沁北电厂#5锅炉NO x生成分析与建议

史小毅，程世军，王 杨，张 伟，王 越

（华能沁北发电有限责任公司，河南 济源 454662）

在能源结构变化的大环境下，火力发电厂当下掺烧煤泥的比例逐日增加，煤种变化复杂，同时机组调峰频次增加，导致锅炉燃烧工况变化频繁，劣质煤种比例的增加加剧了脱硝反应器的腐蚀，脱硝逻辑不合理过调常常导致喷氨量过大，导致能源浪费以及空预器堵塞，影响机组安全经济运行。因此，分析各种因素对脱硝反应的影响非常有意义。

1 沁北电厂三期燃烧设备概况[1]

沁北电厂三期#5机组为1 000 MW超超临界机组，配套锅炉为东方锅炉厂制造的超超临界本生滑压运行直流锅炉，锅炉型号DG3110/26.15-2型，单炉膛，平衡通风，尾部双烟道结构。锅炉设计煤种为晋城煤业集团赵庄煤矿煤，校核煤种为潞安矿业集团屯留煤矿煤。

磨煤机采用沈阳重型机械厂生产的MPS290辊盘式中速磨煤机，燃烧器为东方锅炉厂引进技术生产的旋流喷燃器，采用前后墙各3层，前、后墙对冲布置，其中A（后下）层燃烧器具有少油点火功能。燃烧系统设计采用分级燃烧和浓淡燃烧等技术，可有效减少NOx排放量并降低锅炉最低稳燃负荷。

2 NO x生成机理[2]

燃煤锅炉的NOx类型主要有3种，即燃料型、热力型、快速型，其生成机理如下。

2.1 燃料型NO x

燃料型NOx即燃料中的含氮物质氧化生成NOx，生成过程分3步：含氮挥发分析出、挥发分燃烧、焦炭中含氮物质燃烧。

含氮挥发分的燃烧与温度关系密切，而后期焦炭含氮物质在还原性气氛中会还原一部分挥发分NOx。燃料型NOx生成机理如图1所示。

图1 燃料型NO x生成机理

从图1可看出，燃料型NOx的生成和还原不仅与煤种的特性、煤中氮化合物存在的状态、煤中的氮热分解时在挥发分和焦碳中分配的比例及各自的成分有关，还与氧的质量浓度、燃烧温度相关。正常情况下燃料型占比为70%左右。

2.2 热力型NO x

空气中N2在高温烟气中与氧气发生反应生成热力型NOx，其生成量与温度密切相关，在1 400℃以下，热力型NOx生成量很少，但随着温度的上升，热力型NOx生成量迅速增加。

2.3 快速型NO x

燃烧过程中生成的CH原子团撞击N2分子，生成HCN类化合物再氧化，由于这个反应过程速度较快，因此称为快速型NOx。其反应化学式如下：

温度对快速型NOx的生成影响很小，与热力型和燃料型NOx的生成量相比，快速型NOx的生成量要少得多。

3 NO x生成影响因素

3.1 炉膛温度

NOx生成量随温度变化关系如图2所示。随着炉膛温度的变化，在不同温度区间下，NOx的生成总量中热力型NOx与燃料型NOx的比例在1 400℃后发生明显变化，1 400℃以上热力型NOx的生成量快速增加。

图2 NO x生成量随温度变化关系

3.2 燃烧区域氧量

调节主燃烧区域的风煤比例，对减少燃料型NOx的生成有很大帮助，送风量与煤量直接相关，控制投入制粉区域燃烧器的二次风量，可显著减少燃料型NOx生成量。

送风量增加时，NOx生成量会增加。锅炉是平衡通风，送风量增大时烟气流速必然加快，此时烟气与脱硝反应器的反应时间必然变短，导致脱硝效率变低；同时在相同的配风方式情况下，增加氧量，主燃烧区域的还原性气氛必然降低，导致NOx生成量增加。

3.3 煤质

挥发分较高时，会较快得消耗燃烧区域的氧气，有利于形成还原性气氛，减少NOx的生成量。随着煤泥掺烧比例的增大，燃烧区域的可燃物比例降低，必然导致燃烧区域的风煤比增加，此时，将增加NOx的生成量。

4 关于脱硝控制优化的改进

4.1 根据实际煤量及时调节运行燃烧器二次风开度

目前沁北电厂#5机组5台制粉系统及6台制粉系统运行时二次风开度在70%。根据煤量对二次风进行调节，研究中发现，在维持其他参数不变的情况下，尝试在同工况下进行二次风调整试验，分别将下层二次风开至100%、中层二次风开至100%、上层二次风开大100%，进行数据对比实验，验证不同二次风开度对脱销反应器入口NOx生成量变化的影响。

前后墙对冲燃烧950 MW负荷6台制粉系统运行实验数据如表1所示。

表1前后墙对冲燃烧950MW负荷6台制粉系统运行实验数据

表1（续）

该工况下，单独开大任意运行制粉系统二次风挡板会增大燃烧区风煤比，减弱主燃烧区的还原氛围，会提高NOx生成量，但是影响幅度不大（影响幅度受燃尽风和停运二次风开度占比影响），实验数据变化仅100 mg/m3左右。

实际运行中可以根据燃烧情况调节运行层二次风，但配风量过少时，会导致CO的含量极剧增加，此时煤炭的灰熔点将明显降低，从而加大炉膛结焦的可能性，此时由于烛燃烧区域的供氧量少，会导致锅炉效率下降，燃烧长度变长，容易导致炉膛正上方的屏超温，目前#5炉屏过蒸汽温度超温频繁，#5炉水冷壁区域结焦情况严重。

4.2 制粉系统晚启早停且大煤量运行

从调节主燃烧区域风煤比的角度出发，以沁北电厂#5机组常见的减负荷工况为例：减负荷过程中，随着制粉系统平均煤量不断减少，NOx生成量逐渐增加，说明在不改变制粉系统运行方式、数量相同、配风方式不变的情况下，燃烧层煤量越多，NOx生成量越少；3台制粉系统运行时，NOx生成量快速减少，这是由于制粉系统的运行方式改变，同时制粉系统平均煤量变化；机组调峰期间，煤量减少，氧量增加，同时低负荷期间由于机组屏过蒸汽温度偏差，关小锅炉后墙停运层二次风以及A侧燃尽风挡板，NOx生成量反而快速增加。

关小燃尽风及停运的上层二次风挡板，脱硝反应器入口NOx增加明显，原因是燃尽风对于高温烟气来说是冷风，大量投入燃尽风可在炉膛沿高度方向大部分范围内降低炉膛温度，温度高于1 400℃的区域为热力型NOx生成的主要区域，燃烬风挡板开大可降低沿烟气流场方向上的区域温度，有利于减少热力型NOx的生成量，但是炉膛的风量是一定的，燃尽风挡板开度开度过大，导致火焰下部燃烧不充分，温度降低，锅炉效率必然下降。

4.3 加强燃烧器的检修维护工作

沁北电厂#5机组上层燃烧器磨损较为严重，上层燃烧器的位置较高，在新能源快速发展的今天，火力发电厂调峰频繁，日平均负荷逐渐下降，因此上层制粉系统启动的时间越来越短，根据炉膛的正常温度分布，上层燃烧器所处环境烟气温度远高于中下层，因此损坏的概率较大，建议在检修期间针对性地修复烧损严重的燃烧器，增加停运制粉系统的冷却风量，控制NOx质量浓度。

4.4 加强对煤泥制粉系统的调节

目前火电厂因为运行成本问题导致煤泥掺烧比例增大，而煤泥中可燃物燃烧难度较大，因此在煤泥层燃烧器中大量投入二次风，必然会导致该层风煤比燃烧过大，导致NOx生成量增加，因此运行中可增加煤泥制粉系统的二次随煤量，但可比非煤泥制粉系统适当少一些，以减少NOx生成。

4.5 加强脱硝反应器的设备维护及检修工作

在正常的锅炉运行工况中，催化剂的反应效果受多方面因素影响。根据现场试验等调节各个分区的喷氨气调门或者手门开度，保证反应器上无大部分反应死区，从而防止氨逃逸。

沁北电厂使用了最新的INFIT控制系统，保证环保参数不超标，逻辑控制中存在一定过调情况，应当优化INFIT系统的相关逻辑，保证喷氨自动控制，防止人为手动大幅度调整。INFIT投入烟囱模式自动控制情况下，烟囱入口NOx质量浓度达到45 mg/m3以上时，调门会陡然开大，虽能保证环保指标，但会导致喷氨量突增，为防止喷氨调门出现这样的波动，一般会人为将NOx设定值控制在43 mg/m3以下，这样无形减弱了机组自动调节潜力，应将NOx质量浓度达到45 mg/m3喷氨调门突开改为NOx质量浓度达到55 mg/m3时喷氨调门突开，或者修改上述逻辑中调门开启速率，防止喷氨量大幅度变化，减少过量氨气喷入。

净烟气分析仪的价格昂贵，但随着运行时间增加，分析仪类似零飘等问题频繁发生，系统测点失准会导致脱销系统过量喷氨，因此应加强脱销参数分析仪的维护保养工作，运行人员应加强对脱销氨逃逸量的监视，同时对比两侧反应器出口NOx质量浓度与烟囱入口NOx质量浓度含量，发现脱销系统参数异常及时处理，保证机组喷氨量正常。

5 结语

从运行调整方面控制NOx生成量，加大设备维护力度保证脱硝系统可靠运行同样重要。NOx控制必须兼顾燃烧稳定性，锅炉稳燃是机组运行的基石，排除设备因素，大部分降低NOx的控制方式往往与加强稳燃的控制方式存在矛盾点，运行过程中应加强分析总结，力争找到最佳的平衡点以实现双赢。