1.前言
當前，我國霧霾防治形勢逼人，盡管霧霾產生的成因尚未完全研究清晰，但在社會輿論的壓力和國家日益嚴格的節能減排政策面前，電力行業節能減排的壓力不斷增大，而燃煤發電機組在相當長的一段時期內仍然是我國發電行業中的主力，對于環保部*新頒布的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011），即從2014年7月1日起，現有火力發電鍋爐要達到標準規定的排放限值，燃煤發電企業紛紛進行環保設施的改造，如鍋爐低氮燃燒器的改造，改造后降低NOx的排放取得較好效果，但也給鍋爐安全、穩定和經濟運行帶來了一定的影響。
2.NOx治理現狀
國內外已對NOx的危害、燃煤發電燃燒過程中NOx的生成機理和降低NOx技術進行了較為充分的研究，可分為三種[1]：熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx；其中，燃料型NOx約占80-90%，是各種低NOx技術控制的主要對象；其次是熱力型，主要是由于爐內局部高溫造成，快速型NOx生成量很少。NOx的控制方法可分為燃燒前處理、燃燒中處理和燃燒后處理。燃燒前脫氮主要是在燃燒前將燃料轉化為低氮燃料，技術復雜，難度大，成本高，目前僅限于研究階段；燃燒中脫氮主要有：一是抑制燃燒中NOx的形成，二是還原已形成的NOx；燃燒后脫氮主要是指煙氣脫硝：包括選擇性催化還原法、選擇性非催化還原法等。
目前被大家公認，并已在各燃煤機組鍋爐上廣為應用的降NOx方法，主要是燃燒中脫氮的低氮燃燒技術加燃燒后脫氮的煙氣脫硝技術；燃燒中脫氮是根據NOx的生成機理采取的低氮燃燒技術主要是：低氧燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環等，該技術的主要機理就是將燃燒器通過縱向布置形成氧化還原、主還原、燃盡三區，對于四角切圓燃燒鍋爐還可通過橫向雙區布置形成近壁區和中心區兩個區域，從而實現燃料與配風在爐膛內分區、分級、低溫、低氧燃燒，降低煤粉燃燒過程中NOx生成量。從2011年至今，該低氮燃燒技術在全國的燃煤鍋爐上大范圍應用，通過改造和運行優化，NOx減排量可達30%—70%，對于四角切圓燃燒鍋爐NOx的排放濃度可由原來的400-600mg/m3降為200mg/m3以內，對沖燃燒鍋爐NOx的排放濃度可由原來的500-700mg/m3降為370mg/m3以內，“W”火焰燃燒鍋爐NOx的排放濃度[3]可由原來的1100-1300mg/m3降為800mg/m3以內。目前，局限于低氮燃燒技術研究和發展，且該技術很短時期內在在運鍋爐上快速、集中、大量的應用后，其技術尚未來得及進行消化吸收、優化改進等，筆者針對產生的問題和應對措施進行探討。
3.低氮燃燒技術應用改造后存在問題及原因分析
從低氮燃燒技術在大量電站燃煤鍋爐應用實踐證明，降NOx有效且明顯，但鍋爐由于燃用煤種不同，其爐型也不同，NOx的排放水平也不同，低氮燃燒技術在不同爐型上應用后減排效果和產生的問題也不同；其中，四角切圓燃燒鍋爐其本身的NOx的排放水平*低，改造后NOx減排效果*好，產生的其它影響也*小，對沖燃燒鍋爐次之，“W”火焰燃燒鍋爐*差。具體產生的問題和原因分析如下：
3.1灰、爐渣可燃物增加，爐效下降
低氮燃燒器改造后，雖然NOx降幅很大，但即使在燃用同一煤種時，飛灰可燃物升幅也較大。主要是低氮燃燒技術采用低溫、低氧燃燒，主燃區的溫度下降較多，控制和推遲煤粉的著火,并降低著火區的氧量，使煤粉燃燼能力下降，燃燒過程延長，飛灰和爐渣可燃物增大。有的改造時，改變了燃燒器一、二次風噴口和燃盡風噴口的面積，造成二次風與一次風的混合延遲，不利于煤粉氣流的著火和燃燒。根據已改造鍋爐試驗數據表明，對于四角切圓燃燒鍋爐飛灰可燃物升幅為0.5—1個百分點，對沖燃燒鍋爐飛灰可燃物升幅為1—1.5個百分點，“W”火焰燃燒鍋爐飛灰可燃物升幅為2—4個百分點，影響鍋爐效率下降0.4—1.6個百分點。
3.2蒸汽參數偏離設計值，過、再熱減溫水量增加，屏過或再熱器超溫
鍋爐采用空氣分級低氮燃燒技術改造后，一方面，燃燒延遲，火焰中心上移，爐膛出口煙溫上升，鍋爐的過熱汽溫、再熱汽溫上升，對于原來存在過熱汽溫、再熱汽溫超設計值的問題則加劇，過、再熱減溫水量增加。而另一方面，主燃區溫度降低，爐內溫度分布更加均勻，對于原來爐膛水冷壁的沾污結渣情況嚴重的則會改善，水冷壁吸熱增加，爐膛出口煙溫降低，過熱器溫升、再熱器溫升下降，對于原來存在過熱汽溫、再熱汽溫低的問題則更達不到超設計值。
低氮燃燒技術改造后，產生鍋爐過熱器減溫水量增大的問題較多，因為煤粉燃燒過程延長，加之采用的燃盡風，爐膛出口煙氣溫度升高；同時爐膛溫度下降，爐膛水冷壁輻射吸熱量減少，對流受熱面的吸熱份額增加，導致過熱器減溫水量增加。
3.3爐內燃燒工況變差，配煤、配風、穩燃性能下降
因采用低溫、低氧燃燒，爐膛溫度下降，煤粉在低溫缺氧情況下著火推遲,同時燃燼能力下降，爐內燃燒工況較改造前變差，改造前原采用的配煤、配風方式很大程度上不適用，對鍋爐的蒸汽參數、飛灰爐渣、排煙溫度、熱工品質等指標產生新的影響，同時鍋爐低負荷穩燃能力下降。
3.4熱工自動控制性能下降，蒸汽參數波動大，機組AGC響應速率慢
低氮燃燒器改造后，在同一煤種下同負荷下，由于燃料在爐內燃燒反應減緩，各級受熱面的煙溫分布和吸熱量發生變化，具體表現有，熱工自動控制遲緩和過調現象明顯增加，導致蒸汽參數波動大；對于一些區域，對機組AGC響應速率要求較高，往往出現AGC響應速率遲緩，不能滿足電網的要求。主要原因是熱工的控制系統定值、控制曲線沒有進行相應的優化調整，如：原靜態、動態負荷—煤量控制曲線，制粉系統冷、熱風門解耦控制系統，減溫水自動控制系統；一次調頻鍋爐主控前饋系統。
3.5燃燒器上部水冷壁區域高溫腐蝕加劇，過熱器產生結焦
鍋爐水冷壁高溫腐蝕現象在對沖燃燒和“W”火焰燃燒鍋爐上較為突出，主要是燃燒器區水冷壁存在著較強的還原性氣氛如CO、H2S等，燃燒區域氧含量在2%以下會產生大量CO，由于低氮燃燒其中采用了低氧燃燒，勢必會使增加CO的產生，加劇水冷壁區域高溫腐蝕。
因增加了高位燃盡風，在總風量不變的情況下，二次風量減小，導致煤粉缺氧燃燒，一次風與二次風摻混時間都發生推遲,使得爐內煤粉燃燒過程拉長，爐膛火焰中心上移,相應爐膛出口煙溫升高，未能燃燼的成分隨氣流上升到上部區域與燃盡風等強烈混合，在此區域開始劇烈燃燒，造成此區域溫度高，容易引起過熱器超溫、結焦和積灰。
3.6鍋爐煤種適應性變差
低氮燃燒器改造后，經過燃燒優化調整，在一定程度上能使NOx的排放水平和鍋爐經濟性取得較好匹配，但鍋爐燃用煤種發生變化后，原先鍋爐經濟指標和環保指標的平衡關系旋即被打破，如：高熱值、高揮發分煤種時，NOx的排放濃度雖略有增加但較易調整控制，也伴隨著出現燃燒器噴口易結焦、過熱器易超溫、過熱減溫水量增加等現象；當燃用劣質煤或水分偏大的煤種時,NOx的排放濃度雖略有降低但調整控制較困難，特別是上層燃燒器煤質較差時,再熱器超溫情況明顯增加等。
4.對策
目前，燃煤電廠鍋爐低氮燃燒技術尚未全部完成改造，同時該技術的應用中出現的問題正逐漸暴露，根據已發現問題，研究對策如下：
4.1改造前的充分評估
鍋爐的排放指標尤其是NOx的排放濃度與煤種、鍋爐選型、燃燒器型式密切相關，對于在運鍋爐，爐型已確定，但由于近年來，燃煤電廠為了增加營利能力和應對多變電煤的市場，鍋爐燃用的煤質大多進行摻混且劣于原設計煤種，因此低氮燃燒技術改造前，首先應充分評估鍋爐現有主要燃用煤種和常用煤種，在改造可行性論證中由于煤種選定不當造成改造后NOx減排效果不明顯并產生新的問題的不乏其數，其次是對在運鍋爐進行摸底試驗，充分評估鍋爐運行中存在的燃燒性能、蒸汽參數、受熱面壁溫、結焦結渣、運行調整、熱工自動等方面的問題，提出科學合理改造預期目標，權衡鍋爐經濟指標和環保指標，并通過改造有效改善現有存在的問題。
4.2科學的燃燒運行優化調整
鍋爐低氮燃燒技術改造后，燃燒器的型式已確定，但對于不同的煤種，燃燒條件的不同、鍋爐負荷的不同、燃燒溫度的變化、所需的空氣量不同，NOx的生成量將會變化，所以鍋爐運行方式將起主導作用，因此降低NOx排放量的主要措施是燃燒優化調整，并且在滿足環保排放要求的前提下要*大程度兼顧運行經濟性。具體措施如下：
4.2.1爐內分層配煤混燒
結合鍋爐的配煤摻燒，在兼顧排放濃度、穩燃等方面條件下*大程度消化經濟煤種，建議煙煤宜在配置下層燃燒器保鍋爐穩燃；褐煤揮發分高宜配置在中間層燃燒器低氧燃燒可控制NOx的產生；貧煤宜配置在上層燃燒器有利于著火和二次分級燃燒。同時各磨煤機應根據不同煤種確定其合理的經濟煤粉細度。
4.2.2根據煤種、負荷配風
額定負荷工況下，煙煤揮發分高在下層燃燒器主要用于穩燃，宜配中等風，如配以大風量則不利于控制NOx的產生和整個爐內的低氧燃燒；褐煤若配以大風量則NOx的生成量較大，宜少配風；貧煤、無煙煤揮發分低，為確保燃燼宜多配風。考慮穩燃、低氧、分級，配風方式宜采用縮腰倒寶塔型，即：下層風門開度30-50%，中間風門開度不宜小于10%，上層風門開度50-70%，不建議SOFA風門開度長期在100%。當負荷降低時，在保證穩燃的基礎上經濟煤種摻配比例可增大，對控制NOx的產生有利。
4.2.3優化控制鍋爐運行氧量
燃料在鍋爐燃燒中氧量的大小的控制，不僅影響鍋爐運行的經濟性，更為重要的是對NOx產生的控制起著決定性作用；鍋爐低氮燃燒技術改造后，更應對低氧燃燒有明確
的認識，額定負荷工況下，燃用貧煤、無煙煤爐膛氧量宜控制在3.5-4%，燃用煙煤爐膛氧量宜控制在2.5-3%，燃用褐煤爐膛氧量宜控制在2%，低負荷運行時爐膛氧量宜在基礎上增加1%。
4.2.4優化熱工自動控制
鍋爐低氮燃燒技術改造后，燃料在爐內燃燒過程相對延緩和延長，熱工的控制系統定值、控制曲線應做相應的優化調整。在改造后鍋爐實際運行情況中發現，在機組增加負荷時，風量調節明顯滯后于煤量的變化，汽溫快速升高；減負荷時，煤量調節明顯滯后于風量的變化，汽溫快速下降；存在主汽壓力和主再熱汽溫大幅波動的現象，氧量自動的投入明顯不協調。因此，應優化原靜態、動態負荷—煤量控制曲線，優化制粉系統冷、熱風門解耦控制，優化減溫水自動控制系統，增加一次調頻鍋爐主控前饋，優化負荷響應能力。
4.2.5水冷壁噴涂防結焦、腐蝕材料
鍋爐低氮燃燒技術改造后，原先結焦嚴重的鍋爐，因主燃區的溫度下降較多，爐內溫度分布更加均勻，水冷壁的沾污結渣情況會有很大改善；另外通過配煤摻燒、優化磨煤機組合方式也可有效改善水冷壁的沾污結渣情況；在爐底噴灑防結焦劑在一些鍋爐上應用也較好。
對于對沖燃燒和“W”火焰燃燒鍋爐的高溫腐蝕，可將側墻部分水冷壁鰭片去掉,通入一定量的二次風,降低側墻水冷壁附近的氧化性氣氛,高溫腐蝕得到緩解。目前，在水冷壁上噴涂防腐蝕材料也可起到有效防腐作用。
4.2.6持續燃燒優化調整
鍋爐低氮燃燒技術改造后，除與燃用煤種有關外，主要與鍋爐的運行方式有關，鍋爐運行氧量、配風方式、磨煤機運行組合方式等在煤種變化和負荷變化后都要進行摸索優化，根據鍋爐燃燒優化調整試驗，當煤質有較大變化后，一般需近兩個月的調整，才能摸索出環保排放指標和運行經濟指標均兼顧的規律，因此持續燃燒優化調整是必不可少。
5結論
由于鍋爐
低氮燃燒器改造投運時間不長，問題暴露的還不完全，同時我們對問題的認識還不充分，對處理問題的經驗還不足，為緩解燃煤發電廠的環保壓力，降NOx的減排技術沿需進一步研究和發展，環保設施的水平需進一步提升，更為重要的是在新的減排技術和環保設施應用后產生的問題處理能力要進一步提升，為燃煤發電廠的可持續發展爭取更大的環保效益。
