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摘 要：介绍了氮氧化物NOx形成机理及低挥发份燃料的浓缩型 EI-XCL 低 NOx 双调风旋流燃烧器燃烧系统改造为低氮燃烧系统技术。探讨了低NOx 燃烧器改造后锅炉的优化控制以及对锅炉经济性的影响。运行氧量降低能够有效降低NOx 的生成，然而却会导致飞灰含碳量的增加。同样地，加大燃尽风量也 能减少 NOx，但飞灰含缓量也会相应增加。在不同的煤质、机组负荷、磨煤机组合的情况下，NOx 的排放也会有所区别。本文可为国内燃煤锅炉低NOx燃烧系统的改造及优化运行提供借鉴。
Abstract] the formation mechanism of nitrogen oxide NOx and the transformation of low NOx double wind swirling combustor with low volatile EI-XCL and low volatile fuel are introduced to low nitrogen combustion system.The optimal control of boiler after retrofitting of low NOx burner and its influence on boiler economy are discussed.The reduction of oxygen content can effectively reduce the formation of NOx，but it will lead to the increase of carbon content in fly ash.Similarly，increasing the amount of burned air can also reduce NOx，but the amount of fly ash will increase correspondingly.Under different coal quality，unit load and coal mill combination，NOx emissions will also be different.This paper can provide reference for the retrofit and optimal operation of low NOx combustion system for coal-fired boilers in China.
关键词：低氮燃烧；NOX 调整
一、前言
近年来，为响应国家“十二五”对火电行业的 NOx 排放控制要求，各电厂积极行动，对现有火电机组进行环保设备改造，以满足环保排放标准。对W型火焰机组，通常采用炉内低氧分级燃烧降低炉膛温度，实行煤粉分级燃烧，但炉膛低温燃烧势必会对煤粉燃烧效率产生影响，增加飞灰含碳量，本文以典型燃烧器改造为例，分析锅炉改造为低氮燃烧器后的飞灰控制，采取有效措施减少低氮燃烧系统改造对锅炉效率的影响。
本文首先介绍了中煤晋城热电有限公司2 台 300 MW 机组进行低氮NOx 燃烧系统改造的情况。在摸索运行经验的基础上提出了低氮NOx 燃烧工况下的锅炉优化控制与调整方法，再请专业实验机构检测，调整效果达到机组效率设计值。在合理降低 NOx 排放的 同时尽可能地保证锅炉的经济性，可为国内燃煤 锅炉低 NOx 燃烧系统改造及优化运行提供借鉴。
二、低 NOx 燃烧技术
1、NOx 生成机理
NOx 的生成机理共有三种类型的NOx。一是燃料型，即燃料中的氮化合物在燃烧 过程中热分解之后又氧化而形成的NOx占总量的80%-90%，这部分 NOx 的量主要取决于空气燃料混合比（空气与燃料比），而较少依赖于反应温度。二是热力型，即空气中的氮气在高温下氧化生成的NOx，占总量的 10%-20%，其最为敏感 的影响因素是温度，当温度高于 1500 ℃时随着温度的提高，热力型NOx 会急剧增加。二是快速型，即燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢原子团反 应而形成的NOx，其所占比例很小，一 般不予考虑。低 NOx 燃烧器改造的主要思路为控制燃料型及熱力型NOx的生戚，基于NOx 的生成特点，主要就是控制炉内局部区域的空燃比（省煤器出口氧量）和炉内燃烧的最高温度。
中煤晋城热电锅炉燃烧系统设备情况
1、机组主要技术参数（见表1-1）
2、锅炉燃烧系统介绍
锅炉燃烧系统由浓缩型EI-XCL燃烧器、乏气管、分级风管、开式风箱（燃烧器二次风和分级风风箱）、高能点火器、点火油枪、火焰检测器等组成。
锅炉设计和校核煤种均为低挥发份无烟煤，其主要特点是着火温度高、燃烧稳定性差、燃烬率差、结渣性强。对无烟煤而言，解决着火的主要措施是提高一次风粉混合物的煤粉浓度、提高煤粉气流温度、将高温烟气回流至着火区、采用卫燃带增强着火区辐射热量；而解决燃尽的主要措施是减小煤粉细度、提高燃烧区温度、增加煤粉在燃烧区的停留时间、分级送入二次风、适量增大过量空气系数。
该燃烧器的主要特点是可以获得更高的煤粉浓度和分级送风。
燃烧器布置在炉膛的前后拱上，并垂直于前后拱，前拱一排，后拱一排，每排各有8只燃烧器，每台锅炉共有16只燃烧器，其中8只燃烧器的二次风顺时针方向旋转，另8只逆时针方向旋转。
来自磨煤机的一次风煤粉气流在经过浓缩型EI—XCL燃烧器弯头前，先通过一段偏心异径管加速，大多数煤粉由于离心力作用沿弯头外侧内壁流动，在气流进入一次风浓缩装置之后，使50%的一次风和10%～15%煤粉分离出来，经乏气管垂直向下引到乏气喷口直接喷入炉膛燃烧，其余的50%一次风和85%～90%的煤粉由燃烧器一次风喷口喷入炉内燃烧。本工程煤粉细度R90=8%，浓缩后一次风的煤粉浓度提高到1.0～1.1Kg煤粉/Kg空气，从而降低了煤粉着火所需的吸热量，有利于煤粉的着火与稳燃；旋流引入的内外二次风可及时卷吸高温热烟气并适时补充燃烧所需的空气，有利于煤粉的着火与燃烬。燃烧所需空气除了从拱上通过燃烧器内、外二次风套筒引入炉膛外，在下炉膛前后墙适当位置也布置了分级风，采用风墙的形式引入炉膛，形成了水冷壁四周的富氧气氛。分级风的控制与燃烧器的投入和停运相关联。实现分级燃烧，既可有效地抑制NOx的生成，也能防止水冷壁的结焦浓缩型EI-XCL燃烧器上配有双层强化着火的轴向调风机构，从风箱来的二次风分两股分别进入到内层和外层调风器，内层二次风产生的旋转气流可卷吸高温烟气引燃煤粉，外层二次风用来补充煤粉进一步燃烧所需的空气，使之完全燃烧。内、外层二次风的旋转方向是一致的，旋流强度可以通过调整轴向叶片的设置角度而改变。旋转气流能将炉膛内的高温烟气卷吸到煤粉着火区，点燃煤粉并使之稳定燃烧。同时，可以利用调整轴向叶片的设置角度来改变旋流强度，从而调节煤粉气流的下冲能力，充分而有效地利用下炉膛的空间，使煤粉进行有效的燃烧。采用这种分级送风的方式，不仅有利于煤粉的着火和稳燃，增强燃烧器对煤质变化的适应能力，同时也有利于控制火焰中NOx的生成。 在燃烧器调风器入口设有二次风调风套筒，控制调风套筒的位置（即开度）可以控制进入单个燃烧器的二次风总量。
三、改造情况
1、加装直流缝隙式燃尽风装置
在上炉膛前后墙竖直段增加水平直流缝隙式燃尽风喷口，相应位置水冷壁进行改动。燃尽风风率设计为20%。燃尽风喷口沿炉膛宽度方向划分为十组，在原有二次风风箱上部，拱上水冷壁垂直段加装燃尽风分风箱，从主风道中引出燃尽风风道，为其供风，由分风箱向下引小风道，为十组小风室供风，每组燃尽风小风室设置手动调节风门，实现不同区域燃尽风风量的灵活调节，充分保证炉膛宽度方向的均匀供风。
2、拱上燃烧器改造
燃烧器一次风率、乏气风率不变，燃尽风风率设计为20%。改造后燃烧器二次风量减少，一次风量不变，导致喷口处一次风与内、外二次风动量比发生变化，改造通过利旧原有一次风管、一次风弯头及乏气风管、喷口，在内二次风及外二次风喷口处加装档环，缩小25%的内、外二次风通流面积，从而达到改造前喷口处风速配比，在保证下射深度的同时，使煤粉能够较充分的燃烧。燃烧器二次风量减少后，主燃区煤粉在贫氧和还原性气氛下燃烧，效控制燃料型NOx的形成。
3、炉膛短吹改造
为方便加装拱上燃尽风风箱，取消位于前、后墙拱上二次风箱位置的吹灰器，位于两侧墙的吹灰器移位（30000mm），下下移动1200mm，原位置水冷壁进行封堵。改造后在拱上垂直段加装燃尽风喷口，对此区域积灰及结焦有预防作用，不会因为取消吹灰器而造成此区域积灰或结焦。
4、卫燃带优化改造
此次改造将侧墙卫燃带采用隔离块的方式进行布置，避免形成大块结焦。把原卫燃带拆成品字型结构，单块尺寸1680x1680（mm），单侧墙拆7块，两侧墙共14块，总面积39.5平方米。
四、改造结果
#1机组：270mw负荷工况下，省煤器出口氧量3.23%，飞灰可燃物含量9.6%，排烟温度149℃，锅炉热效率91.24%，省煤器出口A/B两侧氮氧化物含量均值775mg/m?，省煤器出口A/B两侧一氧化碳含量控制在60ppm左右。
#2机组：270mw负荷工况下，省煤器出口氧量3.27%，飞灰可燃物含量8.79%，排烟温度146℃，锅炉热效率91.22%，省煤器出口A/B两侧氮氧化物含量均值770mg/m?，省煤器出口A/B两侧一氧化碳含量控制在35ppm左右。
五、改造后优化调整
机组改造后运行锅炉运行与之前有较大区别，虽未出现因炉膛温度低导致燃烧波动甚至灭火现象，但低负荷时火焰明显较之前暗淡很多，二次风与燃尽风开度分别为70%和50%，脱销出口口NOx在500-600ppm。在机组增减符合过程中未进行相应的调整，低负荷时炉内温度1200℃左右，高负荷时炉内燃烧稳定，火焰颜色较为光亮，炉内温度1400℃左右。脱销SCR系统入口NOX均在800ppm以下。
运行优化调整主要从以下两个方面着手：一是保持炉膛温度，从而保证锅炉燃烧稳定；二是合理调整燃烧器一、二次风旋流强度，控制煤粉着火过程，保证脱销反应器。
1、保证炉膛温度、从而保证锅炉燃烧稳定
由于低氮燃烧改造在二次风箱上引出燃尽风，势必降低二次封箱压力使炉膛燃烧处于欠氧燃烧，炉膛未然带部分拆除使水冷壁吸热增强，炉膛温度降低。两个条件虽然使热力性氮氧化物NOX生成受限，但在锅炉低负荷时极易引起锅炉燃烧恶化甚至灭火。从经济运行角度考虑，锅炉燃烧条件恶化会使锅炉不完全燃烧损失q3、q4增加，影响锅炉锅炉效率。所以在低负荷期间在保证氮氧化物NOx排放部超标的情况下努力提高炉膛温度，改善炉内燃烧条件是低负荷安全经济运行的必要条件。通常采用调整关小锅炉燃尽风，开大二次风使炉内燃烧处于富氧燃烧状态。根据试验，机组负荷与配风调整关系如表1-2
由上表可看出，随着机组负荷降低，调整锅炉燃尽风与二次风风门开度，锅炉炉膛温度由1350℃降低1230℃，满足机组稳定燃烧条件。
2、合理调整燃烧器一、二次风旋流强度
晋城热电采用浓缩型EI-XCL燃烧器，配套使用内外套筒调节二次风旋流强度，从而调节煤粉与二次风产生强烈的旋流并均匀地混入火焰中，使煤粉与空气充分混合。改造前外二次风套筒角度为60o，内二次风套筒开度为45o。调整前后在相同负荷下炉膛温度提高50℃，燃烧器壁温升高5℃，在允许范围内。
六、结论
1、介绍了300MW容量W型火焰机组低氮改造方式。
2、分析了燃煤机组氮氧化物NOx生成机理。
3、分析了低氮燃烧系统改造对锅炉安全经济运行影响机理。
4、探讨了低氮燃烧系统改造后稳定锅炉燃烧的方法。
5、本文可为国内同类型燃煤锅炉低氮燃烧系统改造后运行调整提供借鉴。
参考立献
[1]國投啬城热电有限公司#1 机组低氮燃烧器改造后性能测试报告
[2]禹庆明1，张波，朱宪然。低氮燃烧器改造及运行调整方法探讨
（作者单位：仁怀中电环保发电有限公司）
Abstract] the formation mechanism of nitrogen oxide NOx and the transformation of low NOx double wind swirling combustor with low volatile EI-XCL and low volatile fuel are introduced to low nitrogen combustion system.The optimal control of boiler after retrofitting of low NOx burner and its influence on boiler economy are discussed.The reduction of oxygen content can effectively reduce the formation of NOx，but it will lead to the increase of carbon content in fly ash.Similarly，increasing the amount of burned air can also reduce NOx，but the amount of fly ash will increase correspondingly.Under different coal quality，unit load and coal mill combination，NOx emissions will also be different.This paper can provide reference for the retrofit and optimal operation of low NOx combustion system for coal-fired boilers in China.
关键词：低氮燃烧；NOX 调整
一、前言
近年来，为响应国家“十二五”对火电行业的 NOx 排放控制要求，各电厂积极行动，对现有火电机组进行环保设备改造，以满足环保排放标准。对W型火焰机组，通常采用炉内低氧分级燃烧降低炉膛温度，实行煤粉分级燃烧，但炉膛低温燃烧势必会对煤粉燃烧效率产生影响，增加飞灰含碳量，本文以典型燃烧器改造为例，分析锅炉改造为低氮燃烧器后的飞灰控制，采取有效措施减少低氮燃烧系统改造对锅炉效率的影响。
本文首先介绍了中煤晋城热电有限公司2 台 300 MW 机组进行低氮NOx 燃烧系统改造的情况。在摸索运行经验的基础上提出了低氮NOx 燃烧工况下的锅炉优化控制与调整方法，再请专业实验机构检测，调整效果达到机组效率设计值。在合理降低 NOx 排放的 同时尽可能地保证锅炉的经济性，可为国内燃煤 锅炉低 NOx 燃烧系统改造及优化运行提供借鉴。
二、低 NOx 燃烧技术
1、NOx 生成机理
NOx 的生成机理共有三种类型的NOx。一是燃料型，即燃料中的氮化合物在燃烧 过程中热分解之后又氧化而形成的NOx占总量的80%-90%，这部分 NOx 的量主要取决于空气燃料混合比（空气与燃料比），而较少依赖于反应温度。二是热力型，即空气中的氮气在高温下氧化生成的NOx，占总量的 10%-20%，其最为敏感 的影响因素是温度，当温度高于 1500 ℃时随着温度的提高，热力型NOx 会急剧增加。二是快速型，即燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢原子团反 应而形成的NOx，其所占比例很小，一 般不予考虑。低 NOx 燃烧器改造的主要思路为控制燃料型及熱力型NOx的生戚，基于NOx 的生成特点，主要就是控制炉内局部区域的空燃比（省煤器出口氧量）和炉内燃烧的最高温度。
中煤晋城热电锅炉燃烧系统设备情况
1、机组主要技术参数（见表1-1）
2、锅炉燃烧系统介绍
锅炉燃烧系统由浓缩型EI-XCL燃烧器、乏气管、分级风管、开式风箱（燃烧器二次风和分级风风箱）、高能点火器、点火油枪、火焰检测器等组成。
锅炉设计和校核煤种均为低挥发份无烟煤，其主要特点是着火温度高、燃烧稳定性差、燃烬率差、结渣性强。对无烟煤而言，解决着火的主要措施是提高一次风粉混合物的煤粉浓度、提高煤粉气流温度、将高温烟气回流至着火区、采用卫燃带增强着火区辐射热量；而解决燃尽的主要措施是减小煤粉细度、提高燃烧区温度、增加煤粉在燃烧区的停留时间、分级送入二次风、适量增大过量空气系数。
该燃烧器的主要特点是可以获得更高的煤粉浓度和分级送风。
燃烧器布置在炉膛的前后拱上，并垂直于前后拱，前拱一排，后拱一排，每排各有8只燃烧器，每台锅炉共有16只燃烧器，其中8只燃烧器的二次风顺时针方向旋转，另8只逆时针方向旋转。
来自磨煤机的一次风煤粉气流在经过浓缩型EI—XCL燃烧器弯头前，先通过一段偏心异径管加速，大多数煤粉由于离心力作用沿弯头外侧内壁流动，在气流进入一次风浓缩装置之后，使50%的一次风和10%～15%煤粉分离出来，经乏气管垂直向下引到乏气喷口直接喷入炉膛燃烧，其余的50%一次风和85%～90%的煤粉由燃烧器一次风喷口喷入炉内燃烧。本工程煤粉细度R90=8%，浓缩后一次风的煤粉浓度提高到1.0～1.1Kg煤粉/Kg空气，从而降低了煤粉着火所需的吸热量，有利于煤粉的着火与稳燃；旋流引入的内外二次风可及时卷吸高温热烟气并适时补充燃烧所需的空气，有利于煤粉的着火与燃烬。燃烧所需空气除了从拱上通过燃烧器内、外二次风套筒引入炉膛外，在下炉膛前后墙适当位置也布置了分级风，采用风墙的形式引入炉膛，形成了水冷壁四周的富氧气氛。分级风的控制与燃烧器的投入和停运相关联。实现分级燃烧，既可有效地抑制NOx的生成，也能防止水冷壁的结焦浓缩型EI-XCL燃烧器上配有双层强化着火的轴向调风机构，从风箱来的二次风分两股分别进入到内层和外层调风器，内层二次风产生的旋转气流可卷吸高温烟气引燃煤粉，外层二次风用来补充煤粉进一步燃烧所需的空气，使之完全燃烧。内、外层二次风的旋转方向是一致的，旋流强度可以通过调整轴向叶片的设置角度而改变。旋转气流能将炉膛内的高温烟气卷吸到煤粉着火区，点燃煤粉并使之稳定燃烧。同时，可以利用调整轴向叶片的设置角度来改变旋流强度，从而调节煤粉气流的下冲能力，充分而有效地利用下炉膛的空间，使煤粉进行有效的燃烧。采用这种分级送风的方式，不仅有利于煤粉的着火和稳燃，增强燃烧器对煤质变化的适应能力，同时也有利于控制火焰中NOx的生成。 在燃烧器调风器入口设有二次风调风套筒，控制调风套筒的位置（即开度）可以控制进入单个燃烧器的二次风总量。
三、改造情况
1、加装直流缝隙式燃尽风装置
在上炉膛前后墙竖直段增加水平直流缝隙式燃尽风喷口，相应位置水冷壁进行改动。燃尽风风率设计为20%。燃尽风喷口沿炉膛宽度方向划分为十组，在原有二次风风箱上部，拱上水冷壁垂直段加装燃尽风分风箱，从主风道中引出燃尽风风道，为其供风，由分风箱向下引小风道，为十组小风室供风，每组燃尽风小风室设置手动调节风门，实现不同区域燃尽风风量的灵活调节，充分保证炉膛宽度方向的均匀供风。
2、拱上燃烧器改造
燃烧器一次风率、乏气风率不变，燃尽风风率设计为20%。改造后燃烧器二次风量减少，一次风量不变，导致喷口处一次风与内、外二次风动量比发生变化，改造通过利旧原有一次风管、一次风弯头及乏气风管、喷口，在内二次风及外二次风喷口处加装档环，缩小25%的内、外二次风通流面积，从而达到改造前喷口处风速配比，在保证下射深度的同时，使煤粉能够较充分的燃烧。燃烧器二次风量减少后，主燃区煤粉在贫氧和还原性气氛下燃烧，效控制燃料型NOx的形成。
3、炉膛短吹改造
为方便加装拱上燃尽风风箱，取消位于前、后墙拱上二次风箱位置的吹灰器，位于两侧墙的吹灰器移位（30000mm），下下移动1200mm，原位置水冷壁进行封堵。改造后在拱上垂直段加装燃尽风喷口，对此区域积灰及结焦有预防作用，不会因为取消吹灰器而造成此区域积灰或结焦。
4、卫燃带优化改造
此次改造将侧墙卫燃带采用隔离块的方式进行布置，避免形成大块结焦。把原卫燃带拆成品字型结构，单块尺寸1680x1680（mm），单侧墙拆7块，两侧墙共14块，总面积39.5平方米。
四、改造结果
#1机组：270mw负荷工况下，省煤器出口氧量3.23%，飞灰可燃物含量9.6%，排烟温度149℃，锅炉热效率91.24%，省煤器出口A/B两侧氮氧化物含量均值775mg/m?，省煤器出口A/B两侧一氧化碳含量控制在60ppm左右。
#2机组：270mw负荷工况下，省煤器出口氧量3.27%，飞灰可燃物含量8.79%，排烟温度146℃，锅炉热效率91.22%，省煤器出口A/B两侧氮氧化物含量均值770mg/m?，省煤器出口A/B两侧一氧化碳含量控制在35ppm左右。
五、改造后优化调整
机组改造后运行锅炉运行与之前有较大区别，虽未出现因炉膛温度低导致燃烧波动甚至灭火现象，但低负荷时火焰明显较之前暗淡很多，二次风与燃尽风开度分别为70%和50%，脱销出口口NOx在500-600ppm。在机组增减符合过程中未进行相应的调整，低负荷时炉内温度1200℃左右，高负荷时炉内燃烧稳定，火焰颜色较为光亮，炉内温度1400℃左右。脱销SCR系统入口NOX均在800ppm以下。
运行优化调整主要从以下两个方面着手：一是保持炉膛温度，从而保证锅炉燃烧稳定；二是合理调整燃烧器一、二次风旋流强度，控制煤粉着火过程，保证脱销反应器。
1、保证炉膛温度、从而保证锅炉燃烧稳定
由于低氮燃烧改造在二次风箱上引出燃尽风，势必降低二次封箱压力使炉膛燃烧处于欠氧燃烧，炉膛未然带部分拆除使水冷壁吸热增强，炉膛温度降低。两个条件虽然使热力性氮氧化物NOX生成受限，但在锅炉低负荷时极易引起锅炉燃烧恶化甚至灭火。从经济运行角度考虑，锅炉燃烧条件恶化会使锅炉不完全燃烧损失q3、q4增加，影响锅炉锅炉效率。所以在低负荷期间在保证氮氧化物NOx排放部超标的情况下努力提高炉膛温度，改善炉内燃烧条件是低负荷安全经济运行的必要条件。通常采用调整关小锅炉燃尽风，开大二次风使炉内燃烧处于富氧燃烧状态。根据试验，机组负荷与配风调整关系如表1-2
由上表可看出，随着机组负荷降低，调整锅炉燃尽风与二次风风门开度，锅炉炉膛温度由1350℃降低1230℃，满足机组稳定燃烧条件。
2、合理调整燃烧器一、二次风旋流强度
晋城热电采用浓缩型EI-XCL燃烧器，配套使用内外套筒调节二次风旋流强度，从而调节煤粉与二次风产生强烈的旋流并均匀地混入火焰中，使煤粉与空气充分混合。改造前外二次风套筒角度为60o，内二次风套筒开度为45o。调整前后在相同负荷下炉膛温度提高50℃，燃烧器壁温升高5℃，在允许范围内。
六、结论
1、介绍了300MW容量W型火焰机组低氮改造方式。
2、分析了燃煤机组氮氧化物NOx生成机理。
3、分析了低氮燃烧系统改造对锅炉安全经济运行影响机理。
4、探讨了低氮燃烧系统改造后稳定锅炉燃烧的方法。
5、本文可为国内同类型燃煤锅炉低氮燃烧系统改造后运行调整提供借鉴。
参考立献
[1]國投啬城热电有限公司#1 机组低氮燃烧器改造后性能测试报告
[2]禹庆明1，张波，朱宪然。低氮燃烧器改造及运行调整方法探讨
（作者单位：仁怀中电环保发电有限公司）