660 MW機(jī)組超超臨界鍋爐運行中NOX調(diào)整試驗分析

高建強，陳元金，袁宏偉，李德波

（1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516600；3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080）

660 MW機(jī)組超超臨界鍋爐運行中NOX調(diào)整試驗分析

高建強1，陳元金1，袁宏偉2，李德波3

（1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516600；3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080）

鍋爐的運行情況對NOX排放和鍋爐效率有很大影響。以廣東某發(fā)電廠660 MW超超臨界鍋爐低氮改造過程作為研究對象，討論鍋爐煤粉細(xì)度、氧量和配風(fēng)方式對鍋爐運行的影響。實驗結(jié)果表明：在機(jī)組負(fù)荷為660 MW下，調(diào)整爐內(nèi)送風(fēng)可以保證氧量均勻性；同時保持脫硝系統(tǒng)進(jìn)口氧量在3.1%左右，機(jī)組運行鍋爐效率保持在最高，并且NOX排放在最低；增大上、下層燃盡風(fēng)及外二次風(fēng)均可降低NOX排放量。

超超臨界鍋爐；鍋爐效率；氧量；NOX排放量

0 引言

21世紀(jì)以來，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，火力發(fā)電的發(fā)展也日漸迅猛，同時火力發(fā)電作為用能大戶，對于我國工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降耗至關(guān)重要[1]。因此，低造價、高效率的大容量高參數(shù)鍋爐成為火力發(fā)電發(fā)展的趨勢[2]。關(guān)于600 MW機(jī)組超臨界鍋爐的能耗及低氮燃燒改造的研究目前已有不少，包括利用數(shù)值模擬對鍋爐低氮改造方案進(jìn)行優(yōu)化[3]；以660 MW超超臨界機(jī)組為例，通過燃燒調(diào)整及SCR（選擇性催化還原）脫硝系統(tǒng)運行調(diào)整，研究運行參數(shù)對氨逃逸率的影響[4]；以660 MW超超臨界機(jī)組為例，分析運行參數(shù)對鍋爐效率的影響[5]；對300 MW機(jī)組燃燒器進(jìn)行低氮改造的試驗研究[6]；對600 MW機(jī)組對沖燃燒鍋爐進(jìn)行低氮燃燒改造及運行調(diào)整[7]。通過更換燃燒器，合理布置燃盡風(fēng)噴嘴，達(dá)到降低NOX排放的效果。文獻(xiàn)[8-12]分別對低氮改造的效果進(jìn)行了分析，NOX排放濃度降幅明顯，低氮改造效果顯著。

廣東某發(fā)電廠660 MW機(jī)組超超臨界機(jī)組于2011年投運。為了解決長時間運行導(dǎo)致的鍋爐NOX排放偏高、側(cè)墻高溫腐蝕、燃燒器區(qū)域結(jié)焦和部分燃燒器磨損、煙氣中飛灰含碳及CO排放濃度偏高等問題，進(jìn)行了鍋爐燃燒器及燃燒風(fēng)量改造，同時在改造后進(jìn)行了風(fēng)量調(diào)整、氧量調(diào)整的診斷試驗，以驗證改造的有效性。

1 鍋爐概況

該廠660 MW機(jī)組鍋爐為超超臨界參數(shù)、直流爐、對沖燃燒方式、固態(tài)排渣、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、Π型鍋爐，鍋爐設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 鍋爐設(shè)計參數(shù)

2 燃盡風(fēng)及燃燒器主體改造

2.1 燃燒器改造

原設(shè)計采用第一代OPCC旋流煤粉燃燒器，前后墻布置，組織對沖燃燒。本次燃燒器改造采用最新低NOX旋流燃燒器技術(shù)。燃燒器主要由一次風(fēng)彎頭，一次風(fēng)管，內(nèi)二次風(fēng)裝置，外二次風(fēng)裝置（含調(diào)風(fēng)器，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)），煤粉濃縮器，穩(wěn)焰環(huán)，擴(kuò)錐、燃燒器殼體等零部件組成。改造后將原始燃燒器中調(diào)風(fēng)器改為采用中心直流風(fēng)外加外周定向旋流風(fēng)結(jié)構(gòu)，使未燃盡的碳和煙氣被旋流風(fēng)圈在爐膛中央，防止燃燒器結(jié)焦及高溫腐蝕。

2.2 燃盡風(fēng)改造

為了強化鍋爐高度方向的深度燃燒，達(dá)到降低NOX的目的，在原來設(shè)計的OFA（燃盡風(fēng)）上層新增加1層布置相同的直流OFA（前/后墻各6只）；重新設(shè)計并增大了燃盡風(fēng)量，使OFA風(fēng)量達(dá)到鍋爐風(fēng)量的19%左右，改造前后OFA分布如圖1所示。

3 燃燒風(fēng)量優(yōu)化試驗及分析

3.1 氧量調(diào)平試驗

為了掌握機(jī)組的運行現(xiàn)狀，保持總風(fēng)量為2 300 t/h，燃燒器、燃盡風(fēng)全開，調(diào)整層風(fēng)門開度如表2所示，測試運行氧量、飛灰含碳量及NOX排放量。

圖1 改造前后OFA布置

表2 層風(fēng)門開度%

在脫硝入口處選取8個煙氣取樣口，進(jìn)行測試，利用煙氣分析儀分析煙氣成分如表3所示。

表3 常用工況試驗數(shù)據(jù)

由表3可知在鍋爐運行過程中，爐寬氧量分布呈現(xiàn)出爐膛中間氧量高，兩側(cè)墻氧量低的規(guī)律，同時測得CO排放量偏高。為了提升靠近兩側(cè)墻煙氣含氧量，使整體氧量分布更加均衡，降低CO，調(diào)整上層OFA直流風(fēng)偏轉(zhuǎn)角及下層OFA旋流風(fēng)和直流風(fēng)等擋板，調(diào)整后燃盡風(fēng)風(fēng)門開度如表4所示。

表4 燃盡風(fēng)擋板開度

調(diào)整擋板后在脫硝入口處選取8個煙氣取樣口，進(jìn)行氧量分布測試，調(diào)整前后測試結(jié)果如圖2所示。從鍋爐爐膛出口所測煙氣成分及圖2中可以看出，調(diào)整OFA就地?fù)醢搴?，兩?cè)氧量略有提高，爐膛寬度分布較調(diào)平前均勻。這是因為調(diào)整開度和偏轉(zhuǎn)角后，減少OFA出口扭轉(zhuǎn)殘余風(fēng)量并能降低NOX排放量[13]；鍋爐排放煙氣中的CO大幅下降，從535 mg/L下降至225 mg/L。雖然整體CO不高，但在氧量較低的爐膛兩側(cè)CO含量相對較高。

圖2 OFA調(diào)整前后爐膛方向氧量分布對比

3.2 上層OFA對NOX排放影響

將氧量調(diào)平后，在660 MW負(fù)荷下對機(jī)組進(jìn)行變風(fēng)量（上層OFA）分析試驗。上層OFA風(fēng)箱擋板從30%逐漸升至100%，測試得鍋爐爐膛出口煙氣成分及飛灰化驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 660 MW負(fù)荷下變OFA試驗

由圖3可見，上層OFA風(fēng)箱擋板開大后，NOX排放量（以下均換算為標(biāo)況值）從259.3 mg/m3先升后降至240.7 mg/m3，因為增加燃盡風(fēng)使得主燃區(qū)氧濃度降低，還原性氛圍增強，但受上層OFA風(fēng)量增幅限制，總的降幅不大[8，14]。上層OFA風(fēng)箱擋板開度增加后，上層OFA風(fēng)箱風(fēng)壓更大，其克服上層OFA由于安裝差異產(chǎn)生的阻力偏差能力更強，使氧量更加均勻，CO含量及飛灰含碳量有所下降。此外，CO下降也與試驗過程氧量略高有關(guān)。

3.3 下層OFA對NOX排放影響

在660 MW負(fù)荷下，其余參數(shù)不變。調(diào)整下層OFA風(fēng)箱擋板從100%關(guān)至50%，再從50%關(guān)至30%，分析爐膛出口煙氣成分及飛灰化驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)下層OFA風(fēng)箱擋板關(guān)小后，NOX排放量從260 mg/m3升至280 mg/m3左右，CO含量及飛灰含碳量上升。這是因為下層OFA關(guān)小后，下層OFA風(fēng)箱風(fēng)壓變小，使得差異化配風(fēng)的效果不好。另外，OFA風(fēng)量下降后，OFA穿透和混合能力變差，也是導(dǎo)致CO上升的因素。

3.4 外二次風(fēng)對NOX排放影響

在660 MW負(fù)荷下進(jìn)行變風(fēng)量（外二次風(fēng)）分析試驗，燃燒器的外二次風(fēng)風(fēng)門擋板從30°開至75°后，測得鍋爐爐膛出口測量煙氣成分及飛灰化驗結(jié)果如圖4所示。燃燒器外二次風(fēng)風(fēng)門開大后，NOX下降，從273.8 mg/m3下降至232.1 mg/m3，燃燒器外二次風(fēng)旋流強度減弱有利于控制NOX的排放[15，16]。燃燒器外二次風(fēng)風(fēng)門擋板開度增大后，CO含量變化不大，飛灰含碳量降低，主要是由于較高的二次風(fēng)量有利于碳燃盡。

3.5 氧量對NOX排放影響

從之前的試驗可以看出，氧量對燃燒的影響不容忽略。因此，在660 MW負(fù)荷下對機(jī)組進(jìn)行變氧量經(jīng)濟(jì)性分析試驗?？刂蒲趿浚撓跸到y(tǒng)入口氧量）為2.1%，2.5%，3.1%，3.7%，4.0%，4.4%，得到的鍋爐效率及NOX排放量如圖5所示。

圖4 660 MW負(fù)荷下變二次風(fēng)試驗

圖5 變氧量試驗

由圖5可以看出，在氧量升至3.1%之前，鍋爐效率持續(xù)升高，但是超過3.1%之后，鍋爐效率呈下降趨勢，整個過程鍋爐效率先升后降。因為在氧量升至3.1%之前，隨著氧量的升高，未燃盡的碳含量減少，不完全燃燒熱損失減少，而排煙熱損失隨煙氣量增大而增加。但排煙損失增加的幅度遠(yuǎn)小于不完全燃燒熱損失減少的幅度，鍋爐效率整體呈上升趨勢。隨著氧量的繼續(xù)增加，此時煤粉燃燒完全，不完全燃燒熱損失減少的幅度遠(yuǎn)小于排煙熱損失增加的幅度，鍋爐效率呈下降趨勢[18]。在氧量較低時，由于爐內(nèi)火焰中心偏高，隨著氧量增加，火焰中心下移，氧量降低；在運行氧量超過3.1%，NOX排放逐漸增加，主要是由于氧量升高使得主燃燒器區(qū)域熱力型和燃燒型NOX的生成量大大增加[3，19]。在氧量為3.1%時，鍋爐效率最高且NOX排放量接近最低，因此在660 MW負(fù)荷下，保持脫硝進(jìn)口氧量在3.1%可以保證鍋爐運行狀態(tài)最佳。

3.6 煤粉細(xì)度對NOX排放影響

在660 MW負(fù)荷下對機(jī)組進(jìn)行煤粉分析試驗，在磨煤機(jī)差壓限制范圍內(nèi)調(diào)整磨煤機(jī)分離器開度。其余參數(shù)不變，通過改變磨煤機(jī)分離擋板開度來調(diào)整煤粉細(xì)度（煤粉細(xì)度R75取26.5%，30.7%，35.2%，40.5%，43.2%），測得煤粉細(xì)度對NOX以及飛灰的影響如圖6所示。由圖6可見，隨著煤粉細(xì)度的增加，固體不完全燃燒熱損失逐漸增加，鍋爐效率由93.1%下降至91.4%。這是因為煤粉細(xì)度的增加，煤粉越粗，使得煤粉著火難度增加，在煤粉爐內(nèi)停留時間不變的情況下，煤粉燃盡程度低，導(dǎo)致鍋爐損失升高，鍋爐效率降低。同時隨著煤粉變粗[20]，鍋爐內(nèi)燃燒強度減弱，NOX排放有所降低，從296 mg/m3下降至245 mg/m3左右。

圖6 660 MW下的煤粉細(xì)度分析試驗

4 結(jié)論

針對660 MW機(jī)組NOX排放量偏高的問題，進(jìn)行低氮改造和運行優(yōu)化調(diào)整，在額定運行工況下分別針對氧量、風(fēng)量及煤粉細(xì)度進(jìn)行優(yōu)化試驗，得到以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過燃燒器及燃燒配風(fēng)改造后，機(jī)組在660 MW負(fù)荷下燃用設(shè)計煤種時可將NOX排放控制在240～280 mg/m3，燃盡狀況較好，飛灰含碳量可控制在1.2%以下。

（2）在660 MW負(fù)荷下對機(jī)組進(jìn)行變風(fēng)量經(jīng)濟(jì)性分析試驗，上層燃盡風(fēng)風(fēng)箱擋板從30%逐漸升至100%，NOX排放從259.3 mg/m3先升后降至240.7 mg/m3，CO含量及飛灰含碳量有所下降；下層燃盡風(fēng)風(fēng)箱擋板從100%關(guān)至30%，NOX排放有所上升，從260 mg/m3升至280 mg/m3左右；燃燒器外二次風(fēng)風(fēng)門由30°開至75°后，NOX下降，CO含量變化不大，飛灰含碳量降低。

（3）在機(jī)組負(fù)荷660 MW時，保持脫硝進(jìn)口氧量在3.1%左右，機(jī)組運行鍋爐效率保持在最高，且NOX排放最低；通過調(diào)整磨煤機(jī)分離器開度使煤粉變細(xì)，有利于爐內(nèi)煤粉燃燒，降低飛灰含碳量和大渣含碳量，使得鍋爐效率提高。

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（本文編輯：陸 瑩）

Analysis on NOXAdjustment Test of 660 MW Ultra-supercritical Boiler Operation

GAO Jianqiang1，CHEN Yuanjin1，YUAN Hongwei2，LI Debo3
（1.North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China；2.Guangdong Red Bay Power Generation Co.，Ltd.，Shanwei Guangdong 516600，China；3.Electric Power Science Research Institute of Guangdong Power Grid Co.，Ltd.，Guangzhou 510080，China）

∶Boiler operation condition has a significant impact on NOXemission and boiler efficiency.The low nitrogen transformation process of 660 MW ultra-supercritical boiler in a power plant in Guangdong Province is taken as the study object to discuss the effect of fineness of pulverized coal，oxygen and air distribution on boiler operation.The experimental result shows that the well-distributed oxygen can be ensured by air adjustment in the furnace with the boiler load of 660 MW；maximum operation efficiency of boiler and minimum NOXemission can be obtained with inlet oxygen content of the denitrification system is 3.1%.Increase the upper and lower over-fired air and outer secondary air can reduce the NOXemissions.

∶ultra-supercritical boiler；boiler efficiency；oxygen content；NOXemission

.201704009

1007-1881（2017）04-0035-05

TK227.1

B

2016-11-09

高建強（1966），男，教授，研究方向為富氧燃燒理論及電站鍋爐仿真模擬等。