梁建超
（广东粤华发电有限责任公司，广州 510731）
摘 要：本文对广州瑞明电力股份有限公司#1锅炉采用深度空气分级SOFA技术降低NOX排放的可行性进行了分析，认为采用SOFA配合部分二次风偏转技术，可有效降低NOX排放水平。并介绍了改造方案的主要设计特点，力求为国内其它类似改造工程起到一定的示范作用。
关键词：锅炉；SOFA；NOX；分析
1 概述
氮氧化物是燃煤电站排放的主要污染物之一，2003年12月颁布的新的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223－2003），对我国火电厂机组的NOX排放标准作出了新的规定，对新旧机组的NOX最高允许排放浓度都作出了详细的规定。对燃用Vdaf > 20%煤种的固态排渣燃煤锅炉，要求其NOX最高允许排放浓度要低于450mg/Nm3。针对NOX的排污收费已经开始，电厂需按排放量每年支付大量的NOX排污费用。
广州瑞明电力股份有限公司（由广东粤华发电有限责任公司承包运营）＃1锅炉为上海锅炉厂设计制造的SG-420/13.7-M418A型125MW燃煤锅炉，采用中间储仓式制粉系统，乏气送粉四角切圆燃烧，目前锅炉的NOX排放浓度较高，达700mg/Nm3左右，不利于电厂的环保控制。作为一家具有高度社会责任感和敏锐环保意识的发电企业，电厂拟对锅炉进行低NOX燃烧改造。
2 设备简介
瑞明电厂＃1锅炉为上海锅炉厂设计制造的SG-420/13.7-M418A型125MW燃煤锅炉，采用中间储仓式制粉系统，乏气送粉，四角切圆燃烧。燃烧器为直流式四角切圆布置，每组燃烧器设有三层一次风和五层二次风喷嘴，一二次风间隔布置，燃烧器中心标高为15500mm。一二次风切圆采用双切圆布置，假想大切圆直径为φ800mm，小切圆为φ200mm，炉膛宽×深为9600×8840mm2。
锅炉设计配风见表2－1。
锅炉的结构布置见图2－1，燃烧器切圆布置见图2－2，燃烧器喷口结构见图2－3。
3 低NOx燃烧系统设计原则及内容
3.1 设计原则
改造设计本着在现有条件下安全可靠的原则，充分利用现有设备，实现瑞明电厂＃1锅炉NOx排放浓度降低，即从目前的700mg/Nm3左右下降到450mg/Nm3以下，争取达到400 mg/Nm3以下，且锅炉具有高的热效率，飞灰含碳量得到良好的控制。
3.2 改造方案主要内容
3.2.1 一次风燃烧器采用原锅炉的一次风燃烧器。
3.2.2 改造采用分隔燃烬风（SOFA）的空气分级方案。该方案目前为三大锅炉厂新设计的超临界锅炉的低NOx燃烧系统所采用，也是大型电站锅炉进行低NOx燃烧改造的必然方案，具有改造经验丰富、风险可控、改动工作量小等优点。
3.2.3 主燃烧区的大风箱不动，各一次风、二次风标高不变，在主燃区上方布置两层SOFA燃烧器，除最下层二次风风口大小不变外，其余四层二次风的风口相应缩小。
3.2.4 下部二次风采用偏转二次风系统。由于从二次风中引出了一部分空气到上部SOFA风，为保证下部二次风喷口的风速和二次风风箱压力，需要缩小部分二次风喷口的面积，并采用偏转二次风系统，以实现"风包粉"燃烧模式，防止锅炉水冷壁结渣和高温腐蚀，并对锅炉水冷壁管防止超温爆管具有好处。
3.2.5 SOFA喷口设计为具有上下和水平摆动功能，从而可以调整燃烬风穿透深度和混合效果，并有效防止炉膛出口过大的扭转残余。
4 分级配风燃烧系统改造方案
4.1 燃烧器整体布局
下部主燃烧区基本格局不变，即各一次风、二次风标高均不改变。一次风喷口不变；二次风喷口面积根据设计进行改造；在炉膛上部区域增加分离布置燃烬风（SOFA）。最下层二次风AA（油二次风）仍维持不变，为直吹风；其余二次风AB（中一次风和下一次风之间的中下二次风），C（中一次风和上一次风中间的中上二次风，油二次风），DE（上二次风），EE（上上二次风）需要采用偏转风技术进行改进；最顶层的EE（上上二次风）作为紧靠型燃烬风（CCOFA），并需进行反切改造。
部分二次风改造为偏转二次风的目的，是为了在下部主燃烧区缺氧条件下，通过偏转二次风在水冷壁面附近形成一层风膜，以防止水冷壁结渣和高温腐蚀事故的发生，同时有利于防止水冷壁管超温爆管。偏转二次风系统在横截面方向形成空气分级，可以降低NOx排放，其主要方法是建立早期着火和使用控制氧量的燃料/空气分段燃烧技术。
典型的偏转二次风系统炉内布置见图4－1，而燃烧器组件见图4－2所示。
4.2 燃烧系统配风
为低NOx燃烧系统设计需要，分离布置燃烬风（SOFA）风量选取为占总风量的25%，而紧靠型燃烬风（CCOFA）风量选取为占二次风量的10％左右。由于一次风喷口不变，为保证管内流动，不发生煤粉沉积现象，一次风率选取为与原设计相同，即28％。按此原则，低NOx改造配风设计如表4－1所示，其中二次风的风量又分为分离布置燃烬风（SOFA）、周界风、紧靠布置燃烬风（CCOFA）及其它二次风，风量分配见表4－2。
4.3 燃烧器各喷口
4.3.1 原一次风喷口面积为0.1167m2，由计算可知改造后所需面积为0.116m2。二者基本相同，说明原一次风喷口全部保留是可行的。
4.3.2 原最下层二次风喷口AA可保留，大小、角度全部不变，最下层二次风喷口中的原大油枪可保留。
4.3.3 原EE喷口（上上二次风）作为CCOFA，面积为0.1m2,经计算获得该喷口改造后面积为0.09m2。由于下部二次风变为偏转二次风，正切角度变大，因此EE需相应增大反切角度进行反切消旋。
4.3.4 剩余的二次风口AB（中一次风和下一次风之间的中下二次风），C（中一次风和上一次风中间的中上二次风，油二次风），DE（上二次风）原为正切风，与一次风以相同的切角喷入炉内。由于部分二次风作为SOFA风分级到上部喷口喷入炉内，AB、C、DE的面积需缩小。经计算获得需缩小为0.1m2，并需改为偏转二次风以保护水冷壁。为防止油二次风刷墙，并考虑到炉膛尺寸大小，建议C油二次风的正切角度取为2度。
4.3.5 本次改造，对上二次风DE建议取为4～5度，而中下二次风AB建议取为11～15度。中下二次风AB取较大偏转角有利于保护水冷壁，因为在上锅类似的炉膛截面的420t/h锅炉中，没有采用偏转二次风系统的锅炉水冷壁中部容易发生高温腐蚀，采用较大的中下二次风偏转角有利于保护水冷壁。
新燃烧器各喷口参数汇总如表4－3。
4.4 SOFA高度方向的布置位置
分离布置燃烬风的高度布置原则由文献可知，要获得高的低NOx排放效果，SOFA应布置在距离主燃烧区越远越好的位置，但其布置高度另一方面也受到碳燃烬的影响。
经计算，锅炉在满负荷条件下，炉内高度方向的烟气流速为8.1m/s,炉内大屏屏底边缘标高为29.1m。为保证燃烬，SOFA喷口中心线到屏底停留时间取0.8s左右，则SOFA喷口中心线距屏底距离约为6.48m，那么SOFA中心线的标高可取约22.62m标高的位置。此时，SOFA中心线距最上层一次风中心线为(22.62-16.685)=5.935m，而SOFA中心线距上上层二次风中心线为（22.62-18.14）=4.48m。
具体到瑞明电厂＃1炉SOFA中心线标高，经现场勘查，绕开大梁、再热蒸汽入口管等障碍物，最终确定为22.8～23m左右。整个SOFA风箱布置在两层水冷壁围带之间，即标高22m到24.5m之间。在21m标高处及23.55标高处各有一层人行平台，整个SOFA风箱将从这两层楼梯平台中穿过。
经查阅图纸，热风管道的中心标高为23.1m，因此连接比较方便。SOFA喷口将采用上下、左右可摆动喷口，以增大调节性能。
4.5 各二次风偏转角度的选择
研究结果表明，在任何一个固定的二次风（或一次风）反切角度时，尽管一、二次风假想切圆的旋转方向相反，但整个炉内气流的旋转方向是一致的，即一二次风以相同的旋转方向在炉内旋转。在较小的反切角度时，炉内实际直径比常规切圆系统要小；当反切角度很大时，炉内实际切圆直径比常规切圆系统要大。通过试验和数值模拟，获得了一个用以衡量同心反切燃烧系统炉内空气流动结构的评价参数Φ。Φ被定义为正反向(顺时针方向为正向，逆时针方向为反向)旋转气流的理论动量矩之比：
式中：m、n为顺逆向布置的喷口总数；ρ、f、v为各次风密度、喷口面积和速度；α1、α2为反正切角度；A、B为炉膛宽度和深度。
改造前的旋转动量矩 （最上层二次风反切17度），按改造后旋转动量矩基本相当的原则，可推算出各次风的偏转角度如下：
一次风不变，最下层二次风不变，中上二次风C（油二次风）正切2o，中下二次风正切11度，上二次风CD正切4o，EE反切21o的改造方案，则改造后的旋转动量矩为 ，比改造前的旋转动量矩略小；如果将切φ200的那对角的一次风改为反切φ200，则改造后的旋转动量矩为 ，这就比较理想了，一次风反切有利于防止炉膛结渣和高温腐蚀。如变动方便，建议将切φ200的那对角的一次风改为反切φ200，可以取得更好的炉膛出口烟温偏差控制效果。
结合SOFA风的左右摆动，可控制炉膛出口烟温在合适的范围内。一次风反切在实现"风包粉"的同时，进一步降低锅炉结渣和水冷壁超温爆管的风险。
5 方案可行性分析结果
⑴ 通过以上对改造方案的介绍及分析，在广州瑞明电力股份有限公司＃1锅炉采用深度空气分级SOFA技术进行低NOx燃烧改造是可行的。
⑵ 在一次风不进行改动的情况下，采用两层分离布置燃烬风（SOFA）配合部分二次风偏转技术，可有效降低NOx排放水平，燃用较好烟煤条件下，NOx排放浓度可控制在450mg/Nm3以下。SOFA风采用两层布置为佳，四角SOFA风箱连接到热风道总管中。
⑶ 新设计的燃烧器各喷口尺寸如表4－3所示。一次风喷口和周界风喷口及最下层AA二次风不需进行改动，新增SOFA风箱、风道。
⑷ 分离布置燃烬风SOFA喷口的中心线定在22.8m左右，采用两层SOFA喷口布置，水冷套布置在切角上，对前后墙和侧墙水冷壁无影响。
⑸ 一次风喷口采用原喷口不作改变，从而减少工程量和改造费用。
⑹ 采用二次风偏转方法，以保护下部炉膛水冷壁，防止结渣和高温腐蚀，并实现水平空气分级，再结合SOFA的水平摆动，可有效地控制炉膛出口烟温偏差。适当选取较小的油二次风角度，以防止投油时油切圆过大。中下二次风选取较大的偏转角，以形成"风包粉"。建议切φ200的那对角的一次风改为反切φ200，以更有利于防止炉膛结渣和高温腐蚀。实现"风包粉"后，进一步降低锅炉结渣和水冷壁超温爆管的风险。
6 结语
瑞明＃1锅炉应用深度空气分级SOFA技术进行改造后，锅炉氮氧化物排放大幅降低，NOx质量浓度由700 mg/Nm3左右降至400 mg/Nm3左右，降低了40％；炉内无明显结渣、高温腐蚀，炉膛水冷壁没有超温现象，炉膛出口烟温偏差30℃以下，锅炉汽温汽压出力均达设计值。产生巨大的环保效益和经济效益，树立了负责任的良好企业形象。
参考文献：
⑴上海锅炉厂．SG-420/13.7-M418A锅炉产品设计说明书．
⑵周昊，童汇源，胡伟峰，等．600MW锅炉偏转二次风系统降低NOX排放的试验研究．锅炉技术，2000，（9）．
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⑷岑可法.锅炉燃烧试验研究方法及测量技术.北京：水利电力出版社，1987.
⑸GB13223－2003火电厂大气污染物排放标准.北京：中国标准出版社，2003.
⑹范从振．锅炉原理．北京：水利电力出版社，1995．
Feasibility Analysis and Application to Adopt SOFA Technology to Reduce NOX Emission of 420t/h Boiler
LIANG Jian-chao
(Guangdong YUEHUA Power Company Ltd．，Guangzhou 510731)
Abstract：The paper analyzes the feasibility of adopting deep staging technology of firing air (SOFA) to reduce the NOX emission of No.1 boiler in Guangzhou Rui-ming Power Corp. Ltd., holds that, to adopt SOFA with combination of part secondary air deflection technology, can effectively reduce NOX emission level. From the overall arrangement of burners, air distribution of firing system, jet orifice set-up of burners, height of SOFA arrangement, deflection angle selection of each secondary air etc. several aspects, the paper briefs the main design features of retrofitting scheme.
Key words：boiler；SOFA；NOX；analysis
作者简介：
梁建超（1972.10～），男，湖北麻城市人，广东粤华发电有限责任公司技术分部锅炉专责，工程师，从事锅炉技术管理工作，1994年毕业。