根據(jù)鍋爐運行情況，將衛(wèi)燃帶面積減少至150m2，并調(diào)整衛(wèi)燃帶敷設(shè)位置。
3、高效低NOx排放特性試驗
3.1試驗煤質(zhì)
    從表2可以看出，改造前后試驗燃用煤質(zhì)特性
與設(shè)計燃料特性相近，為貧煤。
3.2 -次風(fēng)速對NOx和鍋爐效率的影響
    變一次風(fēng)速是指在負(fù)荷為300 MW時，保持其它參數(shù)都不變時，通過改變一次風(fēng)總風(fēng)壓來調(diào)整一次風(fēng)風(fēng)速。從圖1 (a)中可以看出，NOx排放濃度隨著一次風(fēng)速降低而降低。因為一次風(fēng)速降低，導(dǎo)致煤粉氣流與二次風(fēng)的混合延遲，而且煤粉氣流的著火熱減少，煤粉著火提前，相當(dāng)于延長了煤粉氣流在富燃區(qū)的停留時間，所以NOx減少。但一次風(fēng)速對效率的影響比較復(fù)雜。風(fēng)速減小時，盡管煤粉氣流著火熱減少，著火提前，但由于一次風(fēng)噴口，特
別是雙通道燃燒器出口的回流區(qū)存在，減弱了一次風(fēng)氣流的剛性，一次風(fēng)煤粉氣流難以到達爐膛深處，與二次風(fēng)混合不好，會造成煤粉離析現(xiàn)象，機械未完全燃燒熱損失q4會增加，而一次風(fēng)速太高，一次風(fēng)粉氣流著火熱增加，煤粉著火推遲，爐內(nèi)停留時間縮短，煤粉燃燒不完全，q4也會增加。一次風(fēng)速改變對排煙熱損失q2影響不大，所以對本試驗鍋爐效率存在某最佳風(fēng)速，實驗證明一次風(fēng)速為22.2 m／s時最佳。
    改造后，由于三次風(fēng)冷卻風(fēng)的投入，分級程度加大，NOx有明顯降低，但由于燃燒前期過分缺氧，造成飛灰、爐渣含碳量略有增加，鍋爐效率有所降低。
3.3  二次風(fēng)配風(fēng)方式對NOx和鍋爐效率的影響
    試驗在300 MW負(fù)荷下進行，保持人爐總風(fēng)量不變，一次風(fēng)風(fēng)速不變，只改變二次風(fēng)、燃盡風(fēng)開度來改變二次風(fēng)配風(fēng)方式。從NOx排放方面來看，采用倒寶塔型配風(fēng)方式效果最好，這是因為主燃燒器區(qū)域的氧濃度降低，既能降低主燃燒區(qū)域的火焰溫度，又能抑制燃料氮形成的中間產(chǎn)物與氧反應(yīng)，所以熱力NOx和燃料NOx都受到抑制。但采用倒寶塔型配風(fēng)，由于燃燒器區(qū)域下部風(fēng)量小，容易掉粉，灰渣熱損失增加，而且影響燃盡。綜合而言，采用縮腰型配風(fēng)方式最好，不僅NOx降低很明顯，僅次于倒寶塔型配風(fēng)方式，而且q2和q4損失也不大。
3.4  過剩空氣系數(shù)（氧量）對NOx和鍋爐效率的影響
    過量空氣系數(shù)是通過改變送風(fēng)機動葉來調(diào)整的，通過空氣預(yù)熱器出口的煙氣含氧量來控制，保持各風(fēng)門開度不變。試驗在300 MW負(fù)荷下進行。從圖2(a)可以看出，無論改造前或改造后，隨著過量空氣系數(shù)增加，NOx排放量呈單調(diào)增加趨勢，這是因為燃燒區(qū)域氧量增加，爐內(nèi)溫度升高，熱力NOx生成量增加；同時，燃燒區(qū)域氧濃度的增加也為燃料氮的中間產(chǎn)物與氧反應(yīng)提供了可能性，燃料NOx的生成量隨之增加，所以總的NOx排放量增加。而過量空氣系數(shù)增加時，飛灰可燃物減少，q4損失降低；另外煙氣量的增加導(dǎo)致?lián)p失增加，最后結(jié)果是，改造前，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1. 25時，q2+q4損失最小。而改造后由于分級程度加大，總的損失略有增加。
3.5  鍋爐負(fù)荷對NOx和鍋爐效率的影響
    如圖2(b)所示，隨著負(fù)荷的降低，人爐煤量逐漸減少，爐內(nèi)溫度有所降低，熱力NOx降低，但由于爐內(nèi)過量空氣系數(shù)增加，燃料NOx排放增加，所以總的NOx變化不大。當(dāng)負(fù)荷從300.12 MW降低到240.4 MW時，鍋爐熱效率變化不大，但進一步降低至212.5 MW時，qz+q4損失有所增加。相對于改造前，改造后總的熱損失有所增加，NOx明顯降低。
3.6  磨煤機投停對NOx和鍋爐效率的影響
    磨煤機投停對NOx排放有一定影響。當(dāng)磨煤機增投時，無論是改前改后，NOx排放量都變小。當(dāng)從2臺磨變?yōu)?臺磨時，改造前的NOx排放從964. 84 mg/m3降低到883. 36 mg/m3，改后情況變化幅度稍小，從795. 20 mglm3變化到770.0 mg／m3。這是因為磨煤機投運時，三次風(fēng)的投入相當(dāng)于形成了分級燃燒，同時含煤粉的三次風(fēng)還可以還原已生成的NOx，而且風(fēng)量越大，分級程度越大，NOx排放量降低幅度越大，但三次風(fēng)加大，燃燒延遲，q4損失增大。
3.7燃盡風(fēng)對NOx和鍋爐經(jīng)濟性的影響
    試驗是在改造后進行的，鍋爐負(fù)荷為300 MW，配風(fēng)采用縮腰型配風(fēng)方式。上層燃盡風(fēng)門開度從65%增大到90%，下層燃盡風(fēng)門開度從55%增大到60%，上層二次風(fēng)風(fēng)門開度相應(yīng)減小，一次風(fēng)周界風(fēng)及其它二次風(fēng)風(fēng)門開度不變，維持人爐總風(fēng)量不變。如表3所示，增大燃盡風(fēng)后，分級程度略有加大，NOx降低不多，鍋爐效率略有提高，這可能是燃盡風(fēng)率增加而噴口截面積不變，風(fēng)速加大，后期混合更好，因此未燃盡碳損失降低。
3.8  煤粉細(xì)度對NOx和鍋爐效率的影響
    試驗是在改造后進行的，鍋爐負(fù)荷維持300 MW，二次風(fēng)配風(fēng)方式保持縮腰型配風(fēng)，入爐總風(fēng)量基本保持不變。見表3，煤粉細(xì)度增加，q4下降，過量空氣系數(shù)變小，q2也略有下降，所以熱效率是增加的。不分級情況下，煤粉越細(xì)，NOx排放量增加，但試驗是在分級情況下進行，由于煤粉變細(xì)，表面積加大，對NOx的還原增強，所以NOx是降低的。這充分說明在分級燃燒時，可以通過采用細(xì)煤粉來補償因分級帶來的燃燒效率降低問題。
3.9  給粉機各層煤粉量分配對NOx和鍋爐效率的影響
    本試驗是在改造后進行的，從表3中可以看出，當(dāng)煤粉上少下多時，降低了火焰中心位置，延長了煤粉在還原區(qū)的停留時間，所以NOx排放量降低，q4下降，這主要是煤粉的燃盡時間也延長了。
3. 10三次風(fēng)的冷卻風(fēng)投停對NOx和鍋爐效率的影響
    試驗是在改造前進行的，增投冷卻風(fēng)實際上也是分級程度的增大，因為冷卻風(fēng)是由下部二次風(fēng)箱引入的，冷卻風(fēng)增加，相當(dāng)于下部二次風(fēng)量減少，分級越明顯，所以NOx是降低的。由于三次風(fēng)出口風(fēng)速加大，加強了爐內(nèi)后期混合，鍋爐效率變化不大，見表3。
4、結(jié)束語
4.1  當(dāng)三次風(fēng)管的冷卻風(fēng)管由∮159 mm×4.5 mm增大到∮273 mm×5 mm后，截面積增大，三次風(fēng)冷卻風(fēng)量增大，分級效果增強，所以NOx排放下降了約100 mg/m3，而效率略有降低，證明改造是有效果的。
4.2一次風(fēng)速對NOx有一定影響，存在最佳風(fēng)速；二次風(fēng)配風(fēng)方式對NOx影響明顯，倒寶塔配風(fēng)最為有利，同時考慮鍋爐效率和低NOx排放，推薦采用縮腰型配風(fēng)方式，如果把上部燃盡風(fēng)增大，效果更好；總風(fēng)量增大，NOx排放單調(diào)增加，由于總風(fēng)量變化幅度不大，對鍋爐效率影響不大；負(fù)荷降低，爐內(nèi)過量空氣系數(shù)增加，NOx增加；煤粉層分配采用上少下多的方式，以及采用提高煤粉細(xì)度對降低NOx和提高效率有明顯的好處；磨煤機投運，由于三次風(fēng)的投入，NOx是降低的；三次風(fēng)冷卻風(fēng)的投入也可降低NOx排放。
4.3在現(xiàn)有條件下，在維持高效率的同時減少NOx的排放，可以采用如下綜合措施：維持最佳人爐總風(fēng)量，采用最佳一次風(fēng)速，二次風(fēng)配風(fēng)呈縮腰型配風(fēng)，并開大燃盡風(fēng)量，磨煤機3套投入運行，并投入三次風(fēng)冷卻風(fēng)，給粉量采取下多上少，并提高煤粉細(xì)度。這樣，NOx排放可降至760 mg/m3，即比原來降低20%左右，燃燒效率仍可維持原有的較高水平。