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【摘 要】 300MW机组普遍存在氮氧化物浓度高排放的问题，改造锅炉燃烧系统很有必要，轴向空气分级以及径向空气分级燃烧空气技术可以有效的解决这些难题。经过改造后，排放氮氧化物的质量浓度得以降低，符合对该类型氮氧化物排放要求。
【关键词】 锅炉；低氮燃烧；改造
一、前言
改造锅炉的低氮燃烧，降低氮氧化物的排放，有利于改善大气质量，提高环境舒适度。为做好该项工作，应该深入的了解锅炉及燃烧系统进行改造所需要的燃烧技术，在对案例充分研究的基础上，制定出切实可行的方案。
二、低氮燃烧理论基础
氮氧化物NOx是燃煤电厂烟气排放三大有害物（SO，NOx及总悬浮颗粒物）之一。从污染角度考虑的氮氧化物统称为NOx。随着我国对SO治理工作地不断深入，NOx可能取代SO成为我国大气酸性降雨的主要污染源。在绝大多数燃烧方式下，主要成分是NO，约占NOx的90%多。NO是无色、无刺激气味的不活泼气体，在大气中的NO会迅速被氧化。它是红色有刺激性臭味的气体。NOx可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病，呼吸系统有问题的人士如哮喘病患者，较易受二氧化氮影响。
1.氮氧化物生成原理及其影响因素
燃煤锅炉生成的氮氧化物（NOx）主要是NO和少量的N02，NO占有90%以上，NO：占5-10%。对于煤粉炉（炉内温度低于2000K），NOx生成类型有3种：燃料型最多，约占总量75—80%；热力型次之；快速犁最少，不作讨论。
（一）燃料型NOx，是燃料中的氮化合物在燃烧过程中发生热分解，并进一步氧化生成的（同时还伴随NO的还原反应）。影响燃料型NOx生成的因素主要是煤质（含氮量、挥发分、燃料比等）与燃烧设备运行参数两方面的因素。锅炉燃烧运行方面的因素主要是燃烧区的氧浓度（即过量空气系数a）和火焰温度等。a越高，烟气中氧含量越高。研究表明，燃料型NOx生成速率与燃烧区的氧气浓度的平方成正比。
（二）在高温环境下，由空气中的氮氧化生成的NOx称为热力型。热力型NOx主要的影响因素是温度和反应环境中的氧浓度。温度对生成速率的影响呈指数函数关系（正比于T_0.5）。在1350qC以下时，热力型NOx生成量很少，但随着温度的升高，NOx生成量迅速增加，当温度达到1600℃时，热力型NO。生成量可占炉内NOx生成总量的25～30%。研究表明，热力型NOx生成速率与氧浓度的平方根成正比。降低火焰峰值温度，降低最高温度区域的局部氧浓度，降低燃料在最高温度区域的停留时间，是抑制热力型NOx生成的基本策略。
2.强防渣原理和技术优势
实际上炉内三场特性参数随机性强，各向不均匀性在高度、水平方向上，尤其是“中心区”与“近壁区”存在很大差异。通过一种空气与燃料射流组合，设法扩大两大区域三场特性的差异，形成了“中心区”有较高煤粉浓度、较高温度、适宜氧浓度、较高燃烧强度。近壁区为较低温度、较低CO浓度、较高O2浓度（沿程逐步掺入中心区），有利于阻止灰粒附壁，延长了冷却路径的流场结构。在过程尺度上优化了燃烧不同阶段三场特性差异使火焰边部可控可调，保证近壁区三场特性利于防渣.
现炉内形成抗结渣性能高的技术优势为以下各方面：
（一）合理的炉内各区域α（过剩空气系数）分布，使着火小区位置适中，形成适度集中于中心区的高强度燃烧区，火焰边部与近壁區距离适中。
（二）相对独立的，保证近壁区形成利于防渣三场特性射流结构。
（三）燃烧器结构参数具有宽调节比，实施OTS系统，分区优化调试使之在燃煤一定条件下达到最佳防渣功能。
（四）通过有效控制调节大屏底部烟温，应用分区涡原理组织该区域流场使之进入分割大屏后“拟序”结构不利于灰粒沉积，解决了结渣上移难题。
3.高稳燃性能原理和技术特点
国际燃烧界为应对中国煤质差且多变的实际情况，而产生众多主燃烧器喷口稳燃技术一直给予较高评价，称之为“中国燃烧器”，结构上大体可归纳为各类阻塞物形式和各类射流复合，其稳燃原理是扩大喷口小区流场速度差，压力差，浓度差，温度差，实现大热回流区，回流率，局部煤粉浓聚，从而促成高温，高浓度煤粉，较高氧量三场特性，实现着火初期稳定，通常人们认为用燃烧全程20%时间在着火初期燃烧掉80%的煤粉，但大量试验与运行实践表明，对难燃煤绝非如此。着火后中期全程的优化却是已有的稳燃技术不足。在主燃烧器出口之后由于炉膛大空间的燃烧过程三场非线性随机特性，主燃烧器局部三场特性难以延续到全炉膛，这就出现了喷口稳燃伴有结焦，燃用难燃煤时稳燃燃烧射流动量不足，使着火小区与“中心区”过渡区段燃烧“链环”断裂。
三、美国ABT公司的改造方案及原理
ABT公司认为目前电厂NOX排放量过高的原因是：目前使用的燃烧器技术和性能较落后，另外锅炉原设计的降低NOx措施也是针对所有的燃烧器即所有磨煤机（以下简称磨）全部工作的情况下设计的，而机组正常运行中基本不采用4台磨同时运行方式。所以解决问题的主要方法是：改进燃烧器二次风分布是解决针对电厂机组现有问题的措施的一部分，改进风箱使进入燃烧器的空气分布更加合理，使燃烧器采用分段多级送风，达到设计的最佳二次风速即可减少NOX，并进一步提高了喷燃器的性能。
改造方案是：原有燃烧器数量和位置不变，将锅炉原来燃烧器更换为ABT公司具有低NOX功能的Opti-FlowTM燃烧器；在燃烧器上部增加4只OFA喷口（电动调节），在上层燃烧器靠二侧墙处增加2只防止高温腐蚀的WingPort喷口；对原来的大二次风箱经过CFD优化后进行加稳流装置的改造，以提高各层燃烧器及各燃烧器进口之间二次风压的均匀性；一次风管由蜗壳式进入改为弯头轴向进入，并在燃烧器进口处的一次风管弯头上加装均衡器，提高燃烧器一次风筒中煤粉分布均匀性。 Opti-FlowTM燃烧器降低锅炉NOX排放主要原理是：控制各燃烧器之间及燃烧器内部煤粉的不均匀性，在燃烧器区不使其处于缺氧状态下燃烧，增加OFA系统并适度投入OFA以实现充分燃烧和进一步提高NOX还原率，降低NOX排放。ABT燃烧器的主要特点是：一次风粉喷口为六瓣梅花状并加有稳燃器，一次风粉通过弯头轴向进入，一次风粉筒内没有油枪和三次风套筒，减小了一次风阻力。外二次风为径向调节旋流叶片，内二次风设置了轴向移动的风量调节挡板，内二次风旋流叶片角度固定不可调。
OFA系统采用独立的OFA风箱，通过调节挡板可单独调节每只喷嘴风量。OFA喷口是椭圆型，且是无旋的。这种设计能在喷口轴向处产生轴向流动区域，可增强空气的穿透力，而且水平方向上的气流能够覆盖相邻两列燃烧器之间的区域。从二次风箱直接引入防止高温腐蚀的Wingport风喷口，喷口的风量以及风向可调节是ABT公司的独特设计。可以通过CFD优化OFA喷口和所有防腐蚀装置的设置，以确定OFA喷嘴的最佳布置位置。
四、300MW机组锅炉低氮燃烧的改造
1.空气分级燃烧技术
目前，降低燃煤锅炉NO，排放的燃烧技术主要有低NO，燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧及尾部烟气再循环等，其中，空气分级燃烧是一种有效的低NO。燃烧技术。根据西安热工研究院对中国21个电厂的51台锅炉NO。排放量的调查，采用空气分级燃烧，锅炉燃用烟煤、褐煤时基本可以达到国家排放标准。
空气分级燃烧的基本思想：
降低主燃烧区域的氧气浓度，进行亚化学当量的缺氧燃烧，以抑制煤粉燃烧过程NO的形成。因为燃料在缺氧条件下燃烧，燃烧速度和燃烧温度降低，热力NO就会减少，燃料中释放的含氮中间产物HCN，NR等也会将NO还原分解成N，从而抑制燃料NO的生成。
在炉墙附近及炉膛内部增大氧气浓度，进行过化学当量的富氧燃烧，以促进煤粉的完全燃烧。空气分级燃烧分为轴向窄气分级燃烧和径向空气分级燃烧。轴向空气分级燃烧沿炉膛垂直方向实施分级送风，把一部分二次风由主燃烧区分流到炉膛上方的燃尽区；径向空气分级燃烧是在与烟气垂直的炉膛断面上组织分级燃烧，通过二次风射流部分偏向炉墙来实现。
2.轴向空气分级燃烧改造
燃烧器整体布局：下部主燃烧区基本格局不变，即各一次风标高、二次风标高和三次风标高均不改变。为实现轴向空气分级，将部分二次风由主燃烧区分流到炉膛上方的燃尽区，通过专门管路从水平二次风箱引出，在三次风上部区域形成分离布置燃尽风（SOFA）。SOFA采取三层布置，而最上层的HH层二次风作为紧靠型燃尽风（CCOFA）。
3.径向空气分级燃烧改造
将部分二次风改造为偏转二次风，在径向形成空气分级，以延缓煤粉与二次风的混合，抑制NO。的生成，同时通过偏转二次风在水冷壁面附近形成一层风膜，以防止水冷壁结渣和高温腐蚀的发生。一次风切角不变，仍采用反切（逆时针方向）5。AA层二次风仍维持不变，为直吹风；B，E，H层二次风改为正切3℃D层、FG层二次风改为正切9。为控制炉膛出口扭转残余，HH层改为反切7.5。SOFA喷口设计成具有上下和水平摆动功能，从而可以调整燃尽风穿透深度和混合效果，并有效防止炉膛出口过大的扭转残余。
五、结束语
综合采用空气分级燃烧技术对锅炉的燃烧系统进行改造。改造后氮排放质量浓度达到国家制定的排放标准要求。由于技术非常的具有针对性，最后的改造效果明显。相关技术的使用在降低NO排放的同时，还可以防止炉膛出口产生过量的扭转残余，对防止高温腐蚀有益处。
参考文献：
[1]钟勇.华能井冈山电厂300MW锅炉低氮燃烧改造研究[D].华北电力大学-2012年3期57页
[2]伍昌鸿，李德暖，刘业雄，邱建平，杨顺强.300MW机组锅炉低氮燃烧的改造[J].广东电力-2011年3期78页
[3]潘栋，王春昌，丹慧杰，崔来建.W火焰鍋炉低氮燃烧改造策略分析[J].热力发电-2013年12期67页
[4]禹庆明，张波，朱宪然，王巨川.低氮燃烧器改造及运行调整方法探讨[J].华北电力技术-2012年07期35-38页
【关键词】 锅炉；低氮燃烧；改造
一、前言
改造锅炉的低氮燃烧，降低氮氧化物的排放，有利于改善大气质量，提高环境舒适度。为做好该项工作，应该深入的了解锅炉及燃烧系统进行改造所需要的燃烧技术，在对案例充分研究的基础上，制定出切实可行的方案。
二、低氮燃烧理论基础
氮氧化物NOx是燃煤电厂烟气排放三大有害物（SO，NOx及总悬浮颗粒物）之一。从污染角度考虑的氮氧化物统称为NOx。随着我国对SO治理工作地不断深入，NOx可能取代SO成为我国大气酸性降雨的主要污染源。在绝大多数燃烧方式下，主要成分是NO，约占NOx的90%多。NO是无色、无刺激气味的不活泼气体，在大气中的NO会迅速被氧化。它是红色有刺激性臭味的气体。NOx可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病，呼吸系统有问题的人士如哮喘病患者，较易受二氧化氮影响。
1.氮氧化物生成原理及其影响因素
燃煤锅炉生成的氮氧化物（NOx）主要是NO和少量的N02，NO占有90%以上，NO：占5-10%。对于煤粉炉（炉内温度低于2000K），NOx生成类型有3种：燃料型最多，约占总量75—80%；热力型次之；快速犁最少，不作讨论。
（一）燃料型NOx，是燃料中的氮化合物在燃烧过程中发生热分解，并进一步氧化生成的（同时还伴随NO的还原反应）。影响燃料型NOx生成的因素主要是煤质（含氮量、挥发分、燃料比等）与燃烧设备运行参数两方面的因素。锅炉燃烧运行方面的因素主要是燃烧区的氧浓度（即过量空气系数a）和火焰温度等。a越高，烟气中氧含量越高。研究表明，燃料型NOx生成速率与燃烧区的氧气浓度的平方成正比。
（二）在高温环境下，由空气中的氮氧化生成的NOx称为热力型。热力型NOx主要的影响因素是温度和反应环境中的氧浓度。温度对生成速率的影响呈指数函数关系（正比于T_0.5）。在1350qC以下时，热力型NOx生成量很少，但随着温度的升高，NOx生成量迅速增加，当温度达到1600℃时，热力型NO。生成量可占炉内NOx生成总量的25～30%。研究表明，热力型NOx生成速率与氧浓度的平方根成正比。降低火焰峰值温度，降低最高温度区域的局部氧浓度，降低燃料在最高温度区域的停留时间，是抑制热力型NOx生成的基本策略。
2.强防渣原理和技术优势
实际上炉内三场特性参数随机性强，各向不均匀性在高度、水平方向上，尤其是“中心区”与“近壁区”存在很大差异。通过一种空气与燃料射流组合，设法扩大两大区域三场特性的差异，形成了“中心区”有较高煤粉浓度、较高温度、适宜氧浓度、较高燃烧强度。近壁区为较低温度、较低CO浓度、较高O2浓度（沿程逐步掺入中心区），有利于阻止灰粒附壁，延长了冷却路径的流场结构。在过程尺度上优化了燃烧不同阶段三场特性差异使火焰边部可控可调，保证近壁区三场特性利于防渣.
现炉内形成抗结渣性能高的技术优势为以下各方面：
（一）合理的炉内各区域α（过剩空气系数）分布，使着火小区位置适中，形成适度集中于中心区的高强度燃烧区，火焰边部与近壁區距离适中。
（二）相对独立的，保证近壁区形成利于防渣三场特性射流结构。
（三）燃烧器结构参数具有宽调节比，实施OTS系统，分区优化调试使之在燃煤一定条件下达到最佳防渣功能。
（四）通过有效控制调节大屏底部烟温，应用分区涡原理组织该区域流场使之进入分割大屏后“拟序”结构不利于灰粒沉积，解决了结渣上移难题。
3.高稳燃性能原理和技术特点
国际燃烧界为应对中国煤质差且多变的实际情况，而产生众多主燃烧器喷口稳燃技术一直给予较高评价，称之为“中国燃烧器”，结构上大体可归纳为各类阻塞物形式和各类射流复合，其稳燃原理是扩大喷口小区流场速度差，压力差，浓度差，温度差，实现大热回流区，回流率，局部煤粉浓聚，从而促成高温，高浓度煤粉，较高氧量三场特性，实现着火初期稳定，通常人们认为用燃烧全程20%时间在着火初期燃烧掉80%的煤粉，但大量试验与运行实践表明，对难燃煤绝非如此。着火后中期全程的优化却是已有的稳燃技术不足。在主燃烧器出口之后由于炉膛大空间的燃烧过程三场非线性随机特性，主燃烧器局部三场特性难以延续到全炉膛，这就出现了喷口稳燃伴有结焦，燃用难燃煤时稳燃燃烧射流动量不足，使着火小区与“中心区”过渡区段燃烧“链环”断裂。
三、美国ABT公司的改造方案及原理
ABT公司认为目前电厂NOX排放量过高的原因是：目前使用的燃烧器技术和性能较落后，另外锅炉原设计的降低NOx措施也是针对所有的燃烧器即所有磨煤机（以下简称磨）全部工作的情况下设计的，而机组正常运行中基本不采用4台磨同时运行方式。所以解决问题的主要方法是：改进燃烧器二次风分布是解决针对电厂机组现有问题的措施的一部分，改进风箱使进入燃烧器的空气分布更加合理，使燃烧器采用分段多级送风，达到设计的最佳二次风速即可减少NOX，并进一步提高了喷燃器的性能。
改造方案是：原有燃烧器数量和位置不变，将锅炉原来燃烧器更换为ABT公司具有低NOX功能的Opti-FlowTM燃烧器；在燃烧器上部增加4只OFA喷口（电动调节），在上层燃烧器靠二侧墙处增加2只防止高温腐蚀的WingPort喷口；对原来的大二次风箱经过CFD优化后进行加稳流装置的改造，以提高各层燃烧器及各燃烧器进口之间二次风压的均匀性；一次风管由蜗壳式进入改为弯头轴向进入，并在燃烧器进口处的一次风管弯头上加装均衡器，提高燃烧器一次风筒中煤粉分布均匀性。 Opti-FlowTM燃烧器降低锅炉NOX排放主要原理是：控制各燃烧器之间及燃烧器内部煤粉的不均匀性，在燃烧器区不使其处于缺氧状态下燃烧，增加OFA系统并适度投入OFA以实现充分燃烧和进一步提高NOX还原率，降低NOX排放。ABT燃烧器的主要特点是：一次风粉喷口为六瓣梅花状并加有稳燃器，一次风粉通过弯头轴向进入，一次风粉筒内没有油枪和三次风套筒，减小了一次风阻力。外二次风为径向调节旋流叶片，内二次风设置了轴向移动的风量调节挡板，内二次风旋流叶片角度固定不可调。
OFA系统采用独立的OFA风箱，通过调节挡板可单独调节每只喷嘴风量。OFA喷口是椭圆型，且是无旋的。这种设计能在喷口轴向处产生轴向流动区域，可增强空气的穿透力，而且水平方向上的气流能够覆盖相邻两列燃烧器之间的区域。从二次风箱直接引入防止高温腐蚀的Wingport风喷口，喷口的风量以及风向可调节是ABT公司的独特设计。可以通过CFD优化OFA喷口和所有防腐蚀装置的设置，以确定OFA喷嘴的最佳布置位置。
四、300MW机组锅炉低氮燃烧的改造
1.空气分级燃烧技术
目前，降低燃煤锅炉NO，排放的燃烧技术主要有低NO，燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧及尾部烟气再循环等，其中，空气分级燃烧是一种有效的低NO。燃烧技术。根据西安热工研究院对中国21个电厂的51台锅炉NO。排放量的调查，采用空气分级燃烧，锅炉燃用烟煤、褐煤时基本可以达到国家排放标准。
空气分级燃烧的基本思想：
降低主燃烧区域的氧气浓度，进行亚化学当量的缺氧燃烧，以抑制煤粉燃烧过程NO的形成。因为燃料在缺氧条件下燃烧，燃烧速度和燃烧温度降低，热力NO就会减少，燃料中释放的含氮中间产物HCN，NR等也会将NO还原分解成N，从而抑制燃料NO的生成。
在炉墙附近及炉膛内部增大氧气浓度，进行过化学当量的富氧燃烧，以促进煤粉的完全燃烧。空气分级燃烧分为轴向窄气分级燃烧和径向空气分级燃烧。轴向空气分级燃烧沿炉膛垂直方向实施分级送风，把一部分二次风由主燃烧区分流到炉膛上方的燃尽区；径向空气分级燃烧是在与烟气垂直的炉膛断面上组织分级燃烧，通过二次风射流部分偏向炉墙来实现。
2.轴向空气分级燃烧改造
燃烧器整体布局：下部主燃烧区基本格局不变，即各一次风标高、二次风标高和三次风标高均不改变。为实现轴向空气分级，将部分二次风由主燃烧区分流到炉膛上方的燃尽区，通过专门管路从水平二次风箱引出，在三次风上部区域形成分离布置燃尽风（SOFA）。SOFA采取三层布置，而最上层的HH层二次风作为紧靠型燃尽风（CCOFA）。
3.径向空气分级燃烧改造
将部分二次风改造为偏转二次风，在径向形成空气分级，以延缓煤粉与二次风的混合，抑制NO。的生成，同时通过偏转二次风在水冷壁面附近形成一层风膜，以防止水冷壁结渣和高温腐蚀的发生。一次风切角不变，仍采用反切（逆时针方向）5。AA层二次风仍维持不变，为直吹风；B，E，H层二次风改为正切3℃D层、FG层二次风改为正切9。为控制炉膛出口扭转残余，HH层改为反切7.5。SOFA喷口设计成具有上下和水平摆动功能，从而可以调整燃尽风穿透深度和混合效果，并有效防止炉膛出口过大的扭转残余。
五、结束语
综合采用空气分级燃烧技术对锅炉的燃烧系统进行改造。改造后氮排放质量浓度达到国家制定的排放标准要求。由于技术非常的具有针对性，最后的改造效果明显。相关技术的使用在降低NO排放的同时，还可以防止炉膛出口产生过量的扭转残余，对防止高温腐蚀有益处。
参考文献：
[1]钟勇.华能井冈山电厂300MW锅炉低氮燃烧改造研究[D].华北电力大学-2012年3期57页
[2]伍昌鸿，李德暖，刘业雄，邱建平，杨顺强.300MW机组锅炉低氮燃烧的改造[J].广东电力-2011年3期78页
[3]潘栋，王春昌，丹慧杰，崔来建.W火焰鍋炉低氮燃烧改造策略分析[J].热力发电-2013年12期67页
[4]禹庆明，张波，朱宪然，王巨川.低氮燃烧器改造及运行调整方法探讨[J].华北电力技术-2012年07期35-38页