燃烧优化调整对NOx排放和锅炉效率的影响

蔡 培，葛荣存，葛 铭，陈 辉，陈国庆，王秀军，戴维葆

(国电科学技术研究院 清洁高效燃煤发电与污染物控制国家重点实验室，江苏 南京 210023)

0 引 言

我国资源秉性决定了我国中长期以煤为主的能源结构特点[1]，2017年我国煤炭消耗量已超过38亿t，其中燃煤火力发电是我国煤炭资源的主要利用形式，也是我国当前的主要发电形式。

研究表明，燃烧1 t煤可产生8～9 kg的NOx[2-3]，由于NOx对人体和全球生态环境危害甚大，环保排放日益引起重视。2014年出台的《煤电节能减排升级与改造行动计划》要求燃煤机组的排放标准达到燃气的排放标准[4]，其中NOx排放要低于50 mg/m3，但NOx的浓度和锅炉效率有着相互矛盾的关系。为追求高效的燃烧效率和较低的NOx排放，各大电厂进行了系统的机组优化试验，因此，燃煤机组的燃烧优化调整已成为研究的重点和热点[5-6]。

燃煤电厂NOx的生成主要分为热力型(thermal NOx)、燃料型(fuel NOx)、快速型(prompt NOx)，其中燃料型NOx占电站锅炉NOx生成的75%～90%[7]。学者们根据不同NOx生成机理开发了不同降低NOx生成和排放的方法，主要有选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)、空气分级、燃料分级以及烟气再循环[8-10]。

对于已投运的机组，降低NOx最直接、最快捷的的方法是通过燃烧优化调整实现减排的目的。岳峻峰等[11]对某电厂600 MW超超临界机组墙式切圆燃烧系统进行分析，说明油枪风对NOx的排放影响最大。尚达等[12]对1 000 MW超超临界机组进行燃烧调整，发现倒塔配风的锅炉效率最高，炉膛出口NOx排放量最低。李德育等[13]研究了炉内配风对NOx排放特性的影响，发现合理的炉内配风可使NOx炉膛出口浓度降低15%左右。杨玮等[14]对330 MW贫煤机组进行调整，认为对于燃用贫煤的机组采用SNCR+SCR的方式可提高脱硝效率。

对于不同机组其燃烧的最优方式存在较大差异，本文根据已有的工程经验，结合不同大机组的燃烧调整方案，针对330 MW典型机组进行系统性的燃烧调整优化，并得到详细的现场试验比较结果，以分析燃烧优化调整对NOx排放和锅炉效率的影响。

1 试 验

1.1 试验机组概况

本文试验对象是上锅生产的SG-1151/17.5-M4008亚临界参数汽包炉，采用自然循环、四角切向燃烧，单炉膛，一次再热，平衡通风，锅炉紧身封闭，室内布置，固态排渣，为全钢架悬吊结构π型汽包锅炉，锅炉最大连续蒸发量1 151 t/h。制粉系统采用中速磨煤机直吹式制粉系统，共设5台中速磨煤机，其中4台运行，1台备用。空气预热器进风加热方式、一次风和二次风系统均采用暖风器加热系统，锅炉主要设计参数(设计煤种)见表1。

表1锅炉主要参数
Table1Maindesignparametersofboiler

项目BMCR额定工况(BRL)最大连续蒸发量(BMCR)/(t·h-1)1 1511 017过热器出口蒸汽压力/MPa17.5017.42过热器出口蒸汽温度/℃541541再热蒸汽流量/(t·h-1)993.6961.5再热器进口蒸汽压力/MPa3.6803.548再热器出口蒸汽压力/MPa3.5273.400再热器进口蒸汽温度/℃323320再热器出口蒸汽温度/℃541541省煤器进口给水温度/℃277275排烟温度(修正前)/℃134134排烟温度(修正后)/℃128128

1.2 试验煤样及试验设备

试验煤样的工业分析和元素分析见表2。试验所用的测量仪器主要有K型热电偶、EIC数据采集系统、testo350、顺磁氧传感器、温湿度计、气流筛分仪，靠背管、电子微压计等。

表2试验煤样的工业分析和元素分析
Table2Proximateandultimateanalysesofcoalsample

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

试验中将热电偶和烟枪捆绑插入炉膛尾部烟道中，分别测量空气预热器入口和出口的温度，测试期间用testo350与烟枪管道相连测量NO、O2、CO的含量，其测量精度分别可达到±5×10-6、±0.2%、±10×10-6。

1.3 试验内容

对于已投运的电站机组，影响其高效稳定燃烧和NOx生成的因素众多，主要有：① 煤种基本特性，主要指燃用煤的挥发分、含碳量、含氮量、发热量等燃料的基本特性[15-16]。② 运行参数，主要指运行过程中，一次风、二次风、燃尽风的配比关系与风速参数，以及煤粉粒度、燃烧器的摆动角度等运行中的可控参数[15-17]。③ 锅炉的结构参数，主要指机组设计的结构特性，燃烧器类型和燃烧方式以及炉膛设计的基本参数，如截面热负荷、排渣方式[18]。

本文针对以上影响因素，进行了NOx排放和机组效率的耦合试验。试验前保证机组的主、副机能够正常运转，检查整个机组的严密性，保证不泄露。试验前进行炉膛及受热面的吹扫作业并对试验所用的测量仪器、仪表等进行校核和标定。

1)首先进行氧含量优化调整试验，试验时保持机组负荷稳定在330 MW，维持一次风压、二次风配风方式、周界风开度、SOFA风配风方式、燃烧器摆角、磨煤机组合等不变，改变氧含量，实测排烟温度、氧含量、NOx、CO排放浓度、大气参数，采集原煤、飞灰、大渣，并记录相关DCS数据，煤粉燃烧器布置及平面示意如图1所示。

图1 喷口布置形式Fig.1 Nozzle arrangement

2)SOFA(分离燃尽风)风优化调整试验时保持机组负荷稳定，维持运行氧含量、二次风配风方式、周界风开度、磨通风量、燃烧器摆角、磨煤机组合等不变，研究SOFA风配风，对锅炉主要运行参数及性能的影响。试验中实测排烟温度、炉膛温度、氧含量、NOx和CO排放浓度、大气参数，采集原煤、飞灰、大渣，并记录相关DCS数据。

3)周界风开度优化调整试验时，保持机组负荷稳定，维持运行氧含量、SOFA配风，二次风配风方式、磨通风量、燃烧器摆角、磨煤机组合等不变，研究周界风开度对锅炉主要运行参数及性能的影响。试验中进行锅炉效率测试，实测排烟温度、炉膛温度、氧含量、NOx和CO排放浓度、大气参数，采集原煤、飞灰、大渣，并记录相关DCS数据。

4)燃烧器摆角优化调整试验时，保持机组负荷稳定，维持运行氧含量、二次风配风方式、SOFA风配风、磨通风量、周界风开度、磨煤机组合等不变，研究燃烧器摆角对锅炉主要运行参数及性能的影响。试验中进行锅炉效率测试，实测排烟温度、炉膛温度、氧含量、NOx和CO排放浓度、大气参数，采集原煤、飞灰、大渣，并记录相关DCS数据。

2 试验结果与讨论

2.1 过量空气系数对NOx排放和锅炉效率的影响

炉膛过量空气系数是影响燃烧过程中热力型NOx和燃料型NOx生成量的主要因素。燃料型NOx的生成机机理十分复杂，目前已知有超过250种反应形式，燃料型NOx的转化率与过量空气系数和温度成正比[7,10]。温度超过1 500 K后产生热力型NOx，空气中N2氧化转化为NOx，热力型NOx随着过量空气系数的增加而增加。为确定合适的运行氧含量，测试了不同运行氧含量下的机组效率和SCR入口A、B两侧的NOx浓度，如图2所示。

图2 运行氧含量对NOx排放和锅炉效率的影响Fig.2 Effect of operating oxygen contents on NOx emission and boiler efficiency

由图2可知，锅炉效率随试验运行氧含量的增加呈下降趋势，而NOx随试验运行氧含量的增加而增加。由于煤粉细度偏粗，氧含量变化时，飞灰含碳量变化不明显。因此确定试验的最佳运行氧含量为2.5%，此时锅炉效率为92.94%，A侧和B侧NOx质量浓度分别为310和314 mg/Nm3。

2.2 配风对NOx排放和锅炉效率的影响

配风是组织好炉内燃烧的关键，合理的配风是实现机组安全高效低排放运行的重要手段。配风降低NOx排放是基于分级燃烧的原理，通过控制不同高度不同类别风量大小，在相同负荷下，保证总的过量空气系数不变的前提下，减少下层主燃区氧含量，同时增加上部燃烧区的氧含量[8]。下部的缺氧气氛可减少燃料型NOx的生成，上部的富氧气氛可降低炉膛上部的温度，从而减少热力型NOx的生成。为寻找合理配风方案，在330 MW负荷工况和最佳运行氧含量时，分别进行了SOFA风开度、二次风配风和周界风开度调整试验。

2.2.1 SOFA风开度的影响

SOFA风率大小是通过燃尽风控制NOx生成浓度的关键[17]，在最佳运行氧含量2.5%时进行了3个SOFA风开度工况(SOFA I层开度99%、SOFA II层开度99%)：工况1(SOFA III层开度70%)、工况2(SOFA III层开度99%)、工况3(SOFA III层开度40%)，各工况下计算得到的锅炉效率、NOx变化如图3所示，计算结果见表3。

图3 SOFA风开度对NOx排放和锅炉效率的影响Fig.3 Effect of SOFA wind opening on NOx emission and boiler efficiency

由图3可知，锅炉效率随顶层SOFA风开度的减小呈先上升后下降趋势，NOx浓度呈增加趋势。说明运行氧含量不变时，SOFA风开度的增加会造成主燃烧器区域氧含量减少，煤粉燃烧变差，锅炉效率下降，但有利于降低NOx浓度。

由表3和图3可知，SOFA III层开度由99%变成40%时，飞灰含碳量和锅炉效率变化不大，但NOx质量浓度增加约20 mg/Nm3。SOFA III层开度为70%时，虽然NOx浓度较开度40%时降低了约40 mg/Nm3，但锅炉效率也降低约0.22%。综合锅炉效率和环保要求，最佳SOFA风开度为工况2。

2.2.2 二次风配风的影响

在最佳运行含氧量和SOFA风开度条件下进行3个二次风配风工况：工况1(倒塔配风，AA层80%、AB层35%、BC层42%、CD层45%、DE层50%)、工况2(均等配风，AA层90%、AB层45%、BC层45%、CD层45%、DE层45%)、工况3(正塔配风，AA层90%、AB层50%、BC层45%、CD层42%、DE层35%)。各工况下的锅炉效率、NOx变化如图4所示，计算结果见表4。

表3SOFA风开度调整试验工况及计算参数
Table3AdjustmenttestconditionsandcalculationparametersofSOFAwindopening

项目工况1工况2工况3排烟温度/℃141.80142.90142.90排烟温度(修正后)/℃135.73135.18135.01省煤器出口氧含量/%2.502.502.50炉渣含碳量/%3.530.912.16飞灰含碳量/%5.384.544.59干烟气热损失/%4.6014.5534.550干灰渣未燃尽碳热损失/%1.7631.4021.462燃料中水分热损失/%0.1420.1280.146氢燃烧生成水分热损失/%0.2790.2510.286空气中水分热损失/%0.0130.0160.017表面辐射及对流散热损失/%0.180.180.18未测量热损失/%0.300.300.30锅炉热效率/%92.72493.17193.060修正后干灰渣热损失/%1.1710.9310.971修正后干烟气热损失/%4.9634.9424.946修正后燃料中水分热损失/%0.1690.1810.168修正后氢燃烧生成的水分热损失/%0.2610.2800.259修正后空气中水分热损失/%0.0130.0200.017修正后锅炉热效率/%92.9493.1793.16

图4 二次风配风方式对NOx排放和锅炉效率的影响Fig.4 Effect of secondary air distribution mode on NOx emission and boiler efficiency

由图4和表4可知，倒塔配风时锅炉效率为93.53%，A、B侧NOx质量浓度分别为370 和375 mg/Nm3;均等配风时锅炉效率为93.70%，A、B侧NOx质量浓度分别为400和403 mg/Nm3;正塔配风时锅炉效率最高为93.74%，A、B侧NOx质量浓度分别为405和408 mg/Nm3。均等配风和正塔配风时的锅炉效率较倒塔配风时高约0.2%，NOx质量浓度提高约35 mg/Nm3，由于SCR喷氨量大且不均会造成空预器堵灰严重，应尽量降低NOx减少喷氨量，减缓空预器堵灰。此外，为了提高再热汽温，机组满负荷时，磨煤机的煤量采用倒塔配风，尽量维持再热汽温在540 ℃左右。而均等配风和正塔配风方式下，再热汽温均低于535 ℃，再热汽温降低对机组经济性不利。从锅炉效率、NOx综合考虑，最佳二次风配风方式为工况1(倒塔配风)，此时的锅炉效率为93.53%、A、B侧NOx质量浓度分别为370和375 mg/Nm3。

表4二次风配风优化工况及计算参数
Table4Optimizedworkingconditionsandcalculationparametersofsecondaryairdistribution

项目工况1工况2工况3排烟温度/℃129.20128.93129.10排烟温度(修正后)/℃124.34124.05124.76省煤器出口氧含量/%3.03.03.0炉渣含碳量/%4.041.640.64飞灰含碳量/%4.884.073.94干烟气热损失/%4.2824.3024.347干灰渣未燃尽碳热损失/%0.9960.7860.740燃料中水分热损失/%0.1720.1660.166氢燃烧生成水分热损失/%0.2460.2380.237空气中水分热损失/%0.0080.0090.008表面辐射及对流散热损失/%0.180.180.18未测量热损失/%0.300.300.30锅炉热效率/%93.81894.0294.023修正后干灰渣热损失/%1.054 0.8320.784修正后干烟气热损失/%4.549 4.571 4.606 修正后燃料中水分热损失/%0.149 0.161 0.154 修正后氢燃烧生成的水分热损失/%0.231 0.250 0.239 修正后空气中水分热损失/%0.007 0.009 0.009 修正后锅炉热效率/%93.5393.7093.74

2.2.3 周界风开度的影响

330 MW负荷工况下，在试验最佳运行氧含量、SOFA风开度和二次风配风方式条件下进行3个变周界风开度工况(13%、16%和20%)，周界风开度对NOx排放和锅炉效率的影响如图5所示，计算参数见表5。

由图5可知，随着周界风开度增加，锅炉效率和NOx浓度整体呈上升趋势。试验结果数据表明周界风开度变化7%，锅炉效率变化了1%左右。在周界风开度20%时，锅炉效率最高为93.20%，A、B侧NOx质量浓度分别为352和356 mg/Nm3，较其他开度下高约25 mg/Nm3，但也接近设计保证值(350 mg/Nm3)。综合考虑锅炉效率和NOx浓度，最佳周界风开度为20%，此时锅炉效率为93.20%，A、B侧NOx质量浓度分别为352和356 mg/Nm3。

图5 周界风开度对NOx排放和锅炉效率的影响Fig.5 Effect of surrounding air opening on NOxemission and boiler efficiency

项目工况1(13%)工况2(20%)工况3(16%)排烟温度/℃142.3139.15142.4排烟温度(修正后)/℃134.55 135.04134.58省煤器出口氧含量/%2.60 2.50 2.6炉渣含碳量/%0.88 2.64 2.04飞灰含碳量/%4.83 4.05 4.78干烟气热损失/%4.5534.6764.551干灰渣未燃尽碳热损失/%1.4931.3091.518燃料中水分热损失/%0.1390.134 0.145氢燃烧生成水分热损失/%0.2740.2640.285空气中水分热损失/%0.015 0.0110.017表面辐射及对流散热损失/%0.18 0.18 0.18未测量热损失/%0.300.300.30锅炉热效率/%92.048 93.12793.005修正后干灰渣热损失/%0.992 0.8691.008修正后干烟气热损失/%4.951 5.000 4.951修正后燃料中水分热损失/%0.163 0.172 0.163修正后氢燃烧生成的水分热损失/%0.252 0.266 0.252修正后空气中水分热损失/%0.015 0.012 0.017修正后锅炉热效率/%92.15 93.20 93.13

2.3 燃烧器摆角对NOx排放和锅炉效率的影响

燃烧器摆角是影响炉内温度场分布的主要参数[16]，设置合理的燃烧器摆角是为了控制锅炉再热器出口汽温。但实际运行中，燃烧器摆角设置不当造成的机组汽温、汽压异常也时有发生，通过合理优化调整方案，控制燃烧器摆角从而改变火焰中心高度，进而直接影响主汽的温度和压力，同时影响锅炉的送煤量和风量。330 MW负荷工况下，最佳运行氧含量、最佳SOFA风开度、二次风配风方式和最佳周界风开度条件下进行了3个变燃烧器摆角工况(33%、37%和40%)，摆角越大，表明摆角越低，45%表示水平。试验中将摆角放在50%时，再热汽温降至525 ℃，低温过热器出口温度由420 ℃降至412 ℃，该工况再热汽温下降较多，且长期运行对机组不利，试验无法进行。各工况下的锅炉效率、NOx浓度变化如图6所示。

图6 燃烧器摆角对NOx排放和锅炉效率的影响Fig.6 Effect of burner swing angle on NOx emission and boiler efficiency

由图6可知，锅炉效率随燃烧器摆角的增加呈先上升后下降趋势，NOx浓度呈下降趋势，燃烧器摆角37%时，锅炉效率最高为93.20%，A、B侧NOx质量浓度分别为352和356 mg/Nm3，较摆角40%下高约25 mg/Nm3，但锅炉效率高约0.2%。综合考虑锅炉效率、NOx浓度，确定试验最佳燃烧器摆角为37%，此时锅炉效率为93.20%，A侧和B侧NOx质量浓度分别为352和356 mg/Nm3。

3 结 论

1)通过优化调整炉内的过量空气系数可降低SCR进口NOx浓度，并保证较高的锅炉效率。

2)依据分级燃烧原理降低NOx浓度的3种二次风配风方案试验中，倒塔配风的NOx排放浓度比正塔配风和均等配风分别低约9.1%和7.8%，其浓度在倒塔配风时最低，正塔配风时最高。

3)SOFA风开度可有效控制煤粉的燃尽和火焰中心位置，并延长煤粉在炉内还原区的停留时间，降低NOx浓度。随着顶层周界风开度的逐渐增大，锅炉效率先减小后增加，NOx排放浓度呈逐渐增大的趋势。周界风开度变化7%，锅炉效率变化了1%左右。

4)燃烧器摆角可有效控制炉膛内火焰中心点，从而控制炉内的温度场和出口烟温，显著影响锅炉效率和NOx排放浓度，试验发现随燃烧器摆角的增加，锅炉效率先呈上升后下降趋势，NOx排放浓度呈下降趋势。