600 MW级超临界锅炉低NO x燃烧优化分析

杨帮敏

（浙江浙能乐清发电有限责任公司，乐清 325609）

发电燃煤锅炉烟气排放的污染物中含有粉尘、SO2和NOx等，随着技术的进步和设备的升级，发电燃煤锅炉烟气除尘效率可达99.5%以上，石膏湿法烟气脱硫（FGD）的脱硫效率可达95%以上，已经满足了基本环保指标要求。而对燃煤锅炉烟气排放污染物中NOx的控制，特别是SCR投运造成氨逃逸给锅炉带来的空预器积盐等问题，一直是困扰NOx排放控制的难点。

为此，火电运行人员一直寻求在燃烧侧的优化调整方法，以控制SCR入口的NOx生成浓度，达到减少SCR喷氨量，降低由于氨逃逸引起的空预器积盐的可能性，提高锅炉运行的效率和安全性。本文结合燃煤锅炉燃烧调整的试验和实际运行工况，对600 MW级超临界锅炉低NOx燃烧调整手段进行分析。

1 NO x生成机理

燃煤锅炉炉内煤粉燃烧过程中会生成大量NOx，但其过程是一个复杂的化学反应过程［2］。煤燃烧过程中所生成的NOx有3种类型，即热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx，各种类型NOx所占比例在煤燃烧过程中也不尽相同。NOx生成和破坏过程如图1所示。

研究表明［3］，在燃烧过程中，将燃料中的含氮有机物经过热分解和氧化生成的NOx称为燃料型NOx，其生成量占NOx生成总量的75%～80%［4］。生成的NOx中约20%是热力型NOx，仅当温度＞1 600℃，热力型NOx所占比例才会迅速上升。由于炉内温度很难达到1600℃以上，因此热力型NOx在燃煤锅炉内少量生成。在火电燃煤锅炉中，快速型NOx生成量很小，一般仅占NOx总生成量的5%以下［4］，仅在不含氮的碳氢燃料发生低温燃烧时才可能生成快速型NOx。

图1 NO x生成和破坏过程

2 低NO x燃烧技术

低NOx燃烧技术主要有［5］：空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环技术、低过剩空气燃烧、浓淡偏差燃烧和低NOx燃烧器。从本质上说，上述技术的机理是一样的，就是改变局部环境下燃料和氧量配比，达到保证锅炉效率的前提下，实现低NOx燃烧的目的。

大多数600 MW以上机组采用低NOx燃烧器实现低NOx燃烧，在运行中结合空气分级燃烧和燃料分级燃烧，控制燃烧过程中NOx的生成量。乐清电厂1～4号锅炉燃烧器均采用低NOx同轴燃烧系统技术（LNCFS），该技术在降低NOx排放的同时，重点考虑了提高锅炉低负荷不投油稳燃能力和燃烧效率。这种燃烧器主要将二次风分为2部分，在主燃区先送入一部分风量，保证主燃区的稳定着火，同时使主燃区处于富燃料燃烧阶段，降低炉膛温度，降低NOx的生成；在燃烧器上方布置燃尽风，保证煤粉燃尽。可使得高温区与富氧区分离，达到控制燃料型NOx生成的目标。

3 变氧量对NO x生成的影响

为了准确地分析变氧量工况下，NOx的生成变化规律，以600MW超超临界1号锅炉作为研究对象，对600（100%）、480（80%）、420（70%）、360 MW（60%）共4个负荷工况点进行变氧量优化试验，研究过量空气系数、NOx生成和飞灰含碳量的变化趋势（见图2和图3）。

图2 各负荷变氧量NO x生成趋势图

由图2可知，NOx生成浓度随着氧量的降低而明显降低，而固体未完全燃烧热损失q4（主要是飞灰含碳量）随着氧量的降低而升高。但飞灰含碳量绝对值相对稳定，增加不明显，引起的q4增大并不明显，依然不会抵消由于降低氧量运行使得排烟热损失q2的降低，从而使得锅炉效率略有上升。

图3 600 MW锅炉变氧量运行效率趋势图

由图3可知，整体燃烧氧化性氛围的控制，即炉膛出口氧量的降低，可以有效降低NOx的生成，并且达到提高锅炉效率的目标。

4 变SOFA率对NO x生成的影响

锅炉燃尽风分为紧凑型燃尽风（CCOFA）和分离式燃尽风（SOFA），燃尽风（OFA）的作用是提高煤粉燃尽率和控制NOx生成，下面主要研究SOFA对控制NOx生成的作用和影响程度，并给运行人员提供指导意见。锅炉变SOFA运行试验，可以在相对稳定的负荷工况下进行，操作方法简单，可以得到运行参数，且参数规律特征明显。

变SOFA运行试验尽量维持运行操作控制习惯不变，通过有限的参数改变，研究变化的参数对NOx生成的影响。本试验研究对象相对较少，鉴于氧量对飞灰含碳量和锅炉效率有着决定性影响，不对飞灰含碳量和锅炉效率进行分析，仅对NOx生成、SOFA率、炉膛风箱差压、排烟温度与环境温度差值进行统计分析，研究其相互之间的关联规律。

由于600 MW级超临界锅炉炉型成熟，燃烧控制策略完善，在试验过程中，尽量保持自动投入率处于较高水平。该炉型的主燃烧器区域在正常运行工况下采用均等配风。试验过程中，燃烧器区域的二次风门的控制不进行干预，仅通过改变SOFA风门开度，观察上述参数的变化趋势（见图4～图6）。主要的原则是：依次关小上层SOFA开度、关小上层SOFA开度和均等关小SOFA开度，计算主燃烧器区域过量空气系数α的变化，比较不同SOFA配风方式对NOx生成的影响。

图4 变上层SOFA风门开度NO x生成趋势图

在600 MW工况下，保持氧量和CCOFA风门开度基本不变，上部E、D、C层SOFA风门开度从原50%关闭，试验期间炉膛出口过量空气系数保持在1.22左右，而主燃烧器区域过量空气系数α从0.96升到1.05，NOx浓度从240 mg／Nm3升至303 mg／Nm3，上升幅度达26%。同时对炉膛风箱压差Plt－Pfx影响明显，从0.93 k Pa升高至1.02 k Pa，强化了主燃烧器区域的气流刚性。这一结果证明，多投运SOFA层数、总体增加SOFA量，可以减少主燃烧器区域的过量空气系数α，有助于降低NOx生成。排烟温度和环境温度差tpy－to降低，在烟气量基本不变的情况下，证明排烟热损失q2是随SOFA开大而降低的。

在430 MW工况下，保持氧量和CCOFA风门开度基本不变，下部A、B层SOFA风门开度从原50%依次关闭，试验期间炉膛出口过量空气系数保持在1.30左右，而主燃烧器区域过量空气系数α从1.05升到1.10，同时NOx浓度从365 mg／Nm3升至389 mg／Nm3，上升幅度达6.6%。同时对炉膛风箱压差Plt－Pfx影响明显，从0.38 k Pa升高至0.58 k Pa，强化了燃烧器区域的气流刚性。这一结果证明多投运SOFA层数，总体增加SOFA量也是有助于降低NOx生成的。排烟温度和环境温度差tpy－to基本不变，在烟气量基本不变的情况下，证明该负荷区间排烟热损失q2是随SOFA开大变化不明显。

图5 变下层SOFA风门开度NO x生成趋势图

图6 均等变SOFA风门开度NO x生成趋势图

在400 MW工况下，保持氧量和CCOFA风门开度基本不变，上部A、B、C、D、E层SOFA风门开度从原50%一致关小至40%、30%、20%，试验期间炉膛出口过量空气系数保持在1.30左右，而主燃烧器区域过量空气系数α从1.07升到1.14，NOx浓度从394 mg／Nm3升至515 mg／Nm3，上升幅度达30%。同时对炉膛风箱压差Plt－Pfx影响明显，从0.31 kPa升高至0.72 kPa，强化了主燃烧器区域的气流刚性。这一结果证明SOFA风门开大，总体增加SOFA量是有助于降低NOx生成的，但是为保证主燃烧器区域的气流刚性和燃烧基本氧量需求，SOFA不宜过大，平均开度不宜超过50%。排烟温度和环境温度差tpy－to升高，在烟气量基本不变的情况下，证明排烟热损失q2是随SOFA开大而升高的。这说明在低负荷区间，锅炉炉膛整体温度水平降低，如果再燃烧区域供氧不足，将可能得以整体火焰行程变长，排烟温度上升。

在上述3个试验中发现，若主燃烧器区域过量空气系数α＞1，则NOx生成量明显高于过量空气系数小于1的工况，推荐锅炉运行时，主燃烧器区域过量空气系数α处于0.93～0.97，可有效控制NOx生成。增加SOFA量可以整体上降低NOx生成，因此锅炉运行时，SOFA率应该大于20%，即保证主燃烧器区域处于贫氧燃烧或者是微富氧燃烧，防止由富氧区和高温区的重叠造成NOx生成量增加。但是为了保证燃烧区域的气流刚性，低负荷时SOFA平均开度不宜大于50%。

5 磨煤机运行方式对NO x生成的影响

大容量机组全部参与调峰运行，200 MW以上火电机组均投自动发电控制（AGC）模式，则调峰深度可达50%（特别是春秋季的午间和深夜凌晨），因此锅炉有较长时间处于低谷运行，此时需要停运运行磨煤机，以节约制粉单耗和风机电耗，同时也有利于运行磨煤机处于经济安全区域，提高炉内煤粉气流浓度，利于稳燃。不同磨的组合燃烧方式，对火焰中心影响明显，对NOx生成有较大的影响。通过比较观察日常低谷运行时，停磨前后NOx生成变化，分析比较磨煤机运行方式对NOx生成的影响。

磨煤机的组合运行方式需要考虑到众多因素，比如制粉系统隔离检修、设备定期切换和煤种掺烧等因素，因此磨煤机的组合方式只能根据生产需要来。在锅炉运行过程中，运行人员更倾向于保持下层磨的运行，有利于煤量集中稳燃，更重要的是A磨安装有等离子点火系统，有助于事故工况下的投运稳燃，另外AB层油枪也基本处于备用状态，也是考虑到稳燃的因素。不同磨组合燃烧试验参数表如表1所示。

表1 不同磨组合燃烧试验参数表

运行人员习惯在400 MW左右明确负荷下降趋势后停磨，在比较A、B、C、D、E、F磨停运后对NOx生成变化的趋势可发现：A、B、C磨停运后，将造成火焰中心整体上移，使分级燃烧能力变弱，NOx生成量增加；D、E、F磨停运后，将造成火焰中心整体下移，使分级燃烧能力变强，NOx生成量下降，特别是F磨停运后，NOx生成急剧下降，其主要原因也是拉开了火焰中心与SOFA的距离，强化了分级燃烧。

6 结论

对600 MW级超临界锅炉低NOx燃烧试验得到，氧量和主燃烧器区域的过量空气系数是影响NOx生成的重要原因。在600 MW级锅炉具备较高的容积热负荷和截面热负荷时，可以采用较低的氧量运行，控制炉膛出口过量空气系数，在整体氛围上抑制NOx生成，同时不会引起飞灰含碳量的大幅度增加影响锅炉效率，反而减少排烟热损失可获得更高的锅炉效率。变OFA试验得出，开大SOFA可以整体上降低NOx生成，建议锅炉运行时，SOFA率应大于20%。不同磨组合燃烧试验，分析出下层A、B、C磨停运后，NOx生成量增加，而上层E、F磨停运后NOx生成量下降十分明显。

通过以上3种技术手段的常规控制，乐清电厂4台锅炉SCR入口NOx能够有效控制在200 mg／Nm3左右，配合炉后SCR的反应，实现烟气NOx排放达到80 mg／Nm3以下，低于国家标准100 mg／Nm3，具有良好的环境效益。同时，大大减少后续SCR的喷氨引起的氨逃逸现象，降低空预器硫酸氢铵引起的空预器堵的概率，保障了锅炉的安全稳定运行。

［1］ 孙德创.玉环电厂超超临界锅炉技术经济对比与分析［D］.哈尔滨，哈尔滨工业大学，2004.

［2］ 岑可法，姚强，骆仲泱，等.高等燃烧学［M］.杭州：浙江大学出版社，2000.

［3］ 张盘石.基于神经网络的电站锅炉燃烧优化系统研究［D］.北京，华北电力大学（北京），2007.

［4］ Pershing，D.W.and Wendt，J.0.L.In Sixteenth Symposium（International）on Combustion［J］.Combustion Institue，Pittsburgh，1997，231-240.

［5］ 杨帮敏.600 MW级超临界锅炉燃烧优化试验研究［D］.杭州，浙江大学，2012.