张国新 ZHANG Guo-xin
（三河发电有限责任公司，三河 065201）
摘要： 某火电厂进行低氮燃烧器改造，增加脱硝系统，锅炉NOX排放实现国家新标准。燃烧器改造和脱硝投入后，出现低负荷再热器温度偏低，脱硝入口温度低等问题，通过调整SOFA角度，氧量风门控制，锅炉合理吹灰等方法得到解决，实现NOX排放在100mg/Nm3以内，满足运行环保要求，可以为其它同类型机组改造设计提供参考和借鉴。
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关键词 ： 低氮；燃烧器；氧量；脱硝；分级燃烧
中图分类号：X773 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）23-0065-04
作者简介：张国新（1972-），男，河北廊坊人，工程师，华北电力大学热能与动力工程专业毕业，从事电厂集控运行管理工作。
1 简介
三河一期2×350MW燃煤机组，日本三菱制造，锅炉为亚临界强制循环汽包炉、单炉膛Π形布置，锅炉最大连续出力（BMCR工况）1175t/h。锅炉燃烧系统采用四角切圆燃烧方式，锅炉四角安装16只三菱公司早期低NOX燃烧器和分级配风。整组燃烧器为一、二次风间隔布置，两级燃烧，顶部布置AA风，燃烧器整组可摆动±30°。制粉系统安装四台双进双出磨煤机、八台电子称重式皮带给煤机。2010年完成锅炉微油点火改造。
根据国家环保新标准规定：对于重点地区，所有火力发电锅炉均执行NOX100mg/Nm3限值。按照现有设备状况，通过运行调整已无法满足环保要求，必须通过设备改造，才能满足最新燃煤锅炉的NOX排放标准。
2 燃烧器改造
2.1 燃烧器改造
锅炉原安装三菱公司早期的低NOX燃烧器16只，分四层布置在锅炉四角，在机组投产后，氮氧化物排放浓度在400～650mg/Nm3。2013年3月采用烟台龙源 “双尺度低NOX燃烧技术”进行锅炉低氮燃烧器改造，降低锅炉省煤器出口NOX浓度。双尺度低NOX燃烧器布置见图1。
改造将原燃烧器的煤粉燃烧器一次风组件和二次风喷口进行更换；并将主燃烧器摆动执行器更换，可以实现四个角同时控制同时也可以实现通过更改偏置进行调平控制。主燃烧器区域二次风门执行器不变，一、二次风喷口整组做上、下摆动±30°；主燃烧器的四层16只煤粉燃烧器除下层燃烧器保留微油点火功能外，其它12只一次风喷口采用上下浓淡分离技术，调整一次风喷口内调整板角度（图2），控制煤粉浓淡分离进入炉膛，实现浓淡分级燃烧，降低主燃区氮氧化物生成。
燃尽风区域将原有AA风燃烧器拆除，在主燃烧器最上层一次风上方标高26.776米处增加了4层分离燃尽风SOFA喷口，更换SOFA喷口摆动执行器和二次风门开度执行器，SOFA喷口可垂直水平双向摆动。SOFA风箱从大风箱顶部取风，采用主燃烧器区域大风箱上沿布置；增加的四层SOFA风喷嘴，实现煤粉分级燃烧。
2.2 燃烧器低氮分析
锅炉采用上下浓淡燃烧器和分级燃烧，在空间上分为主燃区、还原区和燃尽区（图3）。煤粉经浓淡分离技术进入炉膛分级燃烧，通过控制燃烧器区域氧量，使大量煤粉在主燃烧区微富氧燃烧，浓度高煤粉着火时火焰温度比较高，氧气比相对小，生产NOX相对几率小，浓度低煤粉着火时氧气比相对大，距火焰高温区比较远，生产NOX量相对少。少量煤粉在还原区缺氧燃烧产生很强的还原性气体，使在主燃烧区产生的NOX被还原成N2，并且抑制新的NOX生成，实现在还原区脱氮，降低炉膛出口NOX浓度。在燃尽区增大SOFA风量，保证煤粉充分燃尽，此处距火焰高温区更远，生成热力NOX量少，降低NOX浓度。
2.3 燃烧器改造效果
2013年6月#2炉低氮燃烧器改造完成，机组启动后进行不同负荷锅炉下、不同煤质和磨煤机运行组合方式下的热态燃烧调整。通过燃烧调整后，锅炉氮氧化物排放浓度降低效果明显。省煤器出口烟气中NOX浓度可达到160～220mg/Nm3，比改造前NOX浓度最高值712mg/Nm3大幅降低（表1）。
2.4 燃烧器改造后运行分析与研究
燃烧器改造后在低负荷运行时出现再热汽温偏低现象，180MW时再热汽温小于530℃。从实际运行调整趋势（图4）中可以看出：运行中燃烧器摆角摆动对主蒸汽减温水量影响较大，随着摆角上摆主蒸汽减温水明显增加，但是对于再热蒸汽温度提高不大。反之随着摆角下摆主蒸汽减温水明显减少，同时再热蒸汽温度降低不多。
2.4.1 SOFA风摆角对再热汽温的影响
在低负荷工况满足NOX要求时对SOFA风垂直摆角进行微调，改变炉膛燃烧工况，可以提高低负荷时再热汽温。
2.4.2 配风方式和氧量对汽温的影响
从实际运行调整看，调整风门开度与氧量，可以达到合理控制锅炉出口NOX浓度和提高再热汽温的目的。燃烧器改造后负荷升降过程中氧量跟踪较慢，低氮的配风方式使得炉膛火焰中心提高，氧量大幅波动导致火焰中心变化，造成汽温不稳。为了保证燃烧器改造后运行参数正常，又保证最大限度降低NOX水平，通过燃烧调整试验，制定了最优的燃烧器风门、摆角及氧量操作指导卡（表2）。
3 增加SCR脱硝系统
3.1 SCR反应原理
选择性催化还原（SCR）技术利用氨（NH3）对NOX的还原功能，将体积浓度为5%的氨气通过氨注入装置，喷入温度为280℃～420℃的烟气中，在催化剂作用下，氨气（NH3）将烟气中的NO和NO2经过一系列的化学反应还原成氮气（N2）和水（H2O），其化学反应式如下：
3.2 脱硝系统改造
新增脱硝系统的反应器布置在省煤器和空气预热器之间。在反应器进口烟道内装有氨注入装置和导流板，反应器支撑在底部钢架上，底部钢架的标高为34.168m，每台反应器装有2层催化剂和1层催化剂预留层。为防止催化剂被烟尘堵塞，每层催化剂区域布置了6只声波吹灰器（图5）。
烟气在锅炉省煤器出口处被平均分为两路，每路烟气经过垂直上升的烟道后水平接入垂直布置的SCR反应器，经过均流器后进入催化剂层。公用系统制备的氨气输送至炉前，通过混合器与稀释风混合稀释后进入烟道，稀释后的氨/空气混合气通过烟道内的涡流混合器与烟气进行充分、均匀的混合后进入反应器，在催化剂的作用下，氨气与烟气中的NOX反应生成氮气和水，从而达到除去氮氧化物的目的。
3.3 脱硝改造后运行分析与研究
3.3.1 供氨量控制
锅炉脱硝装置出口的NOX排放浓度要求小于100mg/Nm3，为保持出口NOX值稳定，需要根据出口的NOX浓度控制反应器的供氨量。
脱硝系统自动控制分为两级串级控制，即基本喷氨量控制和脱硝效率控制。基本喷氨量自动调节输入量为进口NOX浓度、烟气流量和摩尔比。进口NOX浓度和烟气流量的乘积为NOX流量信号，然后此信号与所要求的NH3/NOX摩尔比相乘得到氨耗量信号。其中脱硝效率为80%、氨逃逸率为3ppm时，相应的NH3/NOX摩尔比约为0.821。氨耗量计算出后将信号送到喷氨调门控制器中，与实际氨流量进行比较，对偏差信号进行PID调节，调整喷氨调门的开度。脱硝自动调节回路增加脱硝效率控制形成闭环调节，通过主控制器设定脱硝效率，对基本喷氨量进行±15%喷氨量修正。通过设定效率与实际效率偏差控制后，主控制器输出范围0.85～1.15，基本喷氨量乘以主控制器输出值为实际喷氨量。实现锅炉出口NOX值稳定，满足NOX排放要求。
3.3.2 稀释空气控制
稀释空气由锅炉冷一次风系统引出接至到脱硝混合器中。稀释空气流量可用电动调节门进行控制。根据氨气占整个混合气体的比例约5%，计算稀释空气的流量。将空气流量信号与氨流量信号相比得出稀释比例，以控制在氨气爆炸极限范围内。在锅炉运行脱硝系统停运时，稀释风正常运行，防止注氨喷嘴堵塞。
3.3.3 声波吹灰系统控制
脱硝系统配备12台声波吹灰器，通过电磁阀控制，分组运行，必要时可单台运行。分组运行时每组3台同时运行，运行周期为150S，吹灰时间为10S。脱硝系统改造后，催化剂层出现烟尘沉积将导致阻力增大，影响脱硝效率和风机出力，运行中要加强压差监控，及时对催化剂进行吹灰和检查。
3.3.4 脱硝系统保护
根据脱硝系统催化剂的运行允许条件，脱硝系统控制设置了自动保护功能，以保证设备安全运行。在保护逻辑中，当满足任何一条时，脱硝系统停运，关闭SCR反应器氨供应管道紧急关断阀。①锅炉MFT动作。②稀释风流量低于保护定值。③SCR入口烟气温度低于290或高于400℃。④SCR出口烟气中NH3浓度高于3.75mg/Nm3 （5ppm）。
3.4 运行方式管控
3.4.1 优化运行方式，控制入口烟温
机组低负荷运行，脱硝入口烟气温度低于保护动作的温度时，脱硝系统将停运。在机组降负荷停磨煤机过程中，多次发生脱硝入口烟气温度低脱硝系统停运现象。经过调整试验，可以通过增加氧量偏置，提高风量，减少锅炉吹灰等措施，满足脱硝对入口烟气温度的要求。
3.4.2 合理控制烟温变化速率
锅炉启动初期严格按温升曲线要求进行升温及带负荷，防止催化剂温升过快而烧结损坏。入口烟温不满足要求不投氨，控制氨逃逸，提高催化剂使用寿命。
3.4.3 优化燃烧控制和吹灰
合理进行催化剂吹灰，锅炉投油、投粉燃烧初期加强烟道、空预器等积粉再燃的预防与控制，加强脱硝催化剂吹灰，减少催化剂积粉及粘油再燃损坏。
4 结论
某火电厂通过完成锅炉低氮燃烧器改造和增加烟气脱硝系统，达到了降低NOX排放浓度的改造要求。锅炉燃烧器改造后炉膛NOX排放由改造前715mg/Nm3降低至200mg/Nm3左右，减少了脱硝用氨量。增加脱硝系统后NOX浓度排放小于100mg/Nm3。低氮燃烧改造后出现低负荷再热器温度偏低、脱硝入口温度低等问题，通过调整SOFA角度，氧量风门控制，锅炉合理吹灰等方式优化，问题基本得到解决，可以为其它同类型机组改造设计提供参考和借鉴。
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参考文献：
[1]胡伟峰.600MW锅炉低氮燃烧器改造可行性研究[J].电力建设，2009.
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[3]王晓波，归柯庭.铁基催化剂低温脱硝性能研究[J].工程热物理学报，2013（09）.