燃煤鍋爐產生的氮氧化物(NOx)給環境造成了很大的危害，尤其是大型火電廠鍋爐。湘潭電廠是湖南省湘中電網大型區域性燃煤火力發電廠，位于長潭株省電力負荷中心，地處湘江人口稠密的城區，安裝有2臺HG-1025/18. 2-WM10型鍋爐，設計燃料為貧煤與無煙煤的混煤，設計煤種年耗煤量324.96萬t，該工程1，2號機組分別于1998年1月、9月移交生產投入商業營運。
為了保護人類賴以生存的環境，達到GB13223-96《火力發電廠大氣污染排放標準》的要求，有必要研究電站鍋爐高效低NOx燃燒技術，控制電廠鍋爐NOx排放。
1、鍋爐概況
該鍋爐系哈爾濱鍋爐廠生產，主要設計參數見表1，設計煤質特性見表2。
該爐燃燒器煤粉噴嘴自下而上分5層布置，輔助風噴嘴（即二次風）與煤粉噴嘴相間布置，整組燃燒器高9. 681 m。采用雙通道大速差燃燒器和WR燃燒器，上部3層為WR燃燒器，可以上下擺動20°；燃盡風噴嘴可以單獨手動上擺30°、下擺5°；二次風及上數第1層油噴嘴可上下30°擺動，以此來改變火焰中心的位置。下部為2只雙通道大速差燃燒器。采用一、二次風同心逆時針方向切圓，假想切圓直徑∮878 mm，三次風下傾7。，旋轉方向與一、二次風旋向相反，用來平衡爐膛出口氣流殘余旋轉，減小水平煙道兩側熱偏差。制粉系統采用中間儲倉式熱風送粉系統，配4臺DTM350/700鋼球磨煤機，富通新能源銷售生產生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料。
2、鍋爐高效低NOx燃燒技術（改造）方案
2.1為提高分級程度，將部分熱風（二次風）改由三次風的冷卻風管通過三次風噴口送入爐膛。將三次風管的冷卻風管由∮59 mm×4.5 mm增大到∮273 mm×5 mm后，截面積增大，三次風率從14%增加到23.3%。由于三次風率加大，三次風口以下處于高溫還原區，有利于對NOx的還原。
2.2調整燃盡風擺動角度，將燃燒器中的燃盡風擺動角度上調至+5°。
2.3在雙通道燃燒器中部開V型槽，防止雙通道燃燒器變形、燒損。
2.4爐內衛燃帶的改造與調整。該鍋爐原設計衛燃帶280 m2，燃燒器區域基本上布有衛燃帶，根據鍋爐運行情況，將衛燃帶面積減少至150m2，并調整衛燃帶敷設位置。
3、高效低NOx排放特性試驗
3.1試驗煤質
從表2可以看出，改造前后試驗燃用煤質特性
與設計燃料特性相近，為貧煤。
3.2 -次風速對NOx和鍋爐效率的影響
變一次風速是指在負荷為300 MW時，保持其它參數都不變時，通過改變一次風總風壓來調整一次風風速。從圖1 (a)中可以看出，NOx排放濃度隨著一次風速降低而降低。因為一次風速降低，導致煤粉氣流與二次風的混合延遲，而且煤粉氣流的著火熱減少，煤粉著火提前，相當于延長了煤粉氣流在富燃區的停留時間，所以NOx減少。但一次風速對效率的影響比較復雜。風速減小時，盡管煤粉氣流著火熱減少，著火提前，但由于一次風噴口，特
別是雙通道燃燒器出口的回流區存在，減弱了一次風氣流的剛性，一次風煤粉氣流難以到達爐膛深處，與二次風混合不好，會造成煤粉離析現象，機械未完全燃燒熱損失q4會增加，而一次風速太高，一次風粉氣流著火熱增加，煤粉著火推遲，爐內停留時間縮短，煤粉燃燒不完全，q4也會增加。一次風速改變對排煙熱損失q2影響不大，所以對本試驗鍋爐效率存在某最佳風速，實驗證明一次風速為22.2 m／s時最佳。
改造后，由于三次風冷卻風的投入，分級程度加大，NOx有明顯降低，但由于燃燒前期過分缺氧，造成飛灰、爐渣含碳量略有增加，鍋爐效率有所降低。
3.3 二次風配風方式對NOx和鍋爐效率的影響
試驗在300 MW負荷下進行，保持人爐總風量不變，一次風風速不變，只改變二次風、燃盡風開度來改變二次風配風方式。從NOx排放方面來看，采用倒寶塔型配風方式效果最好，這是因為主燃燒器區域的氧濃度降低，既能降低主燃燒區域的火焰溫度，又能抑制燃料氮形成的中間產物與氧反應，所以熱力NOx和燃料NOx都受到抑制。但采用倒寶塔型配風，由于燃燒器區域下部風量小，容易掉粉，灰渣熱損失增加，而且影響燃盡。綜合而言，采用縮腰型配風方式最好，不僅NOx降低很明顯，僅次于倒寶塔型配風方式，而且q2和q4損失也不大。
3.4 過剩空氣系數（氧量）對NOx和鍋爐效率的影響
過量空氣系數是通過改變送風機動葉來調整的，通過空氣預熱器出口的煙氣含氧量來控制，保持各風門開度不變。試驗在300 MW負荷下進行。從圖2(a)可以看出，無論改造前或改造后，隨著過量空氣系數增加，NOx排放量呈單調增加趨勢，這是因為燃燒區域氧量增加，爐內溫度升高，熱力NOx生成量增加；同時，燃燒區域氧濃度的增加也為燃料氮的中間產物與氧反應提供了可能性，燃料NOx的生成量隨之增加，所以總的NOx排放量增加。而過量空氣系數增加時，飛灰可燃物減少，q4損失降低；另外煙氣量的增加導致損失增加，最后結果是，改造前，當過量空氣系數為1. 25時，q2+q4損失最小。而改造后由于分級程度加大，總的損失略有增加。
3.5 鍋爐負荷對NOx和鍋爐效率的影響
如圖2(b)所示，隨著負荷的降低，人爐煤量逐漸減少，爐內溫度有所降低，熱力NOx降低，但由于爐內過量空氣系數增加，燃料NOx排放增加，所以總的NOx變化不大。當負荷從300.12 MW降低到240.4 MW時，鍋爐熱效率變化不大，但進一步降低至212.5 MW時，qz+q4損失有所增加。相對于改造前，改造后總的熱損失有所增加，NOx明顯降低。
3.6 磨煤機投停對NOx和鍋爐效率的影響
磨煤機投停對NOx排放有一定影響。當磨煤機增投時，無論是改前改后，NOx排放量都變小。當從2臺磨變為3臺磨時，改造前的NOx排放從964. 84 mg/m3降低到883. 36 mg/m3，改后情況變化幅度稍小，從795. 20 mglm3變化到770.0 mg／m3。這是因為磨煤機投運時，三次風的投入相當于形成了分級燃燒，同時含煤粉的三次風還可以還原已生成的NOx，而且風量越大，分級程度越大，NOx排放量降低幅度越大，但三次風加大，燃燒延遲，q4損失增大。
3.7燃盡風對NOx和鍋爐經濟性的影響
試驗是在改造后進行的，鍋爐負荷為300 MW，配風采用縮腰型配風方式。上層燃盡風門開度從65%增大到90%，下層燃盡風門開度從55%增大到60%，上層二次風風門開度相應減小，一次風周界風及其它二次風風門開度不變，維持人爐總風量不變。如表3所示，增大燃盡風后，分級程度略有加大，NOx降低不多，鍋爐效率略有提高，這可能是燃盡風率增加而噴口截面積不變，風速加大，后期混合更好，因此未燃盡碳損失降低。
3.8 煤粉細度對NOx和鍋爐效率的影響
試驗是在改造后進行的，鍋爐負荷維持300 MW，二次風配風方式保持縮腰型配風，入爐總風量基本保持不變。見表3，煤粉細度增加，q4下降，過量空氣系數變小，q2也略有下降，所以熱效率是增加的。不分級情況下，煤粉越細，NOx排放量增加，但試驗是在分級情況下進行，由于煤粉變細，表面積加大，對NOx的還原增強，所以NOx是降低的。這充分說明在分級燃燒時，可以通過采用細煤粉來補償因分級帶來的燃燒效率降低問題。
3.9 給粉機各層煤粉量分配對NOx和鍋爐效率的影響
本試驗是在改造后進行的，從表3中可以看出，當煤粉上少下多時，降低了火焰中心位置，延長了煤粉在還原區的停留時間，所以NOx排放量降低，q4下降，這主要是煤粉的燃盡時間也延長了。
3. 10三次風的冷卻風投停對NOx和鍋爐效率的影響
試驗是在改造前進行的，增投冷卻風實際上也是分級程度的增大，因為冷卻風是由下部二次風箱引入的，冷卻風增加，相當于下部二次風量減少，分級越明顯，所以NOx是降低的。由于三次風出口風速加大，加強了爐內后期混合，鍋爐效率變化不大，見表3。
4、結束語
4.1 當三次風管的冷卻風管由∮159 mm×4.5 mm增大到∮273 mm×5 mm后，截面積增大，三次風冷卻風量增大，分級效果增強，所以NOx排放下降了約100 mg/m3，而效率略有降低，證明改造是有效果的。
4.2一次風速對NOx有一定影響，存在最佳風速；二次風配風方式對NOx影響明顯，倒寶塔配風最為有利，同時考慮鍋爐效率和低NOx排放，推薦采用縮腰型配風方式，如果把上部燃盡風增大，效果更好；總風量增大，NOx排放單調增加，由于總風量變化幅度不大，對鍋爐效率影響不大；負荷降低，爐內過量空氣系數增加，NOx增加；煤粉層分配采用上少下多的方式，以及采用提高煤粉細度對降低NOx和提高效率有明顯的好處；磨煤機投運，由于三次風的投入，NOx是降低的；三次風冷卻風的投入也可降低NOx排放。
4.3在現有條件下，在維持高效率的同時減少NOx的排放，可以采用如下綜合措施：維持最佳人爐總風量，采用最佳一次風速，二次風配風呈縮腰型配風，并開大燃盡風量，磨煤機3套投入運行，并投入三次風冷卻風，給粉量采取下多上少，并提高煤粉細度。這樣，NOx排放可降至760 mg/m3，即比原來降低20%左右，燃燒效率仍可維持原有的較高水平。
