现行锅炉机组随时间推移，设备性能、工况日趋下降，且当前大气污染物环保要求日益严格，为保证氮氧化物排放达标，限制了锅炉出力，逐渐出现带负荷困难，各项能耗增加，经济效益下降。
关键词:低氮燃烧器节能氮氧化物
一、概述
某厂因锅炉设备老化，为使氮氧化物达标排放，尿素耗量远大于设计指标，经济性能特差。考虑节能环保要求，针对以上所面临的问题，组织相关部门对燃煤锅炉水平烟道出口、脱硝入口进行检测，在不投尿素溶液情况下锅炉出口氮氧化物为500～700mg/m3。显然，低氮燃烧器出现了问题。经过对现场锅炉运行情况摸底调研，锅炉存在以下问题：
1、为控制锅炉出口氮氧化物浓度，长期低氧运行，无法投入SOFA，使得煤粉燃尽效果较差，煤粉燃烧不完全，飞灰含碳量高，机械不完全燃烧及化学不完全燃烧热损失大。现场检查，省煤器处存在大量坚硬碳渣混合物，曾经发生电除尘灰斗积碳再燃。锅炉结焦严重，捞渣机捞出很多大而坚硬的焦渣，锅炉热效率明显下降。
2、SOFA风投不上，投上SCR就超温；主燃区最上2层二次风不能开，开大SCR就超温，因此现有分级配风无法实现。SOFA风长期在低风量状态下运行，锅炉出口氧含量仅为0.5%～1%，产生大量CO，对锅炉运行存在安全事故风险。
3、部分一次风口损坏，燃烧器喷口烧损变形，百叶窗磨损严重，个别百叶窗几乎看不见。部分二次风门执行器坏，二次风风门损坏，内部存在卡涩现象，无法调整。
4、炉内低氮燃烧效果不好，为满足环保氮氧化物排放要求，炉内过量喷尿素溶液，SCR负担过大。导致尾部受热面（低温省煤器、空预器）堵塞严重、腐蚀爆管。
5、尾部受热面堵灰导致空预器换热效果下降，热风温度长期偏低，设计值为335℃，目前普遍在240～280℃。
6、锅炉DCS画面，锅炉的排烟温度较高，有时可到170℃甚至更高，给后面脱硫系统造成极大影响。影响锅炉燃烧，降低经济性。
根据环境保护部《火电厂氮氧化物防治技术政策》的规定，火电厂氮氧化物控制技术的选择原则要求，低氮燃烧技术是燃煤电厂氮氧化物控制的首选技术。针对现有的当地氮氧化物排放标准以及锅炉现有的氮氧化物排放情况，通过低氮燃烧器改造降低NOx排放值，结合尿素热解法脱硝技术，满足现有及今后的一段时间内当地氮氧化物的排放标准。
二、改造方案
针对目前运行中出现的问题，提出以下改造措施：
燃烧器改为低氮燃烧器，维持燃烧角不变，二次风及一次风煤粉燃烧器标高不变。主燃烧器二次风喷口全部更换，三层一次风管及喷口整体更换（最底层一次风更换为等离子层），在上部布置有一组燃尽SOFA风，其中SOFA二层喷口。改造后主燃烧区喷口布置形式从下至上为：2-1-2-1-2-1-2-2，其中1为一次风喷口，2为二次风喷口。一次风采用浓淡燃烧技术，由百叶窗进行分离，将一次风气流分离成浓淡两个部分，两部分之间因上下隔板隔开，喷口处设有带波纹形的稳燃钝体。主燃烧区各喷口风量根据新的风量配比原则进行分配，所有一次风采用强化燃烧喷口。中间两层二次风为分量偏置二次风。SOFA风采用上下、左右摆动喷口结构。
现场一次风燃烧器喷口及浓缩叶片磨损严重，叶片几乎全部磨损，此次改造更换除等离子外所有一次风燃烧器。
一次风采用具有气固流动和煤粉浓缩特性的煤粉浓缩器，流动阻力低，局部阻力系数小于2，并具有高的煤粉浓缩比，浓缩率可达1.6～2.0以上；在保证高浓缩比的条件下，浓淡出口气流流量分配更为均匀，浓淡一次风风量比在1.0～1.1以内；浓缩器叶片结构布置进一步的优化，使浓缩器内气固流动特性和出口气流速度分布更为合理。有效减轻对易磨损部位的冲刷强度，减少叶片间局部阻力损失。
煤粉浓缩器及喷口根据实际运行煤质重新核算流速，保证合理的一次风速度及着火距离，防止炉膛结焦及火焰中心上移。一次风喷口采用折边结构，通过喷口折边导向作用，将周界风向喷口周围吹扫，改善喷口温度及氧化性气氛，防止喷口周围结焦。
改造的喷口周围均保留适当大小的周界风风量。改造方案中一次风喷口标高维持不变。这种布置方式不仅起到了稳燃、降低NOx生成的作用，而且对原有炉内空气动力场不会产生较大的波动，同时还避免形成还原性气氛，防止了水冷壁高温腐蚀现象发生。另外在淡煤粉一次风喷口的背火侧周界风喷口面积适当增加，形成较大出口动量的侧二次风喷口，起到防止炉膛水冷壁结渣和防止高温腐蚀的作用。
上一次风喷口改为上下浓淡燃烧器，中一次风喷口改为水平浓淡燃烧器，下一次风更换为原设计的等离子点火燃烧器。一次风粉气流经过钝体煤粉浓缩器，可在水平方向或上下方向形成浓淡两股气流；实现分级燃烧，形成局部还原区域降低NOx排放的同时，浓相煤粉还可进一步降低煤粉着火热，缩短着火距离。锅炉采用四角切圆燃烧布置，向火侧浓相，背火侧淡相，浓相煤粉集中布置，更有利于煤粉稳燃及形成局部富燃料燃烧的分级燃烧降低NOx排放。
上下浓淡燃烧器和水平浓淡燃烧器的浓淡分离器采用钝体结构浓淡分离器，防磨铸钢一体铸成，增加其使用寿命，
二次风采用垂直空气分级燃烧后，由于主燃烧区处于还原气氛，为了防止发生水冷壁结焦、高温腐蚀事故，控制水冷壁周围富氧区域的NOx以及由于混合不均匀残留在主燃烧区的NOx进入燃尽区，并实现燃烧的水平分级，将中间三层二次风喷口改为贴壁风二次风喷口，通过贴壁风喷嘴导向作用，将部分二次风向喷口周围吹扫，改善喷口温度及氧化性气氛，防止喷口周围、及相邻水冷壁结焦。
修复现场二次风门控制柜、内部存在卡涩现象二次风风门，更换损坏且无法调整的二次风风门及执行器。检查二次风箱密封性，对漏风、损坏部位进行维修，保证风箱的密封性能。
由于入炉煤热值低于原设计，造成入炉煤量增加，一次风管内风速长时间较高，部分弯头磨损严重，更换一次风管道风粉混合器之后的弯头，弯头采用内贴陶瓷防磨，保证弯头内径、弯曲半径与原管道一致，控制弯头阻力不大于原弯头。
三、改造效果
为了验证改造的效果，对设计、制造、施工、调试全程质量控制。现场喷口安装进行切圆检查、验收，锅炉点火前进行炉膛冷态动力场测试（包括风门特性、一次风调平、二次风调平、炉内动力场测试等），锅炉运行后进行热态调试（包括配风调整、一次风热态调平、负荷变化调整、效率测试等。锅炉运行稳定后，由第三方对燃烧器改造做测试，给出以下测试结果：
锅炉按目前燃用煤种改造后，锅炉在75～100%负荷下炉膛出口NOx浓度≤350mg/Nm³（干基、标态、6%O2），锅炉在较低负荷（50～75%）下炉膛出口NOx浓度≤380mg/Nm³（干基、标态、6%O2）。燃烧器改造后具有较好的煤种适应性，在设计煤种范围内、煤粉细度正常时，锅炉未发生严重结焦和腐蚀现象。火焰中心适当，不刷壁，炉膛出口烟温适当。低氮燃烧系统安全可靠、功能完整、未降低锅炉改造前效率，没有对锅炉正常运行影响。
以上对锅炉低氮燃烧器改造，实现了锅炉安全、经济运行，从根本上消除结焦、高温腐蚀、燃烧经济性差、机组带负荷能力差等问题，同时实现NOx排放浓度达标，炉膛出口NOx浓度<350mg/Nm3。降低了原煤、尿素耗量，节约厂用电率。
参考文献:
1.樊泉桂，严维平。锅炉原理。北京：中国电力出版社，2004
2.朱全利。锅炉设备及系统。北京：中国电力出版社，2006
3.童有武，张孝勇。锅炉安装调试运行维护实用手册。北京：地震出版社，1999
4.黄新元。电站锅炉运行与燃烧调整。北京：中国电力出版社，2016