广东黄埔发电厂300MW机组空气分级燃烧技术应用
摘要:针时广东粤华发电有限责任公司(以下简称黄埔发电厂)300MW机组氮氧化物排放浓度高的问题，采用轴向空气分级和径向空气分级的空气分级燃烧技术对锅炉燃烧系统进行了改造。改造后，氮氧化物排放的质量浓度由改造前的600mg/m3降至437.5mg/m3(标准状态下)，已达到GB13223一2003 《火电厂大气污染物排放标准》对该类型锅炉氮氧化物排放的要求。此外，改造对防止炉膛出口产生过大的扭转残余、防止锅炉水冷壁结渣和高温腐蚀也有帮助。
关键词:锅炉,低氮燃烧,改造,空气分级燃烧技术
氮氧化物(NOx)是燃煤电厂排放的主要污染物之一，2003年12月颁布的新的GB13223-2003《火电厂大气污染物排放标准》对我国火电厂机组的NOx二排放标准做出了新的规定:对燃用挥发分大于20%煤种的固态排渣燃煤锅炉，要求其NOx的最高允许排放的质量浓度低于45Omg/m3(在标准状态下，其氧的质量分数为6%)。为响应国家节能减排政策，适应今后日益严格的环保排放要求，火电厂必须采取有效措施降低NOx的排放浓度。
2007 年4一6月，利用黄埔发电厂6号锅炉大修机会，采用空气分级燃烧技术对燃烧系统进行了改造。改造后NOx排放的质量浓度由改造前的600mg/m3降至437.smg/耐(标准状态下)，已达到GB13223一2003《电厂大气污染物排放标准》对该类型锅炉NOx排放的要求，改造效果明显。
1 改造前的燃烧系统
黄埔发电厂6号锅炉为上海锅炉厂生产的SG-1025/16.7一M313UP型300MW 直流燃煤锅炉，采用钢球磨中间储仓式制粉系统，热风送粉。燃烧器为直流式四角布置切圆燃烧，每组燃烧器设有五层一次风和七层二次风，一次风、二次风间隔布置，制粉乏气做为三次风在燃烧器上部从前后墙送人炉膛(分两层，共八个喷口)。一次风、二次风切圆采用双切圆布置，切圆直径为1182 mm和731mm。三次风切圆也为双切圆布置，切圆直径为693mm和749mm。6号锅炉改造前的燃烧器喷口布置见图1，设计配风见表1。
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1.1 空气分级燃烧技术
目前，降低燃煤锅炉NOx排放的燃烧技术主要有低NOx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NOx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NOx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:
a) 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NOx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NOx就会减少，燃料中释放的含氮中间产物HCN，NH3等也会将NO还原分解成N2，从而抑制燃料NO的生成。
b) 在炉墙附近及炉膛卜部增大氧气浓度，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空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。
黄埔发电厂6号锅炉为固态排渣燃煤锅炉，燃用煤挥发分为26%左右。改造前排放的NOx质量浓度为600mg/m3(标准状态下)，远高于GB13223一2003《火电厂大气污染物排放标准》对该类锅炉燃烧Nox排放的要求(小于450mg/m3)。因此，为了有效降低NOx的排放浓度，综合运用了轴向和径向空气分级燃烧技术进行改造。
1.2 轴向空气分级燃烧改造
1.2.1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(见图1)作为紧靠型燃尽风(CCOFA)。
1.2.2 燃烧系统设计配风
SOFA 风量的选取占总风量的20%;CCOFA风量占总风量的5.5%;一次风采用小风率设计，取22%;三次风率维持不变，取19%。6号锅炉改造后配风设计见表2，其中二次风的风量又分为SOFA，CCOFA和周界风及其余二次风。
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1.2.3 燃烧器设计计算
由于部分二次风被引出形成SOFA，为了保证二次风喷口的风速和二次风风箱压力，二次风喷口面积需减少。新增的SOFA喷口及其它喷口面积也需要确定。经设计计算闹，各燃烧器喷口尺寸选定见表3。
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1.2.4 SOFA喷口高度方向的位置确定
SOFA 喷口高度方向的位置对NOx的降低有很大的影响，SOFA喷口高度方向的中心线距燃烧器最上层喷口(上三次风)中心线高度h的推荐值由公式h=1.5(Vr/10)确定，6号锅炉燃用煤的挥发分为26%左右，因此h为2.4m，SOFA中心线标高应取29.9m。但现场安装需绕开钢梁等障碍物，最终确定SOFA中心线标高31.7m，整个SOFA风箱布置在两层钢梁之间，即30.8-32.6m，SOFA中心线距离最上层三次风中心线为4.Zm。
1.3 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NOx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。典型的偏转二次风系统炉内布置见图2。
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从图2可知，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°;CD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。
改造后燃烧器喷口布置见图3。
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2 改造效果
为检验低氮燃烧改造后的效果，2007年7月2日进行了6号锅炉NOx排放浓度的检测。在空气预热器前水平烟道处抽取烟气，送人KANE940烟气成分分析仪，测试烟气中O2和NOx的质量分数。检测在3台磨煤机运行的工况下进行。检测结果:NOx的排放浓度为437.5mg/m3(标准状态下，其氧的质量分数为6%)，满足GB13223一2003《火电厂大气污染物排放标准》对该类锅炉NOx排放要求。与改造前NOx排放浓度600mg/m3(标准状态下)相比，质量浓度降幅度超过25%，改造效果明显。
3 结论
a) 综合采用轴向空气分级和径向空气分级的空气分级燃烧技术，对锅炉燃烧系统进行了改造。改造后NOx排放的质量浓度由改造前的以600mg/m3下降至437.5mg/m3(标准状态下)，达到GB13223一2003 《火电厂大气污染物排放标准》对该类型锅炉NOx排放的要求，改造效果明显。
b) SOFA喷口设计成具有上下和水平摆动功能，因此，在降低NO二排放的同时，能有效防止炉膛出口产生过大的扭转残余。
c) 采用偏转二次风，在抑制NOx排放的同时，对防止锅炉水冷壁结渣和高温腐蚀有帮助。
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