330MW锅炉氮氧化物排放浓度偏高优化调整

王敦敦，陈一平，李明

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国电库车发电有限公司，新疆库车842000)

330MW锅炉氮氧化物排放浓度偏高优化调整

王敦敦1，陈一平1，李明2

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国电库车发电有限公司，新疆库车842000)

针对某电厂330 MW对冲燃烧锅炉投产后炉膛出口氮氧化物浓度偏高的问题，对现场试验数据与设计值进行对比分析，结果表明：蒸汽温度偏低导致的燃尽风无法投入，一次风率偏高，主燃烧区域富氧燃烧是导致炉膛出口氮氧化物浓度偏高的主要原因。通过采取提高火焰中心，改善蒸汽参数，调整燃尽风等一系列措施，炉膛出口氮氧化物排放浓度得到降低。

锅炉；蒸汽参数；氮氧化物；优化调整

随着新环保标准的实行，火电机组加强了氮氧化物排放浓度的控制〔1〕。某电厂330 MW对冲燃烧锅炉投产后，在300MW负荷下，当投入燃尽风时，主蒸汽温度大幅下降，最低降低至500℃，影响机组运行安全。在不投入燃尽风时，炉膛氮氧化物浓度为600 mg/Nm3左右，超过设计值 (350 mg/Nm3)，无法满足环保要求。目前对于类似的问题，可供借鉴的调整经验较少。为了满足锅炉的经济运行和环保要求，为后续的改造提供依据，特进行燃烧优化调整试验。

1 设备概述

1.1 锅炉设计性能参数

某电厂2×330MW机组锅炉为北京巴布科克·威尔科克斯有限公司生产的B＆WB－1192/17.5－M型亚临界自然循环汽包炉，前后墙对冲燃烧。燃烧器为DRB-4Z超低NOx型双调风旋流煤粉燃烧器，炉膛上部布置了燃尽风喷口 (OFA)。配套了5台ZGM95N-Ⅱ型中速磨煤机，ADC磨煤机出口煤粉进入前墙的下中上层燃烧器，BE磨煤机出口煤粉进入后墙下中层燃烧器。炉膛断面尺寸为15 600mm ×13 500mm，汽包中心线标高62 650mm。锅炉主要设计参数见表1。

1.2 设计及实际燃用煤种

锅炉设计煤种为高挥发分、中高灰分、常水分的烟煤，具有易燃尽、易着火、高结渣性等特性，与设计煤种相比，实际燃用煤种发热量高，挥发分高，灰熔点高，见表2。

2 氮氧化物浓度偏高原因分析

2.1 高负荷下蒸汽温度低，燃尽风难以投入

锅炉实际运行中发现，在高负荷时 (250 MW以上)，过热器一、二级减温水流量为0，当主蒸汽压力高于14MPa时，主、再热蒸汽温度大幅波动，最低降至500℃，为保证蒸汽温度达到设计值(541℃)，只能采用降压运行。由于燃尽风(OFA)设计在最上层燃烧器以上约4.5m处，当燃尽风投入后，会对炉膛火焰产生 “压火”作用，降低火焰中心，降低主、再热汽温，不利于机组的安全经济运行。有研究表明，燃尽风的合理配置，能够降低20%～40%的氮氧化物排放〔2〕。

在300MW负荷下，通过对比尾部烟道烟气温度DCS值与设计值 (见表3)可知:低温过热器和低温再热器入口烟气温度比设计值低约150℃，低温过热器、低温再热器和省煤器出口烟气温度比设计值低约40℃。通过实际测量发现，屏式过热器底部平均烟气温度约为905℃，比锅炉厂热力计算对应值低近100℃。综合以上分析可知，炉膛出口烟温低，是导致过、再热器吸热不足，蒸汽温度无法达到设计值的直接原因。

从表2中可以看出，实际燃用煤质发热量和挥发分偏高，在相同负荷下，会导致锅炉燃煤量少，燃烧过程中产生的烟气量少，过热器和再热器吸热变少，蒸汽温度难以提升。同时，由于设计煤种Na2O含量较高 (2.3%～2.7%)，根据结渣判别标准，大于2.5%时属于严重结渣倾向煤种，对锅炉玷污影响特别显著〔3〕。根据灰软化温度ST进行分析，设计煤种同样属于严重结渣特性煤种〔4〕。因此在锅炉设计中，考虑结渣影响，有意增加了水冷壁吸热面积。而实际燃用煤质 Na2O含量小于0.4%，属于低结渣特性煤，于是造成实际燃用煤质下水冷壁面积偏大，吸热量过多，从而使炉膛出口烟气温度偏低。

2.2 一次风率较设计值偏高

该锅炉一次粉管内径为530 mm，比同类型锅炉一次粉管大15%左右。实际运行过程中为了防止煤粉堵塞，一次风速要控制在18m/s以上，实际一次风量会远远超过设计值。表4为典型负荷下一次风量与二次风风量之比，随着负荷的升高，该比值逐渐减小，但最低仍然达到0.57，远远高于设计值 (0.19～0.2)。煤燃烧过程中产生的NOx可分为燃料型、热力型和快速型，其中燃料型NOx占总量的 75%以上〔5〕。NOx主要在燃烧初期产生〔6〕，一次风风率越高，燃烧器出口氧浓度越高，燃料型NOx生成越多。因此，过高的一次风风率对降低NOx排放十分不利。从图1看出，负荷增加时，给煤量增加，一次风喷口煤粉浓度增加，形成缺氧燃烧环境，NOx生成浓度呈下降趋势。

2.3 燃烧器设计调整手段有限

该锅炉燃烧器为旋流燃烧器，环绕在一次风外围的是过渡风，过渡风设计用来阻隔煤粉和二次风，推迟混合。过渡风外围是内二次风和外二次风，但是内外二次风的比例无法调节。实际运行发现，由于一次风率偏高，煤粉在喷口已经形成了富氧环境，煤粉的着火点距离一次风喷口依然很近。因此通过调节过渡风开度和内二次风的旋流强度对推迟煤粉燃烧、降低氮氧化物生成效果有限。

3 优化运行调整措施及效果

3.1 蒸汽参数调整

3.1.1 提高炉膛火焰中心

该锅炉前墙上中下3层布置CDA磨煤机，后墙上下2层布置EB磨煤机，等离子点火器布置在下层A燃烧器内，设计满负荷工况下C层燃烧器备用，平时运行过程中一般投入ABDE磨煤机运行。针对该锅炉存在的炉膛出口温度低问题，采取提高炉膛火焰中心的运行调整措施:

1)变备用C磨煤机为常用磨煤机，把下层A或B磨煤机作为备用，即高负荷下投运BCDE或ACDE磨煤机。由于锅炉燃用煤质为高挥发分烟煤，着火稳定性能得到充分保证，当A磨煤机备用时，即使出现异常情况仍然可以投入每个燃烧器的油枪稳定燃烧。

2)减小下层磨煤机给煤量而增加中上层磨煤机的给煤量，同时通过磨煤机总风量和冷却风量的调整确保不发生一次粉管堵塞和温度高而烧管。在300MW负荷下，C磨煤机给煤量最高达到38 t/h，而A或B磨煤机给煤量只有23 t/h，此时一次风管最低风速在20m/s左右，磨煤机出口风粉混合温度为70～80℃。

3)调整旋流燃烧器内外二次风旋流强度。通过减少内二次风旋流强度，提高刚性，可以推迟二次风与煤粉的混合，可以提高火焰中心高度。实际调整过程中，内二次风旋流强度拉杆关至最小刻度，基本无旋流。

3.1.2 提高氧量

适当提高锅炉运行氧量，增加烟气流量。在高负荷下，炉膛出口氧量在4.5%左右运行，烟气流量增加后，过、再热器吸热增加，蒸汽温度得到提高。

3.2 低氮燃烧调整

3.2.1 垂直分级燃烧

采取以上提高炉膛火焰中心技术措施后，炉膛出口温度明显提高，并且需要投入过热器减温水进行汽温控制，为开启燃尽风 (OFA)创造了条件。在300MW负荷下，燃尽风门开度可以达到80%，实现了垂直方向深度分级燃烧，降低了氮氧化物生成，试验结果参见图1。

3.2.2 提高煤粉浓度

在一次风管不堵塞前提下，尽量增加中、上层给煤量，提高一次风煤粉浓度，控制氮氧化物的生成。

3.2.3 推迟风粉混合

减小旋流燃烧器内二次风旋流强度，推迟内二次风与煤粉的混合对降低氮氧化物生成有利。

3.3 调整结果

通过以上调整后，各负荷段稳定工况下主要蒸汽参数见表5，NOx浓度变化参见图1。在250～300MW负荷下，蒸汽参数基本达到设计要求，蒸汽温度和压力稳定，主、再蒸汽温度达到540℃左右。在300MW负荷下，主蒸汽压力为16.8 MPa，过热器仍然有10 t/h左右减温水调节余量。燃尽风

全关时，炉膛出口NOx浓度为550mg/Nm3，燃尽风开启后，NOx浓度逐渐降低，当燃尽风开度为50%时，NOx浓度达到最低值464 mg/Nm3，主再热蒸汽温度降低到530～536℃，主蒸汽压力为16.6MPa。当燃尽风开度达到80%及以上时，NOx浓度和主再热蒸汽参数变化不明显。

在300～330 MW负荷段时，受制于一次风机出力和一次风管最低风速限制，中上层磨煤机出力不能继续增加，当主蒸汽压力高于15MPa时，主、再热蒸汽温度不能达到设计值，而且出现较大波动现象，为维持汽温，只能降压运行，调节过热汽温的减温水流量为0。燃尽风门开度从10%开大至50%的过程中，NOx浓度从574mg/Nm3降低至533 mg/Nm3，当燃尽风门开度进一步开大时，主再热蒸汽温度降低明显。在小于250 MW负荷、4台磨运行方式下，受制于下层磨煤机的最低出力，中上层磨煤机出力增加受限，炉膛出口烟温难以提高。因此，在180MW低负荷时，采用滑压运行方式，以维持主、再热蒸汽温度基本达到设计值。此时，燃尽风门从 10%开至 50%，NOx浓度从671mg/Nm3降低至660mg/Nm3。

4 结论

1)根据现有的试验数据分析，锅炉实际燃用煤种偏离设计煤种，是导致主、再热蒸汽温度偏低的主要原因；炉膛蒸发受热面吸热量偏多，导致炉膛出口烟气温度偏低，加剧了主、再热蒸汽温度的偏低。为了保证机组的稳定运行，燃尽风无法投入，是导致锅炉氮氧化物浓度偏高的主要原因。

2)一次粉管内径偏大，为了维持一次风速，实际运行中一次风率远大于设计值，燃烧器出口形成富氧燃烧环境，导致锅炉氮氧化物浓度偏高。

3)燃烧器设计调节手段有限，内外二次风比例无法调整，仅通过过渡风和内二次风旋流强度来达到降低氮氧化物浓度的作用有限。

4)通过采取调整磨煤机运行方式，投入中上层磨煤机运行，增加中上层磨煤机给煤量，调整旋流燃烧器内二次风旋流强度，适当提高锅炉运行氧量等一系列措施，使锅炉蒸汽压力和温度不匹配和主、再热蒸汽温度低等问题大幅度改善，锅炉在300MW负荷下主、再热蒸汽参数能达到设计值。

建议开展设计煤种下的性能试验，根据试验结果进行锅炉受热面和一次风管的核算和改造，彻底解决锅炉蒸汽参数不匹配、汽温偏低等问题，并使炉膛出口NOx浓度达到设计值。

〔1〕GB13223—2011火电厂大气污染物排放标准 〔S〕.北京:中国标准出版社，2011.

〔2〕张晓辉，孙锐，孙绍增，等.燃尽风与水平浓淡燃烧联用对NOx生成的影响 〔J〕.中国电机工程学报，2007，27(29): 56-61.

〔3〕岑可法.锅炉和热交换器的积灰，结渣，磨损和腐蚀的防止原理与计算〔M〕.北京:科学出版社，1994.

〔4〕李永兴，陈春元.动力用煤结渣特性综合判别指数的研究〔J〕.热力发电，1994(3):36-39.

〔5〕PERSHING DW，WENDT JOL.Pulverized coal combustion:The influence of flame temperature and coal composition on thermal and fuel NOx；proceedings of the Symposium (International) on Combustion，F，1977〔C〕.Elsevier.

〔6〕孙保民，王顶辉，段二朋，等.空气分级燃烧下 NOx生成特性的研究〔J〕.动力工程学报，2013，33(4):261-266.

Optim izing adjustment for high concentration of nitrogen oxide em issions of 330MW boilers

WANG Dun-dun1，CHEN Yi-ping1，LIMing2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Guodian Kuche Power Generation CO.，LTD.Kuche 842000，China)

The hedge fired boilers in a certain 330 MW power plant appeared to high concentration of nitrogen oxides after commissioning.Through the analysis of the test data and design values，the results show that the OFA(over fire air)cannotbe put into，and low steam temperature，high primary air ratio and oxygen-enriched combustion in primary combustion zone is the main cause of the high concentration of nitrogen oxides on furnace outlet.By taking a seriesmeasurementof increasing the flame center，improving steam parameters and adjusting the OFA，furnace outlet nitrogen oxides emission concentration was reduced.

boiler；steam parameter；nitrogen oxide；optimal adjustment

TK223.27

B

1008-0198(2014)06-0069-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.020

2014-05-28 改回日期:2014-08-10