1000 MW 機(jī)組塔式鍋爐NOx排放的試驗(yàn)研究

卞康麟

(江蘇省電力公司，江蘇 南京 210008)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)新建的大型燃煤電站鍋爐均采用低NOx燃燒器結(jié)合爐內(nèi)空氣分級(jí)技術(shù)[1]，通過(guò)對(duì)爐膛內(nèi)煤粉燃燒過(guò)程合理組織實(shí)現(xiàn)低NOx生成和排放[2，3]。鍋爐燃燒優(yōu)化也是首選的鍋爐低NOx燃燒技術(shù)，燃燒優(yōu)化是通過(guò)鍋爐燃燒器運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)的，采取優(yōu)化控制爐膛出口氧量、燃燒器一、二次風(fēng)量合理配比、平衡送入每只燃燒器的風(fēng)粉量等方法，從而在燃燒過(guò)程中把NOx的生成量降到最低[4]。通過(guò)采用低NOx燃燒優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行某廠1000 MW 機(jī)組塔式鍋爐NOx排放特性試驗(yàn)，降低了鍋爐NOx的排放濃度，分析鍋爐NOx排放濃度與電站鍋爐運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系，提出該鍋爐高效低NOx運(yùn)行方式，可用于指導(dǎo)同類(lèi)型鍋爐的燃燒優(yōu)化運(yùn)行。

1 設(shè)備概況

該1000 MW 超超臨界塔式鍋爐的爐膛尺寸為：21 480 mm×21 480 mm，冷灰頭下沿標(biāo)高為4450 mm，爐頂管中心標(biāo)高為111 275 mm。爐膛由管子膜式壁組成，水冷壁采用下部螺旋管圈和上部垂直管圈的布置方式。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)和校核煤種均為煙煤，配中速磨煤機(jī)一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)。燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動(dòng)式燃燒器，共設(shè)置12 層煤粉噴嘴。鍋爐燃燒系統(tǒng)為典型的LNTFS 燃燒器布置。煤粉燃燒器及CFS 噴嘴的水平布置如圖1 所示。該1000 MW 超超臨界塔式鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 燃燒器噴口的水平面布置

表1 鍋爐額定工況主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法

試驗(yàn)依據(jù)美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)性能試驗(yàn)法規(guī)ASME PTC4.1（Steam Generating Units）[5]和GB13223—2011 [6]進(jìn)行。試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目及方法見(jiàn)表2。相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)在試驗(yàn)中于DCS 中每15 min 記錄1 次。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖2。

表2 測(cè)試項(xiàng)目及方法

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)煤質(zhì)化驗(yàn)分析結(jié)果

該1000 MW 機(jī)組塔式鍋爐NOx排放特性試驗(yàn)煤質(zhì)化驗(yàn)的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表3 試驗(yàn)煤質(zhì)分析結(jié)果 %

3.2 變氧量試驗(yàn)

在機(jī)組負(fù)荷為1000 MW 下，運(yùn)行磨組為ABCDE組合，維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)、二次風(fēng)配風(fēng)方式及磨煤機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定，進(jìn)行了4個(gè)工況的變爐膛出口氧量試驗(yàn)。變氧量試驗(yàn)工況1～工況4 分別控制表盤(pán)氧量平均值分別為2.62%，2.48%，2.77%和3.12%，實(shí)測(cè)氧量?jī)蓚?cè)平均值分別為3.41%，2.89%，3.59%和3.68%。試驗(yàn)結(jié)果表明，鍋爐NOx排放濃度隨氧量的上升而呈上升趨勢(shì)，工況1～工況4 試驗(yàn)實(shí)測(cè)的鍋爐NOx排放濃度 分 別為230 mg/m3，213 mg/m3，240 mg/m3和248 mg/m3（NOx排放濃度均折算到6%O2下，下同）。

3.3 變二次風(fēng)配風(fēng)方式試驗(yàn)

在機(jī)組負(fù)荷為1000 MW 下，運(yùn)行磨組為ABCDE組合，維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)及磨煤機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定，進(jìn)行了4個(gè)工況的變二次風(fēng)配風(fēng)試驗(yàn)。變二次風(fēng)配風(fēng)試驗(yàn)工況1～工況4 分別為正塔配風(fēng)方式、均等配風(fēng)方式、束腰配風(fēng)方式和倒塔配風(fēng)方式。試驗(yàn)結(jié)果表明，該1000 MW 塔式鍋爐NOx排放濃度正塔配風(fēng)方式時(shí)最高，倒塔配風(fēng)方式時(shí)最低，其他2 種配風(fēng)方式居中，工況1～工況4 試驗(yàn)實(shí)測(cè)的鍋爐NOx排放濃度分別為247 mg/m3，223 mg/m3，222mg/m3和214 mg/m3。

3.4 變煤層二次風(fēng)試驗(yàn)

在機(jī)組負(fù)荷為1000 MW 下，運(yùn)行磨組為ABCDE組合，維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)及磨煤機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定，進(jìn)行了2個(gè)工況的變煤層二次風(fēng)試驗(yàn)。變煤層二次風(fēng)試驗(yàn)工況1 和工況2的煤層二次風(fēng)開(kāi)度分別保持在20%和40%，其鍋爐NOx排放濃度分別為230 mg/m3和213 mg/m3。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著煤層二次風(fēng)的開(kāi)大，鍋爐NOx排放濃度略有減小。

3.5 變油層二次風(fēng)試驗(yàn)

在機(jī)組負(fù)荷為1000 MW 下，運(yùn)行磨組為ABCDE組合，維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)及磨煤機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定，進(jìn)行了2個(gè)工況的變油層二次風(fēng)試驗(yàn)。變油層二次風(fēng)試驗(yàn)工工況1 和工況2的油層二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度分別為20%和40%，其鍋爐NOx排放濃度分別為229 mg/m3，247 mg/m3。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)開(kāi)大油層二次風(fēng)風(fēng)門(mén)擋板，鍋爐NOx排放濃度明顯增大，其主要原因是開(kāi)大油層二次風(fēng)正好增加了在煤質(zhì)初期揮發(fā)分析出燃燒所需要的氧氣，減弱了燃燒器區(qū)域的還原性氛圍，故NOx排放濃度上升明顯。

3.6 變CCOFA 風(fēng)門(mén)試驗(yàn)

在機(jī)組負(fù)荷為1000 MW 下，運(yùn)行磨組為ABCDE組合，維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)及磨煤機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定，進(jìn)行了2個(gè)工況的變CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度試驗(yàn)。試驗(yàn)工況1和工況2的兩層CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度分別為100%和60%。試驗(yàn)結(jié)果表明，將CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度從100%關(guān)小到60%，鍋爐NOx排放濃度平均值從229 mg/m3上升到243 mg/m3。其主要原因是由于CCOFA 風(fēng)位于主燃燒器區(qū)的上部，在主燃燒器區(qū)域附近形成了分級(jí)燃燒，因此CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)大，NOx排放濃度下降。此外，CCOFA 風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)大也有利于減少節(jié)流損失，降低二次風(fēng)壓和風(fēng)機(jī)電耗。建議在機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，控制CCOFA 風(fēng)風(fēng)門(mén)保持全開(kāi)狀態(tài)。

3.7 變SOFAF 風(fēng)量試驗(yàn)

在機(jī)組負(fù)荷為1000MW 下，運(yùn)行磨組為ABCDE組合，維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)及磨煤機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定，進(jìn)行3個(gè)工況的變SOFAF 風(fēng)門(mén)開(kāi)度試驗(yàn)。其中，工況1的SOFA 風(fēng)風(fēng)門(mén)保持全開(kāi)；工況2 保持最上層SOFA-VI 風(fēng)門(mén)全關(guān)，其他SOFA 風(fēng)風(fēng)門(mén)全開(kāi)；工況3保持最上層SOFA-VI 風(fēng)門(mén)全關(guān)，SOFA-V 風(fēng)門(mén)開(kāi)50%，其他SOFA 風(fēng)風(fēng)門(mén)全開(kāi)。試驗(yàn)工況1～工況3 得到的鍋爐NOx排放濃度分別為229 mg/m3，249 mg/m3和266 mg/m3。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著關(guān)小SOFA 風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度，鍋爐NOx排放濃度則呈降低趨勢(shì)。究其原因，主要是逐步關(guān)小上層SOFA 風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度，使得送風(fēng)風(fēng)壓提高，在其他風(fēng)門(mén)開(kāi)度不變的前提下，主燃燒器區(qū)域的風(fēng)量份額相對(duì)提高，增加了燃燒初期以及下層燃盡風(fēng)區(qū)域的氧量供應(yīng)，煤粉顆粒的燃盡效果得到提升，也恰恰是由于這個(gè)原因，主燃燒區(qū)域和下層燃盡風(fēng)區(qū)域氧量的增加也直接導(dǎo)致了燃料型NOx大量生成，故NOx排放濃度隨SOFA 風(fēng)風(fēng)門(mén)的逐步關(guān)小而大幅上升。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用低NOx燃燒優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行該電廠1000 MW機(jī)組塔式鍋爐NOx排放特性試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：（1）鍋爐NOx排放濃度隨氧量的上升而呈上升趨勢(shì)。為保證鍋爐高效低NOx運(yùn)行，建議該鍋爐在機(jī)組負(fù)荷為1000 MW 負(fù)荷下燃用試驗(yàn)煤種相近煤種時(shí)，控制DCS中爐膛出口氧量為2.5%左右。（2）在機(jī)組負(fù)荷為1000 MW 負(fù)荷下，為進(jìn)一步降低該塔式鍋爐的NOx排放濃度，建議二次風(fēng)方式采用均等配風(fēng)方式或倒塔配風(fēng)方式運(yùn)行；鍋爐煤層二次風(fēng)開(kāi)度控制為40%；油層二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度控制為20%左右；CCOFA 風(fēng)風(fēng)門(mén)保持全開(kāi)狀態(tài)；并保持6 層SOFA 風(fēng)風(fēng)門(mén)全開(kāi)。

[1]江哲生，董衛(wèi)國(guó)，毛國(guó)光.國(guó)產(chǎn)1000 MW 超超臨界機(jī)組技術(shù)綜述[J].電力建設(shè)，2007，28(8)：6-13.

[2]高小濤，黃 磊，張恩先，等.1000 MW 機(jī)組鍋爐氮氧化物排放影響的試驗(yàn)研究[J].熱能動(dòng)力工程，2010，25(2)：221-225.

[3]高小濤.電站鍋爐燃用混煤的煤質(zhì)特性分析[J].江蘇電機(jī)工程，2009，28(1)：63-66.

[4]高小濤，章名耀.SG-1036/17.5-M871 鍋爐NOx排放特性的試驗(yàn)研究[J].鍋爐技術(shù)，2007，38(2)：77-80.

[5]ASME PTC4.1（Steam Generating Units）蒸汽鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程[S].美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)，1964.

[6]環(huán)境保護(hù)局，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB13223—2011 火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011.