廣東黃埔發電廠300MW機組空氣分級燃燒技術應用
摘要:針時廣東粵華發電有限責任公司(以下簡稱黃埔發電廠)300MW機組氮氧化物排放濃度高的問題，采用軸向空氣分級和徑向空氣分級的空氣分級燃燒技術對鍋爐燃燒系統進行了改造。改造后，氮氧化物排放的質量濃度由改造前的600mg/m3降至437.5mg/m3(標準狀態下)，已達到GB13223一2003 《火電廠大氣污染物排放標準》對該類型鍋爐氮氧化物排放的要求。此外，改造對防止爐膛出口產生過大的扭轉殘余、防止鍋爐水冷壁結渣和高溫腐蝕也有幫助。
關鍵詞:鍋爐,低氮燃燒,改造,空氣分級燃燒技術
氮氧化物(NOx)是燃煤電廠排放的主要污染物之一，2003年12月頒布的新的GB13223-2003《火電廠大氣污染物排放標準》對我國火電廠機組的NOx二排放標準做出了新的規定:對燃用揮發分大于20%煤種的固態排渣燃煤鍋爐，要求其NOx的最高允許排放的質量濃度低于45Omg/m3(在標準狀態下，其氧的質量分數為6%)。為響應國家節能減排政策，適應今后日益嚴格的環保排放要求，火電廠必須采取有效措施降低NOx的排放濃度。
2007 年4一6月，利用黃埔發電廠6號鍋爐大修機會，采用空氣分級燃燒技術對燃燒系統進行了改造。改造后NOx排放的質量濃度由改造前的600mg/m3降至437.smg/耐(標準狀態下)，已達到GB13223一2003《電廠大氣污染物排放標準》對該類型鍋爐NOx排放的要求，改造效果明顯。
1 改造前的燃燒系統
黃埔發電廠6號鍋爐為上海鍋爐廠生產的SG-1025/16.7一M313UP型300MW 直流燃煤鍋爐，采用鋼球磨中間儲倉式制粉系統，熱風送粉。燃燒器為直流式四角布置切圓燃燒，每組燃燒器設有五層一次風和七層二次風，一次風、二次風間隔布置，制粉乏氣做為三次風在燃燒器上部從前后墻送人爐膛(分兩層，共八個噴口)。一次風、二次風切圓采用雙切圓布置，切圓直徑為1182 mm和731mm。三次風切圓也為雙切圓布置，切圓直徑為693mm和749mm。6號鍋爐改造前的燃燒器噴口布置見圖1，設計配風見表1。
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1.1 空氣分級燃燒技術
目前，降低燃煤鍋爐NOx排放的燃燒技術主要有低NOx燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒及尾部煙氣再循環等，其中，空氣分級燃燒是一種有效的低NOx燃燒技術。根據西安熱工研究院對中國21個電廠的51 臺鍋爐NOx排放量的調查，采用空氣分級燃燒，鍋爐燃用煙煤、褐煤時基本可以達到國家排放標準。
空氣分級燃燒的基本思想:
a) 降低主燃燒區域的氧氣濃度，進行亞化學當量的缺氧燃燒，以抑制煤粉燃燒過程NOx的形成。因為燃料在缺氧條件下燃燒，燃燒速度和燃燒溫度降低，熱力NOx就會減少，燃料中釋放的含氮中間產物HCN，NH3等也會將NO還原分解成N2，從而抑制燃料NO的生成。
b) 在爐墻附近及爐膛卜部增大氧氣濃度，進行過化學當量的富氧燃燒，以促進煤粉的完全燃燒。
空氣分級燃燒分為軸向空氣分級燃燒和徑向空氣分級燃燒。軸向空氣分級燃燒沿爐膛垂直方向實施分級送風，把一部分二次風由主燃燒區分流到爐膛上方的燃盡區;徑向空氣分級燃燒是在與煙氣垂直的爐膛斷面上組織分級燃燒，通過二次風射流部分偏向爐墻來實現。
黃埔發電廠6號鍋爐為固態排渣燃煤鍋爐，燃用煤揮發分為26%左右。改造前排放的NOx質量濃度為600mg/m3(標準狀態下)，遠高于GB13223一2003《火電廠大氣污染物排放標準》對該類鍋爐燃燒Nox排放的要求(小于450mg/m3)。因此，為了有效降低NOx的排放濃度，綜合運用了軸向和徑向空氣分級燃燒技術進行改造。
1.2 軸向空氣分級燃燒改造
1.2.1燃燒器整體布局
下部主燃燒區基本格局不變，即各一次風標高、二次風標高和三次風標高均不改變。為實現軸向空氣分級，將部分二次風由主燃燒區分流到爐膛上方的燃盡區，通過專門管路從水平二次風箱引出，在三次風上部區域形成分離布置燃盡風(SOFA)。SOFA采取三層布置，而最上層的HH層二次風(見圖1)作為緊靠型燃盡風(CCOFA)。
1.2.2 燃燒系統設計配風
SOFA 風量的選取占總風量的20%;CCOFA風量占總風量的5.5%;一次風采用小風率設計，取22%;三次風率維持不變，取19%。6號鍋爐改造后配風設計見表2，其中二次風的風量又分為SOFA，CCOFA和周界風及其余二次風。
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1.2.3 燃燒器設計計算
由于部分二次風被引出形成SOFA，為了保證二次風噴口的風速和二次風風箱壓力，二次風噴口面積需減少。新增的SOFA噴口及其它噴口面積也需要確定。經設計計算鬧，各燃燒器噴口尺寸選定見表3。
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1.2.4 SOFA噴口高度方向的位置確定
SOFA 噴口高度方向的位置對NOx的降低有很大的影響，SOFA噴口高度方向的中心線距燃燒器最上層噴口(上三次風)中心線高度h的推薦值由公式h=1.5(Vr/10)確定，6號鍋爐燃用煤的揮發分為26%左右，因此h為2.4m，SOFA中心線標高應取29.9m。但現場安裝需繞開鋼梁等障礙物，最終確定SOFA中心線標高31.7m，整個SOFA風箱布置在兩層鋼梁之間，即30.8-32.6m，SOFA中心線距離最上層三次風中心線為4.Zm。
1.3 徑向空氣分級燃燒改造
將部分二次風改造為偏轉二次風，在徑向形成空氣分級，以延緩煤粉與二次風的混合，抑制NOx的生成，同時通過偏轉二次風在水冷壁面附近形成一層風膜，以防止水冷壁結渣和高溫腐蝕的發生。典型的偏轉二次風系統爐內布置見圖2。
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從圖2可知，一次風切角不變，仍采用反切(逆時針方向)5°。AA層二次風仍維持不變，為直吹風;B，E，H層二次風改為正切3°;CD層、FG層二次風改為正切9°;為控制爐膛出口扭轉殘余，HH層改為反切7.5°。SOFA噴口設計成具有上下和水平擺動功能，從而可以調整燃盡風穿透深度和混合效果，并有效防止爐膛出口過大的扭轉殘余。
改造后燃燒器噴口布置見圖3。
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2 改造效果
為檢驗低氮燃燒改造后的效果，2007年7月2日進行了6號鍋爐NOx排放濃度的檢測。在空氣預熱器前水平煙道處抽取煙氣，送人KANE940煙氣成分分析儀，測試煙氣中O2和NOx的質量分數。檢測在3臺磨煤機運行的工況下進行。檢測結果:NOx的排放濃度為437.5mg/m3(標準狀態下，其氧的質量分數為6%)，滿足GB13223一2003《火電廠大氣污染物排放標準》對該類鍋爐NOx排放要求。與改造前NOx排放濃度600mg/m3(標準狀態下)相比，質量濃度降幅度超過25%，改造效果明顯。
3 結論
a) 綜合采用軸向空氣分級和徑向空氣分級的空氣分級燃燒技術，對鍋爐燃燒系統進行了改造。改造后NOx排放的質量濃度由改造前的以600mg/m3下降至437.5mg/m3(標準狀態下)，達到GB13223一2003 《火電廠大氣污染物排放標準》對該類型鍋爐NOx排放的要求，改造效果明顯。
b) SOFA噴口設計成具有上下和水平擺動功能，因此，在降低NO二排放的同時，能有效防止爐膛出口產生過大的扭轉殘余。
c) 采用偏轉二次風，在抑制NOx排放的同時，對防止鍋爐水冷壁結渣和高溫腐蝕有幫助。
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