2070 t/h对冲燃烧超临界锅炉NOx排放特性试验研究

汤伟全，鄢晓忠，邱 靖，王 鹏

(长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南长沙410076)

在未来比较长的一段时期内，我国主要电力生产方式仍将是以煤为一次能源的火力发电.目前我国电厂大多燃用劣质煤，燃料需要较高的炉温才能燃尽，这样就造成NOx排放偏高.随着国家对火电排放要求的提高，以及煤炭资源减少和NOx排放造成的大气污染的加剧，燃煤发电的可持续发展面临着严峻的挑战［1-4］.为了缓解我国电力短缺和大气污染严重的现状，研究和发展高效且低NOx排放燃烧技术是较为有效的途径.

目前对于超临界锅炉主要通过采用低NOx燃烧器和先进的低NOx燃烧技术来降低NOx排放.低NOx燃烧器在降低NOx排放方面已取得较大的进展.在低NOx燃烧技术方面，由于锅炉燃烧过程是十分复杂的化学反应，影响燃烧的因素也非常多，所以在低NOx燃烧技术方面还有待提高.不当的运行方式将会造成炉膛较大范围内缺氧、局部高温、引起水冷壁结渣和高温腐蚀，而在局部高温区会产生较多的NOx，对锅炉总体NOx的生成起到关键的作用［5-8］.NOx的大量排放将对环境产生巨大的破坏，因此通过了解锅炉各运行因素对NOx排放的影响，找到降低NOx排放的运行方式，对于电厂的安全运行和环境保护具有重要的意义［9］.

以湖南某电厂2070 t/h对冲燃烧超临界锅炉为例，该锅炉在运行中长期出现NOx排放较高的情况.笔者对该对冲燃烧超临界锅炉进行了热态试验［10］，从机组负荷、省煤器出口氧量体积分数、燃尽风开度、二次配风方式等主要运行因素入手，分析其对NOx排放的影响，以期找到降低NOx排放的措施.

1 锅炉设备概况

某厂660 MW机组所配锅炉为东方锅炉厂制造的超临界参数复合变压本生直流锅炉，其型号为DG2070/25.5-Ⅱ9型，锅炉采用单炉膛、一次再热(再热气温通过烟气挡板调节)、尾部双烟道结构、固态排渣、全悬吊结构、全钢构架、露天布置、平衡通风.每台炉配有24支低NOx旋流式煤粉燃烧器，前后墙各布置3层，每层4只，组成对冲旋流燃烧系统.同时在前、后墙各布置一层(6只)燃尽风喷口，其中2只侧燃尽风喷口，4只燃尽风喷口，满足低NOx的要求.采用6台上海重型机械厂生产的BBD4360双进双出磨煤机与之配套.烟煤和本地无烟煤按3∶7比例混配作为锅炉的设计煤种.锅炉采用定压运行，也可采用定—滑—定的运行方式，在锅炉热效率不受影响的前提下，在使用设计燃料时不投油的最低稳燃负荷为不超过44%BMCR.部分重要设计参数见表1，燃料特性见表2.

该锅炉在校核煤种和实际运行煤种情况下，特别是在高负荷情况下NOx排放质量浓度远高于国家规定的100 mg/m3，最高值达到560 mg/m3.

表1 锅炉主要设计参数Table 1 Main dsign parameters of boiler

表2 煤质特性Table 2 Properties of fuel

2 锅炉NOx排放特性试验

通过对影响NOx排放的各个因素单独进行试验分析，了解该锅炉在不同工况下的NOx排放特性.

2.1 试验内容

燃烧测试主要内容是针对锅炉的NOx排放特性进行系统的分析，了解影响锅炉的NOx排放浓度的主要因素，并进行燃烧优化调整.其具体内容如下:

1)在煤质不变的情况下，进行变炉膛负荷的NOx排放浓度的影响试验.

2)在煤质和负荷不变的情况下，进行变燃尽风量的NOx排放浓度的影响试验.

3)在煤质和负荷等因素不变的情况下，进行改变氧量的NOx排放影响试验.

4)在煤质和负荷等因素一定的情况下，进行改变配风方式的NOx排放影响试验.

2.2 试验方法

试验采用单因素轮换法，即在其他运行参数保持不变的情况下，改变某一工况参数.对主要运行因素变化时的NOx排放浓度进行测量，并系统地研究各单一因素变化的影响.由于实际运行条件的限制，试验选择在不同负荷时段下进行.针对该锅炉实际运行特点和具体条件，对影响NOx排放的主要因素，如:氧量、机组负荷、配风方式及燃尽风开度进行了试验研究.在试验时，采用Testo350烟气成分分析仪对锅炉省煤器出口、SCR入口之前的烟气成分进行分析，其他试验所需主要运行参数从DCS系统中读取.根据《电站锅炉性能试验规程》的规定，对试验数据进行整理、计算及结果修正.根据《火电厂大气污染物排放标准》的规定，对锅炉NOx排放浓度数据进行整理、计算及修正.

3 试验结果与分析

3.1 锅炉负荷对NOx排放的影响

针对机组负荷变化对炉内NOx排放质量浓度的影响，进行了6个机组负荷的试验.试验中，炉膛出口氧量保持在3.0%左右，燃尽风开度为64%，保持煤种不变，配风为均等配风.不同负荷下的NOx排放量及炉内温度分布情况如图1和表3所示.

由图1可以看出，当机组负荷从较低负荷升高到420MW的过程中，NOx排放质量浓度呈现明显的升高趋势;再继续升高到600 MW的过程中，NOx排放质量浓度表现为下降的趋势;再随负荷继续增加，NOx排放质量浓度上升.

图1 机组负荷对NOx排放质量浓度的影响Fig.1 Influence of uinit load on NOxemission

表3 不同负荷下炉膛温度分布及氧量浓度Table 3 Furnace temperature distributions and oxygen concentration under different load

低负荷时，炉内热负荷不高，燃烧温度水平也比高负荷时低，热力型NOx的生成受到抑制，再加上此锅炉运行时氧量维持在3.0%左右，这样也抑制了燃料型NOx的产生，所以在低负荷时NOx总体排放量较低.随着机组负荷的升高，炉内热负荷明显增加，炉内温度水平也明显升高.随着温度的升高，O2高温分解加剧，O2分解生成氧原子，氧原子在NO生成的链式反应中起了活化链的作用.首先氧原子与N2反应生成NO和N，而N立即被O2氧化生成NO，所以温度升高，热力型NOx生成增加.虽然当温度超过900℃时，燃料氮的转化率升高不明显，但负荷增加，燃料入炉的氮总量在增加，燃料型NOx的生成量也会增加.随着锅炉负荷的升高，NOx排放质量浓度并不一直表现为升高的趋势，原因是只有当炉膛内O2体积分数与正在燃烧的燃料附近O2体积分数变化不显著时，NOx排放质量浓度才会随着炉膛温度水平和锅炉热负荷的升高而升高.

3.2 燃尽风对NOx排放的影响

变燃尽风量试验共进行了4个试验工况，机组负荷均为660 MW左右，试验在相同的磨煤机运行组合方式，炉膛出口氧量平均值为2.9%左右，主燃烧区域各层燃烧器配风方式为均等配风.4组工况总燃尽风门开度依次为80%，83%，90%和100%，各单个燃尽风门开度保持不变，变燃尽风风量试验结果如图2.

由图2可以看出，随着燃尽风门开度的增加，NOx排放质量浓度表现为明显的下降趋势.从80%燃尽风开度工况开始增加燃尽风，NOx排放质量浓度下降较为明显，但随着燃尽风风量的进一步增加，NOx排放质量浓度下降趋势变缓.这主要是由于燃尽风处于炉膛上方，此区域为燃尽区，同时也是NOx还原区，当总的送风量保持不变时，燃尽风开度的增加会导致配给主燃烧区域的二次风量减少，从而在主燃烧区域产生富燃料燃烧区域，从而在炉内垂直方向实现了分级燃烧的效果，限制了燃料型NOx的生成.但在燃尽风风量进一步增加时，其对炉内分级燃烧的影响作用减弱.

图2 燃尽风风量对锅炉NOx排放质量浓度的影响Fig.2 Influnence of over fired air flow rate on NOx emission concentration of boiler

另一方面，随着燃尽风风门开度的增大，过热蒸汽温度和再热蒸汽温度均有略升高的趋势.这是因为煤粉锅炉以辐射传热为主，燃尽风风量增加会使得炉膛内燃尽区域往炉膛上部延伸，使得过热再热蒸汽温度上升.同时随着燃尽风风量的增加，增加了炉膛上方气流扰动，汽温偏差也会有所减小.因此在保证较低NOx排放质量浓度的前提下，适当的燃尽风量配比对锅炉汽温偏差均有积极作用.

3.3 炉膛出口氧量对NOx排放的影响

针对氧量单因素变化的影响，由于送风机出力等原因，在高负荷炉内氧量较难往高浓度调节，故高负荷时，在较低氧量下试验;而低负荷时，低氧量情况下，NOx排放并不高，所以选择在较高氧量下试验.而且该锅炉负荷具有鲜明的时段分布特征，上午0～9时长期维持在360 MW左右，而其他时段以满负荷(660MW)为主，所以对锅炉进行了两组各4个工况的试验.试验在相同的磨煤机运行组合方式，主燃烧区域各层燃烧器配风方式为均等配风，分别保证负荷在360，660MW情况下运行.其结果如图3所示.

图3 660MW和360MW负荷下O2体积分数对锅炉NOx排放质量浓度的影响Fig.3 Influence of oxygen volumetric fraction on boiler NOxemission at loads of 660MW and 360MW

从图3可以看出:在试验工况条件下，随着燃烧氧量的增加，两种负荷工况下NOx排放浓度都表现为比较明显的上升趋势.特别是在660 MW情况下，当锅炉氧量由2.1%增加至2.6%时，NOx的排放质量浓度增加幅度相当大，这是因为氧量增加使炉内富氧区域增加，燃料型NOx排放量增加.虽然氧量增加意味着过量空气增多，一定程度上可能会略微降低炉内整体温度水平，但另一方面随着氧量的增加，燃烧器区域的燃烧强度随之增强，这样在燃烧区域会出现局部高温，那么在这些局部高温区域会产生较多的NOx，这样将对整个炉膛NOx产生起到较关键性的作用，因而氧量增加也促进了热力型NOx生成.

3.4 配风方式对NOx排放影响

在600 MW负荷下进行变配风方式试验，炉膛出口氧量平均值保持在3.0%左右，磨煤机组合方式均为A1，B2，E2，D2，F2，C2 6 台磨煤机运行，其中E2和C2分别为下层前墙和后墙燃烧器供粉;B2和F2分别给中层前墙和后墙燃烧器供粉;A1和D2分别给上层前墙和后墙燃烧器供粉.由于主燃烧区分为3层，故通过调节旋流燃烧器二次风门开度，设置3组工况.工况1:上层配风风量较大，中层和下层相对较小;工况2:将3层配风大小保持基本接近;工况3:主燃烧区域上层和下层配风较多，中间层配风较少，具体配风方式如表4.

表4 各配风方式下的二次风开度Table 4 Secondary air flow opening at different modes of air distribution

在3种工况下，燃尽风风门开度维持40%不变.配风方式对NOx排放质量浓度的影响如图4.由图4可以看出，配风方式对NOx排放质量浓度的影响较为显著.工况3条件下，即主燃烧区中间层二次风开度较小时，NOx排放质量浓度最低，工况2的配风方式次之，工况1的配风方式最高.

图4 配风方式对NOx排放质量浓度的影响Fig.4 Influence of air distribution mode on NOxemission

工况1条件下，上层空气量过大，主燃烧区域上部形成强富氧气氛，下层燃烧区域形成的含氮化合物在此区域迅速被氧化，则会增加燃料型NOx的生成量，而大量的燃料在此区域燃烧也提高了此区域的炉膛温度水平，进而使总NOx排放量增加.工况3条件下，减少中间层燃烧区域的风量，而适当增加上层和下层燃烧区域的风量，可使主燃烧区域中间形成富燃料燃烧区域，这样就可以减少氮元素及其中间产物继续被氧化为NOx的可能性，从而减少了燃料型NOx的生成;而上部燃烧区域由于风量较工况1有所减少，使得燃烧剧烈程度减低，在一定程度上降低了此区域的炉膛温度，从而减少热力型NOx的生成，使总的NOx生成量减少.工况2均等配风情况下，NOx排放质量浓度介于之间.由测试结果可以看出:主燃烧区风量分配的变化对该区域内分级燃烧效果影响较显著，综合考虑各配方方式下过热、再热气温偏差，采用均匀配风较合适.

3.5 多因素变化对NOx排放的影响

基于单因素对该锅炉NOx排放的影响及该锅炉的实际运行情况，制定了在单因素较优情况下的多因素变化对NOx排放影响的试验.由于该锅炉负荷的时段分布特点，试验选定在360 MW和660 MW两种工况，由单因素分析可知，在第2层二次配风较小的情况，NOx排放较低，故两种负荷下二次配风均采用束腰型配风，氧量和燃尽风开度如表5，多因素变化情况下的试验结果如图5.

表5660MW和360MW负荷下氧量和燃尽风开度Table 5 Oxygen volumetric fraction and over fired air rate at loads of 660MW and 360MW

图5 不同运行方式对NOx排放量的影响Fig.5 Influnence of different operating mode on NOxemission

从图5可以看出，360 MW负荷下，氧量为3.0%，燃尽风开度为40%时，NOx排放质量浓度较低;660 MW负荷下，氧量为2.0%，燃尽风开度为90%时，NOx排放质量浓度也较低.在此基础上增加氧量，燃尽风调高或降低，NOx排放质量浓度都表现为升高的趋势.

从工况2到工况3，当氧量增加，燃尽风减少的情况下，NOx排放增加趋势较为明显.因为一方面氧量增加使炉内富氧燃烧区域增加，热力型NOx生成增加;另一方面燃尽风的减少使炉内垂直方向的分级燃烧减弱，NOx排放增加较大.从工况3到工况4，氧量和燃尽风都增加的情况下，NOx排放增加趋势减缓，燃尽风开度增大，分级燃烧增强，削弱了氧量增加使NOx排放增加的趋势.

4 结论

1)随着机组负荷的增加，NOx排放质量浓度总体上表现为先升高后降低的趋势，锅炉在高负荷段运行时存在NOx排放浓度的较低值.

2)燃尽风的比例对NOx排放有很大影响，燃尽风比例增加能明显降低NOx排放.

3)在试验运行工况下，氧量对NOx排放有显著影响.随氧量的升高，NOx排放增加.高负荷时可以适当降低氧量来降低NOx排放质量浓度.

4)当燃尽风比例较小时，二次风配风方式对NOx排放有一定的影响.实际运行时可适当减小中间层的二次配风量.

5)对于本锅炉，在低负荷时，炉膛出口氧量控制在3.0%，燃尽风开度控制在40%比较适宜;在高负荷时，氧量控制在2.0%，燃尽风开度控制在90%比较适宜.

References)

［1］ 蒋敏华，黄斌.燃煤发电技术发展展望［J］.中国电机工程学报，2012，32(29):1-8.Jiang Minhua，Huang Bin.Prospects on coalfired power generation technology development［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32(29):1-8.(in Chinese)

［2］ 江焯烨，鄢晓忠，纪括，等.2070 t/h对冲燃烧锅炉传热计算及煤种适用性分析［J］.热力发电，2013，42(11):110-115.Jiang Zhuoye，Yan Xiaozhong，Ji Kuo，et al.Heat transfer calculation and coal adaptability anaiysis for a supercritical 2070t/h opposed-firing boiler［J］.Thermal Power Generation，2013，42(11):110-115.(in Chinese)

［3］ 胡志宏，杨兴森，王军，等.1000MW超超临界锅炉燃烧优化调整［J］.锅炉技术，2008，39(4):42-46.Hu Zhihong，Yang Xingsen，Wang Jun，et al.Combustion optimization of 1000MW ultra-superritical once-through boiler［J］.Boiler Technology，2008，39(4):42-46.(in Chinese)

［4］ 聂宇宏，梁融，钱飞舟，等.高炉煤气余热锅炉数值模拟与传热系数的修正［J］.江苏科技大学学报:自然科学版，2014，28(1):46-49.Nie Yuhong，Liang Rong，Qian Feizhou，et al.Numerial simulation of BFG waste heat boiler and correction of its heat transfer coefficient［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Eeition，2014，28(1):46-49.(in Chinese)

［5］ 刘建全，孙保民，张广才，等.1000MW超超临界旋流燃烧锅炉稳燃特性数值模拟与优化［J］.中国电机工程学报，2012，32(8):19-27.Liu Jianquan，Sun Baomin，Zhang Guangcai，et al.Numerial simulation and optimization on stable combustion of a 1000MW ultra supercritical unit swirl combustion boiler［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32(8):19-27.(in Chinese)

［6］ 聂宇宏，聂德云，梁融，等.余热锅炉灰斗内两相流动的三维数值模拟及结构优化［J］.江苏科技大学学报:自然科学版，2013，27(5):488-492.Nie Yuhong，Nie Deyun，Liang Rong，et al.Three-dimensional numerical simulation of the waste heat boiler ash bucket structure optimization［J］.Journal of Jiangsu U-niversity of Science and Technology:Natural Science Edition，2013，27(5):488-492.(in Chinese)

［7］ Pohl J H，Sarofim A F.Devolatilization and oxidationof coal nitrogen［C］∥Proceedings of 16th Symposium on Combustion.Pittsburgh:The Combustion Institute，1976:491-501.

［8］ 樊泉桂.超临界和超超临界锅炉煤粉燃烧新技术分析［J］. 发电设备，2006，7(2):23-25.Fan Quangui.Analysis of new pulverized coal combustion technology of supercritical pressure boiler［J］.Electrical Equipment，2006，7(2):23-25.(in Chinese)

［9］ 高小涛，黄磊，张恩先，等.1000MW机组锅炉氮氧化合物排放影响的试验研究［J］.热能动力工程，2010，25(25):221-225.Gao Xiaotao，Huang Lei，Zhang Enxian，et al.Experrimental study on the impacts of opration factors on NOxemissions from 1000MW utilityboilers［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2010，25(2):221-225.(in Chinese)

［10］ 鄢晓忠，叶兆青，纪括，等.2070 t/h超临界对冲火焰锅炉飞灰含碳量偏高原因分析［J］.长沙理工大学学报:自然科学版，2014，11(1):68-74.Yan Xiaozhong，Ye Zhaoqing，Ji Kuo，et al.A cause analysis on high carbon content in fiy ash of 2070t/h supercritical hedge flame boiler［J］.Journal of Changsha University of Science ＆ Technology:Natural Science，2014，11(1):68-74.(in Chinese)