燃燒優(yōu)化調整對NOx排放和鍋爐效率的影響

蔡 培，葛榮存，葛 銘，陳 輝，陳國慶，王秀軍，戴維葆

(國電科學技術研究院 清潔高效燃煤發(fā)電與污染物控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210023)

0 引 言

我國資源秉性決定了我國中長期以煤為主的能源結構特點[1]，2017年我國煤炭消耗量已超過38億t，其中燃煤火力發(fā)電是我國煤炭資源的主要利用形式，也是我國當前的主要發(fā)電形式。

研究表明，燃燒1 t煤可產生8～9 kg的NOx[2-3]，由于NOx對人體和全球生態(tài)環(huán)境危害甚大，環(huán)保排放日益引起重視。2014年出臺的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃》要求燃煤機組的排放標準達到燃氣的排放標準[4]，其中NOx排放要低于50 mg/m3，但NOx的濃度和鍋爐效率有著相互矛盾的關系。為追求高效的燃燒效率和較低的NOx排放，各大電廠進行了系統(tǒng)的機組優(yōu)化試驗，因此，燃煤機組的燃燒優(yōu)化調整已成為研究的重點和熱點[5-6]。

燃煤電廠NOx的生成主要分為熱力型(thermal NOx)、燃料型(fuel NOx)、快速型(prompt NOx)，其中燃料型NOx占電站鍋爐NOx生成的75%～90%[7]。學者們根據不同NOx生成機理開發(fā)了不同降低NOx生成和排放的方法，主要有選擇性催化還原法(SCR)、選擇性非催化還原法(SNCR)、空氣分級、燃料分級以及煙氣再循環(huán)[8-10]。

對于已投運的機組，降低NOx最直接、最快捷的的方法是通過燃燒優(yōu)化調整實現減排的目的。岳峻峰等[11]對某電廠600 MW超超臨界機組墻式切圓燃燒系統(tǒng)進行分析，說明油槍風對NOx的排放影響最大。尚達等[12]對1 000 MW超超臨界機組進行燃燒調整，發(fā)現倒塔配風的鍋爐效率最高，爐膛出口NOx排放量最低。李德育等[13]研究了爐內配風對NOx排放特性的影響，發(fā)現合理的爐內配風可使NOx爐膛出口濃度降低15%左右。楊瑋等[14]對330 MW貧煤機組進行調整，認為對于燃用貧煤的機組采用SNCR+SCR的方式可提高脫硝效率。

對于不同機組其燃燒的最優(yōu)方式存在較大差異，本文根據已有的工程經驗，結合不同大機組的燃燒調整方案，針對330 MW典型機組進行系統(tǒng)性的燃燒調整優(yōu)化，并得到詳細的現場試驗比較結果，以分析燃燒優(yōu)化調整對NOx排放和鍋爐效率的影響。

1 試 驗

1.1 試驗機組概況

本文試驗對象是上鍋生產的SG-1151/17.5-M4008亞臨界參數汽包爐，采用自然循環(huán)、四角切向燃燒，單爐膛，一次再熱，平衡通風，鍋爐緊身封閉，室內布置，固態(tài)排渣，為全鋼架懸吊結構π型汽包鍋爐，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量1 151 t/h。制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機直吹式制粉系統(tǒng)，共設5臺中速磨煤機，其中4臺運行，1臺備用。空氣預熱器進風加熱方式、一次風和二次風系統(tǒng)均采用暖風器加熱系統(tǒng)，鍋爐主要設計參數(設計煤種)見表1。

表1鍋爐主要參數
Table1Maindesignparametersofboiler

項目BMCR額定工況(BRL)最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)/(t·h-1)1 1511 017過熱器出口蒸汽壓力/MPa17.5017.42過熱器出口蒸汽溫度/℃541541再熱蒸汽流量/(t·h-1)993.6961.5再熱器進口蒸汽壓力/MPa3.6803.548再熱器出口蒸汽壓力/MPa3.5273.400再熱器進口蒸汽溫度/℃323320再熱器出口蒸汽溫度/℃541541省煤器進口給水溫度/℃277275排煙溫度(修正前)/℃134134排煙溫度(修正后)/℃128128

1.2 試驗煤樣及試驗設備

試驗煤樣的工業(yè)分析和元素分析見表2。試驗所用的測量儀器主要有K型熱電偶、EIC數據采集系統(tǒng)、testo350、順磁氧傳感器、溫濕度計、氣流篩分儀，靠背管、電子微壓計等。

表2試驗煤樣的工業(yè)分析和元素分析
Table2Proximateandultimateanalysesofcoalsample

工業(yè)分析/%MadAadVadFCad元素分析/%CadHadOadNadSadQnet,ad/(MJ·kg-1)14.4019.0335.5131.0652.913.179.140.600.7519.93

試驗中將熱電偶和煙槍捆綁插入爐膛尾部煙道中，分別測量空氣預熱器入口和出口的溫度，測試期間用testo350與煙槍管道相連測量NO、O2、CO的含量，其測量精度分別可達到±5×10-6、±0.2%、±10×10-6。

1.3 試驗內容

對于已投運的電站機組，影響其高效穩(wěn)定燃燒和NOx生成的因素眾多，主要有：① 煤種基本特性，主要指燃用煤的揮發(fā)分、含碳量、含氮量、發(fā)熱量等燃料的基本特性[15-16]。② 運行參數，主要指運行過程中，一次風、二次風、燃盡風的配比關系與風速參數，以及煤粉粒度、燃燒器的擺動角度等運行中的可控參數[15-17]。③ 鍋爐的結構參數，主要指機組設計的結構特性，燃燒器類型和燃燒方式以及爐膛設計的基本參數，如截面熱負荷、排渣方式[18]。

本文針對以上影響因素，進行了NOx排放和機組效率的耦合試驗。試驗前保證機組的主、副機能夠正常運轉，檢查整個機組的嚴密性，保證不泄露。試驗前進行爐膛及受熱面的吹掃作業(yè)并對試驗所用的測量儀器、儀表等進行校核和標定。

1)首先進行氧含量優(yōu)化調整試驗，試驗時保持機組負荷穩(wěn)定在330 MW，維持一次風壓、二次風配風方式、周界風開度、SOFA風配風方式、燃燒器擺角、磨煤機組合等不變，改變氧含量，實測排煙溫度、氧含量、NOx、CO排放濃度、大氣參數，采集原煤、飛灰、大渣，并記錄相關DCS數據，煤粉燃燒器布置及平面示意如圖1所示。

圖1 噴口布置形式Fig.1 Nozzle arrangement

2)SOFA(分離燃盡風)風優(yōu)化調整試驗時保持機組負荷穩(wěn)定，維持運行氧含量、二次風配風方式、周界風開度、磨通風量、燃燒器擺角、磨煤機組合等不變，研究SOFA風配風，對鍋爐主要運行參數及性能的影響。試驗中實測排煙溫度、爐膛溫度、氧含量、NOx和CO排放濃度、大氣參數，采集原煤、飛灰、大渣，并記錄相關DCS數據。

3)周界風開度優(yōu)化調整試驗時，保持機組負荷穩(wěn)定，維持運行氧含量、SOFA配風，二次風配風方式、磨通風量、燃燒器擺角、磨煤機組合等不變，研究周界風開度對鍋爐主要運行參數及性能的影響。試驗中進行鍋爐效率測試，實測排煙溫度、爐膛溫度、氧含量、NOx和CO排放濃度、大氣參數，采集原煤、飛灰、大渣，并記錄相關DCS數據。

4)燃燒器擺角優(yōu)化調整試驗時，保持機組負荷穩(wěn)定，維持運行氧含量、二次風配風方式、SOFA風配風、磨通風量、周界風開度、磨煤機組合等不變，研究燃燒器擺角對鍋爐主要運行參數及性能的影響。試驗中進行鍋爐效率測試，實測排煙溫度、爐膛溫度、氧含量、NOx和CO排放濃度、大氣參數，采集原煤、飛灰、大渣，并記錄相關DCS數據。

2 試驗結果與討論

2.1 過量空氣系數對NOx排放和鍋爐效率的影響

爐膛過量空氣系數是影響燃燒過程中熱力型NOx和燃料型NOx生成量的主要因素。燃料型NOx的生成機機理十分復雜，目前已知有超過250種反應形式，燃料型NOx的轉化率與過量空氣系數和溫度成正比[7,10]。溫度超過1 500 K后產生熱力型NOx，空氣中N2氧化轉化為NOx，熱力型NOx隨著過量空氣系數的增加而增加。為確定合適的運行氧含量，測試了不同運行氧含量下的機組效率和SCR入口A、B兩側的NOx濃度，如圖2所示。

圖2 運行氧含量對NOx排放和鍋爐效率的影響Fig.2 Effect of operating oxygen contents on NOx emission and boiler efficiency

由圖2可知，鍋爐效率隨試驗運行氧含量的增加呈下降趨勢，而NOx隨試驗運行氧含量的增加而增加。由于煤粉細度偏粗，氧含量變化時，飛灰含碳量變化不明顯。因此確定試驗的最佳運行氧含量為2.5%，此時鍋爐效率為92.94%，A側和B側NOx質量濃度分別為310和314 mg/Nm3。

2.2 配風對NOx排放和鍋爐效率的影響

配風是組織好爐內燃燒的關鍵，合理的配風是實現機組安全高效低排放運行的重要手段。配風降低NOx排放是基于分級燃燒的原理，通過控制不同高度不同類別風量大小，在相同負荷下，保證總的過量空氣系數不變的前提下，減少下層主燃區(qū)氧含量，同時增加上部燃燒區(qū)的氧含量[8]。下部的缺氧氣氛可減少燃料型NOx的生成，上部的富氧氣氛可降低爐膛上部的溫度，從而減少熱力型NOx的生成。為尋找合理配風方案，在330 MW負荷工況和最佳運行氧含量時，分別進行了SOFA風開度、二次風配風和周界風開度調整試驗。

2.2.1 SOFA風開度的影響

SOFA風率大小是通過燃盡風控制NOx生成濃度的關鍵[17]，在最佳運行氧含量2.5%時進行了3個SOFA風開度工況(SOFA I層開度99%、SOFA II層開度99%)：工況1(SOFA III層開度70%)、工況2(SOFA III層開度99%)、工況3(SOFA III層開度40%)，各工況下計算得到的鍋爐效率、NOx變化如圖3所示，計算結果見表3。

圖3 SOFA風開度對NOx排放和鍋爐效率的影響Fig.3 Effect of SOFA wind opening on NOx emission and boiler efficiency

由圖3可知，鍋爐效率隨頂層SOFA風開度的減小呈先上升后下降趨勢，NOx濃度呈增加趨勢。說明運行氧含量不變時，SOFA風開度的增加會造成主燃燒器區(qū)域氧含量減少，煤粉燃燒變差，鍋爐效率下降，但有利于降低NOx濃度。

由表3和圖3可知，SOFA III層開度由99%變成40%時，飛灰含碳量和鍋爐效率變化不大，但NOx質量濃度增加約20 mg/Nm3。SOFA III層開度為70%時，雖然NOx濃度較開度40%時降低了約40 mg/Nm3，但鍋爐效率也降低約0.22%。綜合鍋爐效率和環(huán)保要求，最佳SOFA風開度為工況2。

2.2.2 二次風配風的影響

在最佳運行含氧量和SOFA風開度條件下進行3個二次風配風工況：工況1(倒塔配風，AA層80%、AB層35%、BC層42%、CD層45%、DE層50%)、工況2(均等配風，AA層90%、AB層45%、BC層45%、CD層45%、DE層45%)、工況3(正塔配風，AA層90%、AB層50%、BC層45%、CD層42%、DE層35%)。各工況下的鍋爐效率、NOx變化如圖4所示，計算結果見表4。

表3SOFA風開度調整試驗工況及計算參數
Table3AdjustmenttestconditionsandcalculationparametersofSOFAwindopening

項目工況1工況2工況3排煙溫度/℃141.80142.90142.90排煙溫度(修正后)/℃135.73135.18135.01省煤器出口氧含量/%2.502.502.50爐渣含碳量/%3.530.912.16飛灰含碳量/%5.384.544.59干煙氣熱損失/%4.6014.5534.550干灰渣未燃盡碳熱損失/%1.7631.4021.462燃料中水分熱損失/%0.1420.1280.146氫燃燒生成水分熱損失/%0.2790.2510.286空氣中水分熱損失/%0.0130.0160.017表面輻射及對流散熱損失/%0.180.180.18未測量熱損失/%0.300.300.30鍋爐熱效率/%92.72493.17193.060修正后干灰渣熱損失/%1.1710.9310.971修正后干煙氣熱損失/%4.9634.9424.946修正后燃料中水分熱損失/%0.1690.1810.168修正后氫燃燒生成的水分熱損失/%0.2610.2800.259修正后空氣中水分熱損失/%0.0130.0200.017修正后鍋爐熱效率/%92.9493.1793.16

圖4 二次風配風方式對NOx排放和鍋爐效率的影響Fig.4 Effect of secondary air distribution mode on NOx emission and boiler efficiency

由圖4和表4可知，倒塔配風時鍋爐效率為93.53%，A、B側NOx質量濃度分別為370 和375 mg/Nm3;均等配風時鍋爐效率為93.70%，A、B側NOx質量濃度分別為400和403 mg/Nm3;正塔配風時鍋爐效率最高為93.74%，A、B側NOx質量濃度分別為405和408 mg/Nm3。均等配風和正塔配風時的鍋爐效率較倒塔配風時高約0.2%，NOx質量濃度提高約35 mg/Nm3，由于SCR噴氨量大且不均會造成空預器堵灰嚴重，應盡量降低NOx減少噴氨量，減緩空預器堵灰。此外，為了提高再熱汽溫，機組滿負荷時，磨煤機的煤量采用倒塔配風，盡量維持再熱汽溫在540 ℃左右。而均等配風和正塔配風方式下，再熱汽溫均低于535 ℃，再熱汽溫降低對機組經濟性不利。從鍋爐效率、NOx綜合考慮，最佳二次風配風方式為工況1(倒塔配風)，此時的鍋爐效率為93.53%、A、B側NOx質量濃度分別為370和375 mg/Nm3。

表4二次風配風優(yōu)化工況及計算參數
Table4Optimizedworkingconditionsandcalculationparametersofsecondaryairdistribution

項目工況1工況2工況3排煙溫度/℃129.20128.93129.10排煙溫度(修正后)/℃124.34124.05124.76省煤器出口氧含量/%3.03.03.0爐渣含碳量/%4.041.640.64飛灰含碳量/%4.884.073.94干煙氣熱損失/%4.2824.3024.347干灰渣未燃盡碳熱損失/%0.9960.7860.740燃料中水分熱損失/%0.1720.1660.166氫燃燒生成水分熱損失/%0.2460.2380.237空氣中水分熱損失/%0.0080.0090.008表面輻射及對流散熱損失/%0.180.180.18未測量熱損失/%0.300.300.30鍋爐熱效率/%93.81894.0294.023修正后干灰渣熱損失/%1.054 0.8320.784修正后干煙氣熱損失/%4.549 4.571 4.606 修正后燃料中水分熱損失/%0.149 0.161 0.154 修正后氫燃燒生成的水分熱損失/%0.231 0.250 0.239 修正后空氣中水分熱損失/%0.007 0.009 0.009 修正后鍋爐熱效率/%93.5393.7093.74

2.2.3 周界風開度的影響

330 MW負荷工況下，在試驗最佳運行氧含量、SOFA風開度和二次風配風方式條件下進行3個變周界風開度工況(13%、16%和20%)，周界風開度對NOx排放和鍋爐效率的影響如圖5所示，計算參數見表5。

由圖5可知，隨著周界風開度增加，鍋爐效率和NOx濃度整體呈上升趨勢。試驗結果數據表明周界風開度變化7%，鍋爐效率變化了1%左右。在周界風開度20%時，鍋爐效率最高為93.20%，A、B側NOx質量濃度分別為352和356 mg/Nm3，較其他開度下高約25 mg/Nm3，但也接近設計保證值(350 mg/Nm3)。綜合考慮鍋爐效率和NOx濃度，最佳周界風開度為20%，此時鍋爐效率為93.20%，A、B側NOx質量濃度分別為352和356 mg/Nm3。

圖5 周界風開度對NOx排放和鍋爐效率的影響Fig.5 Effect of surrounding air opening on NOxemission and boiler efficiency

項目工況1(13%)工況2(20%)工況3(16%)排煙溫度/℃142.3139.15142.4排煙溫度(修正后)/℃134.55 135.04134.58省煤器出口氧含量/%2.60 2.50 2.6爐渣含碳量/%0.88 2.64 2.04飛灰含碳量/%4.83 4.05 4.78干煙氣熱損失/%4.5534.6764.551干灰渣未燃盡碳熱損失/%1.4931.3091.518燃料中水分熱損失/%0.1390.134 0.145氫燃燒生成水分熱損失/%0.2740.2640.285空氣中水分熱損失/%0.015 0.0110.017表面輻射及對流散熱損失/%0.18 0.18 0.18未測量熱損失/%0.300.300.30鍋爐熱效率/%92.048 93.12793.005修正后干灰渣熱損失/%0.992 0.8691.008修正后干煙氣熱損失/%4.951 5.000 4.951修正后燃料中水分熱損失/%0.163 0.172 0.163修正后氫燃燒生成的水分熱損失/%0.252 0.266 0.252修正后空氣中水分熱損失/%0.015 0.012 0.017修正后鍋爐熱效率/%92.15 93.20 93.13

2.3 燃燒器擺角對NOx排放和鍋爐效率的影響

燃燒器擺角是影響爐內溫度場分布的主要參數[16]，設置合理的燃燒器擺角是為了控制鍋爐再熱器出口汽溫。但實際運行中，燃燒器擺角設置不當造成的機組汽溫、汽壓異常也時有發(fā)生，通過合理優(yōu)化調整方案，控制燃燒器擺角從而改變火焰中心高度，進而直接影響主汽的溫度和壓力，同時影響鍋爐的送煤量和風量。330 MW負荷工況下，最佳運行氧含量、最佳SOFA風開度、二次風配風方式和最佳周界風開度條件下進行了3個變燃燒器擺角工況(33%、37%和40%)，擺角越大，表明擺角越低，45%表示水平。試驗中將擺角放在50%時，再熱汽溫降至525 ℃，低溫過熱器出口溫度由420 ℃降至412 ℃，該工況再熱汽溫下降較多，且長期運行對機組不利，試驗無法進行。各工況下的鍋爐效率、NOx濃度變化如圖6所示。

圖6 燃燒器擺角對NOx排放和鍋爐效率的影響Fig.6 Effect of burner swing angle on NOx emission and boiler efficiency

由圖6可知，鍋爐效率隨燃燒器擺角的增加呈先上升后下降趨勢，NOx濃度呈下降趨勢，燃燒器擺角37%時，鍋爐效率最高為93.20%，A、B側NOx質量濃度分別為352和356 mg/Nm3，較擺角40%下高約25 mg/Nm3，但鍋爐效率高約0.2%。綜合考慮鍋爐效率、NOx濃度，確定試驗最佳燃燒器擺角為37%，此時鍋爐效率為93.20%，A側和B側NOx質量濃度分別為352和356 mg/Nm3。

3 結 論

1)通過優(yōu)化調整爐內的過量空氣系數可降低SCR進口NOx濃度，并保證較高的鍋爐效率。

2)依據分級燃燒原理降低NOx濃度的3種二次風配風方案試驗中，倒塔配風的NOx排放濃度比正塔配風和均等配風分別低約9.1%和7.8%，其濃度在倒塔配風時最低，正塔配風時最高。

3)SOFA風開度可有效控制煤粉的燃盡和火焰中心位置，并延長煤粉在爐內還原區(qū)的停留時間，降低NOx濃度。隨著頂層周界風開度的逐漸增大，鍋爐效率先減小后增加，NOx排放濃度呈逐漸增大的趨勢。周界風開度變化7%，鍋爐效率變化了1%左右。

4)燃燒器擺角可有效控制爐膛內火焰中心點，從而控制爐內的溫度場和出口煙溫，顯著影響鍋爐效率和NOx排放濃度，試驗發(fā)現隨燃燒器擺角的增加，鍋爐效率先呈上升后下降趨勢，NOx排放濃度呈下降趨勢。