0、引言
    國華北京熱電分公司4臺鍋爐為哈爾濱鍋爐廠設(shè)計的410t/h煤粉爐，原設(shè)計使用大同混煤，后改為神華和準格爾的混煤，煤質(zhì)分析見表1。爐膛斷面為9800 mmx9800mm，由膜式水冷壁組成。頂棚管中心線標高39000 mm，鍋筒中心線標高42600 mm，運轉(zhuǎn)層標高9000mm，燃燒器布置在13～16m標高之間。燃燒方式為四角噴燃切圓燃燒，均等配風(fēng)，一次風(fēng)噴嘴分為3層，制粉乏氣作為三次風(fēng)從燃燒器上部送入爐膛，采用單層燃燼風(fēng)。
    鍋爐NOx原排放量基本在650—800 mg/m3(以下數(shù)值均換算到標況下)。近年來國家對于環(huán)境質(zhì)量日益重視，北京市對燃煤發(fā)電廠環(huán)保排放提出了新的要求，而國華北京熱電分公司鍋爐的NOx排放大大超過了北京市即將出臺的200mg/m3的標準。
    為了滿足北京市對于燃煤鍋爐NOx的排放要求，將4臺鍋爐的燃燒器改為低NOx燃燒器，并將燃燒器的布置進行了改動。改造后，鍋爐按照改造前的運行方式，鍋爐煙氣中NOx的排放濃度明顯下降，由改造前的超過600mg/m3下降到400mg/m3左右。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)NOx生成機理結(jié)合改造后設(shè)備的特點，對鍋爐進行了燃燒調(diào)整試驗。富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(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，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
1、NOx的生成機理
    燃煤鍋爐煙氣中NOx的構(gòu)成原因目前在學(xué)術(shù)界一般認為由以下3個主要部分。
1.1熱力型
    一般認為這部分NOx主要由空氣中的N2在高溫下與02發(fā)生反應(yīng)生成，其反應(yīng)方程式如下：
    N2+02=2NO
    該反應(yīng)在溫度<1350℃時不會發(fā)生，但是當(dāng)>1350℃時，每升高lOO℃，NOx的生成量將成倍增加，這部分NOx占總排放量的5%～15%左右。
1.2  瞬時反應(yīng)型
    在高溫條件下空氣中的N2與02在“偶然”碰撞中發(fā)生反應(yīng)生成NOx，約占總生成量的5%。
1.3燃料型
    燃料中的N元素，送人爐膛燃燒，受熱后會隨著揮發(fā)分的釋放而產(chǎn)生大量的含N基團，如N，CN，HCN，NHi等，這些中間產(chǎn)物很不穩(wěn)定，反應(yīng)活性很強，遇到02極易發(fā)生反應(yīng)生成NOx，但是在缺氧的氣氛中，這些中間產(chǎn)物則會彼此之間發(fā)生反應(yīng)生成N2。
    隨揮發(fā)分釋放的含N基團一般認為也是跟溫度環(huán)境有關(guān)，周圍煙氣環(huán)境溫度越高，釋放的基團越多，生成的NOx也就越多，周圍煙氣環(huán)境溫度越低，隨揮發(fā)分釋放出來的基團越少，生成的NOx則越少。
2、低NOx燃燒器改造
    利用目前國內(nèi)外廣泛采用的燃料分級和空氣分級技術(shù)，通過對燃燒器的改造，達到燃料和空氣雙分級的目的，通過調(diào)整風(fēng)粉在爐膛空間的配置，來實現(xiàn)降低NOx排放的目的。各噴口改造前后位置對比見表2和圖1。
    燃燒器寬420mm．總高度為6162mm。再燃噴口布置在15 862 mm標高處，中心到屏底的距離為13.3m。
    將爐膛從下往上依次分為主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃燼區(qū)3個部分。在主燃區(qū)送人75%的燃料在過氧條件下進行充分燃燒。再燃區(qū)將其余25%的煤粉燃料送人，并控制燃料／氧化學(xué)當(dāng)量比<1．形成還原性氣氛，再燃燃料與主燃燒區(qū)生成的NOx進行還原反應(yīng)，最終生成N2。在燃燼區(qū)加入其余空氣，過量空氣系數(shù)恢復(fù)到正常值(a=1.15，氧量2.7%)，使未完全燃燒產(chǎn)物充分燃燒，以保證燃燼效果。主燃區(qū)低氧分級燃燒：在組織燃燒時，結(jié)合空氣分級燃燒技術(shù)、低氧燃燒技術(shù)，并采用浙江大學(xué)自主研制的煤粉濃淡穩(wěn)燃及低NOx燃燒技術(shù)，同時減少熱力型和燃料型NOx的生成，使NOx生成總量大幅度降低，并有效減少爐內(nèi)結(jié)渣現(xiàn)象。
3、燃燒調(diào)整試驗
    改造后，額定負荷410t/h工況，各層二次風(fēng)風(fēng)量相同的情況下，實測得鍋爐尾部煙氣中NOx的濃度為400～450mg/m3。
    為了研究改造后鍋爐的性能及風(fēng)、粉的調(diào)節(jié)與NO。排放之間的規(guī)律，進行了燃燒調(diào)整試驗，考察了不同制粉系統(tǒng)投運方式、燃燼風(fēng)率等運行參數(shù)對鍋爐效率及NOx排放的影響。
3.1制粉系統(tǒng)運行試驗
    每臺鍋爐配2套中儲式制粉系統(tǒng)，每臺排粉機出口對應(yīng)1層三次風(fēng)噴口，三次風(fēng)分上下2層布置。為了考察在相同負荷下三次風(fēng)對NOx排放量產(chǎn)生的影響，在410 t／h負荷下進行了雙磨、單磨和無磨3種工況試驗。具體試驗數(shù)據(jù)如表3所示。
    由表3可見，在雙磨、單磨和無磨的運行工況下，NOx排放量依次降低。這主要是因為三次風(fēng)中煤粉濃度較低，而氧量充足，三次風(fēng)所帶煤粉從燃燒初期就在富氧的條件下燃燒，而且三次風(fēng)所在的位置也是熱負荷比較高的部位，溫度較高，因此易生成大量NOx，這部分生成的主要為燃料型NOx。磨煤機投運越多，由一次風(fēng)攜帶出來的煤粉相應(yīng)減少，三次風(fēng)量就越大，故而NOx生成量就越多。
3.2燃燼風(fēng)開度調(diào)整試驗
    為了考察不同燃燼風(fēng)量在滿負荷狀態(tài)下對NOx排放的影響關(guān)系，在410t／h負荷下保持總風(fēng)量和下二次風(fēng)風(fēng)量不變，上層二次風(fēng)全開，通過調(diào)整中間2層三次風(fēng)風(fēng)門開度和燃燼風(fēng)開度來實現(xiàn)對燃燼風(fēng)率的調(diào)整。試驗數(shù)據(jù)參見表4。
    從表4可以看出，隨著中間2層風(fēng)門的關(guān)小和燃燼風(fēng)門的開大，燃燼風(fēng)率增大．NOx排放呈現(xiàn)出先降后漲的趨勢，為了驗證此規(guī)律非偶然因素所致，特安排做了2次重復(fù)性試驗，規(guī)律都一致。改變?nèi)紶a風(fēng)門開度對NOx排放的影響很大，燃燼風(fēng)門開度控制在80%左右為宜。
    減小中二次風(fēng)和上二次風(fēng)風(fēng)門開度，降低這2層二次風(fēng)風(fēng)量，將使下層噴燃器和第2層噴燃器出來的煤粉相對處于缺氧的環(huán)境中燃燒，可以有效地減少燃料型NOx的生成。而增大燃燼風(fēng)則可以使下2層未完全燃燒的煤粉獲得燃燼的補充，從而使燃燒更加完全。
    神華煤揮發(fā)分高，是一種易燃煤種。易燃特性導(dǎo)致神華煤燃燒過快、過分集中，局部區(qū)域（燃燒器區(qū)）熱負荷偏高，為熱力型NOx的生成客觀上創(chuàng)造了有利的條件。在>1350℃的條件下，溫度每升高100℃，NOx的生成將成倍的增加。因此，在試驗中減少中二次風(fēng)和上二次風(fēng)風(fēng)量，可以起到延緩煤粉燃燒的目的，使燃燒在爐膛的垂直方向上更為均衡，熱負荷更為均衡，減輕局部熱負荷過高的壓力，從而減少燃料型和熱力型NOx的生成。此次燃燒器的改造根據(jù)這一原理，將燃燒器的距離在垂直方向拉大，也是為了均衡熱負荷在垂直方向上的強度，從而起到降低NOx生成的作用。由于爐膛熱負荷的分散，燃燒器區(qū)域附近水冷壁結(jié)渣也得到緩解。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
4、運行策略
4.1制粉系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)
    從以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，無磨和單磨運行時NOx的排放是較低的。因此在實際的運行中，運行人員應(yīng)該合理地配置制粉系統(tǒng)的運行方式，盡可能采取無磨和單磨運行方式，減少三次風(fēng)帶粉。比如在鍋爐負荷比較低的時候(<310t/h)，應(yīng)該使制粉系統(tǒng)保持最大出力，提高粉倉粉位，創(chuàng)造停磨時間；在高負荷時，應(yīng)該盡量減少三次風(fēng)帶粉量。
4.2給粉的調(diào)節(jié)
    應(yīng)該盡量考慮提高下2層給粉機轉(zhuǎn)速，讓下2層給粉機多帶粉運行，盡量減小上層給粉機轉(zhuǎn)速，在負荷較低時，可以停止1—2個上層給粉機的運行。增加下2層給粉后，通過二次風(fēng)的調(diào)節(jié)，刻意創(chuàng)造出下面2層給粉缺氧燃燒的氛圍，使下2層給粉的燃燒滯后，從而降低該區(qū)域的熱負荷，抑制NOx的大量生成。
    由于在改造中將下一次風(fēng)位置下移605 mm，下層噴燃器出來的煤粉燃燒空間減少，如果下一次風(fēng)煤粉增加過多，下二次風(fēng)將托不住下層煤粉，下層煤粉將大量掉落在冷灰斗，渣含碳量將增大，未完全燃燒損失也將增大。因此，在運行過程中，可以考慮增加第2層給粉機的轉(zhuǎn)速，減少第1層給粉機轉(zhuǎn)速。運行中，根據(jù)不同的負荷可以將下層給粉機與第2層給粉機轉(zhuǎn)速偏差設(shè)定為5%～15%。實際試驗證明，2層轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)可以使NOx降低10～20 mg/m3。
4.3二次風(fēng)的調(diào)節(jié)
    二次風(fēng)的調(diào)節(jié)是降低NOx運行調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，一般認為，創(chuàng)造還原性燃燒環(huán)境可以有效減少燃燒過程中燃料型NOx的生成。在實際運行中，由于下二次風(fēng)要起托火的作用，不能關(guān)得太小。在此條件下，可以通過減少中二次風(fēng)和上二次風(fēng)的風(fēng)量，配合下2層給粉的增加，使下2層燃燒器所處燃燒區(qū)煤粉的燃燒處于相對缺氧的還原性氣氛，從而達到降低燃料型NOx生成的目的。表5是不同鍋爐負荷和磨煤機組合工況時，各層二次風(fēng)小風(fēng)門開度的推薦值。
4.4鍋爐出口氧量的控制
    鍋爐出口氧量是表征燃料在爐膛里燃燒是否充分的參數(shù)。出口氧量過高將導(dǎo)致排煙損失增大，而且燃料在高氧量下燃燒將對NOx的生成產(chǎn)生負面的影響，但是過低的氧量會使飛灰可燃物含量增大，降低鍋爐效率，所以在運行中，應(yīng)該二者兼顧。
    從低氧燃燒試驗和以上的試驗結(jié)果來看，在氧量大于4%時，NOx的生成大大提高，在額定工況下飛灰可燃物為1.5%～2.0%；當(dāng)氧量小于2.5%時，飛灰可燃物迅速增大到3.5%～4.5%。最終確定爐膛出口氧量控制在2.7%～3.3%之間為宜，此時飛灰可燃物可控制在2.0%～2.5%。
5、結(jié)語
    根據(jù)燃煤鍋爐煙氣中NOx的主要生成因素，利用燃料和空氣雙分級的技術(shù)，有針對性地對鍋爐進行了低NOx燃燒器的改造，降低了燃燒器區(qū)域的熱負荷強度，減少了熱力型NOx的生成。改造完成后，通過燃燒調(diào)整試驗確定了最佳運行方式，有效降低了NOx的排放，取得了良好的效果。