探究通过燃烧调整降低NOx及飞灰含碳量的方法

袁尧

（福能（贵州）发电有限公司 贵州六盘水 553400）

1 概述

福能（贵州）发电有限公司为2×660 MW 超临界汽轮发电机组，锅炉为超临界参数、“W”型火焰燃烧、变压运行直流锅炉［1］。制粉系统采用双进双出钢球磨煤机正压冷一次风直吹式制粉系统。煤粉细度按R90=8%、均匀性指数n＝1.0 设计［2］。

锅炉为“W”型火焰燃烧方式，采用分级送风的二次风箱，风箱划分为24 个独立的配风单元，每个配风单元由上部风箱和下部风箱两部分组成。上部风箱负责拱上配风，由A、B、C 挡板控制；下部风箱负责拱下配风，分为两层，由D、F 挡板控制。为实现锅炉的低NOx 排放，前、后墙水冷壁还布置有26 个燃尽风调风器，前、后墙各13 个［3］。

由于煤炭市场变化，入炉煤煤质发生较大变化，原性能优化调整方案已不能满足当前煤质的要求。为此，通过对#2 锅炉进行性能优化调整试验，掌握“W”型锅炉的运行特性，为进一步提高锅炉运行的安全性及经济性，以及为#1、#2 锅炉的日常运行操作调整提供数据支撑。

2 现状

现煤质情况较原性能优化实验使用煤质发生较大变化，主要原因为减少入炉煤烟煤掺配。干燥无灰基挥发分由17.18%下降至11.53%；收到基灰分基本持平，为39.26%；低位发热量基本持平，为16 705 kJ/kg。

在机组600 MW 负荷试验工况下：总煤量295 t/h＞278 t/h（设计值）；运行氧量（省煤器出口）3.0%＜3.5%（设计值）；飞灰含碳量5.38%＞3.50%（设计值）；NOx 生成浓度922 mg/Nm3＞650 mg/Nm3（设计值）；NOx 排放浓度175 mg/Nm3；煤粉细度（R90）7.8%＜8.0%。煤粉细度虽满足设计要求，但参考《电站磨煤机及制粉系统选型导则》［2］，煤粉细度R90 应小于0.5 倍挥发分，按当前煤质需满足R90≤5.85%，煤粉细度不满足要求。

3 问题提出及分析

（1）飞灰含碳量高，机械不完全燃烧热损失达3.87%，超设计值1.37 个百分点。主要原因为：①煤粉细度不满足要求，燃尽困难；②煤粉下冲深度不足，未进入下炉膛，火焰中心上移，燃烧行程短；③煤粉着火困难，煤粉燃烧过程推迟。

（2）NOx 生成浓度高，超出SCR 设计脱除量，限制机组带负荷能力，同时伴随氨逃逸高，影响空预器运行安全。主要原因为：①拱下卫燃带区域富氧燃烧；②燃烧过程推迟或火焰中心上移，燃尽区温度高，未达到燃烧后期补充氧量降低NOx 生成量的目的。

4 燃烧影响因素及调整优化

4.1 煤粉细度

改善煤粉细度，着重调整磨煤机钢球装载量及钢球级配。煤粉细度R200=0.19%，超出设计要求R200＜0.10%，判断为磨煤机破碎出力不足。尝试添加Ф70 mm 中铬钢球，提高磨煤机破碎出力；同时增加部分Ф30 mm 中铬钢球，增加研磨出力。#2 锅炉本轮优化增加钢球装载量55 t，其中Ф70 mm 钢球17 t，Ф50 mm 钢球17 t，Ф30 mm 钢球21 t（根据B 修钢球筛选结果，Ф40 mm 钢球比例达50%，本轮未添加）。

在优化磨煤机钢球装载量的同时，试验磨煤机料位对煤粉细度的影响。在C、D 磨煤机出力保持50 t/h～55 t/h、控制料位分别为400 Pa、600 Pa、800 Pa 时，煤粉细度（R90）分别为6.70%、4.70%、6.95%。运行中保持磨煤机料位600 Pa，煤粉细度为佳。

对D 磨煤机分离器一、二级折向挡板进行试验，设计9 种挡板开度组合（一级-二级开度）：（60°-30°、60°-20°、60°-10°、45°-30°、45°-20°、45°-10°、30°-30°、30°-20°、30°-10°）。试验结果显示，随着分离器一、二级挡板开度的减小，煤粉细度R90、R200 均先减小后增加，最优组合为一级折向挡板45°、二级折向挡板20°。分析原因为随折向挡板开度减小，折向挡板前后差压上升，部分煤粉气流在折向挡板后边缘脱落，不能有效增加周向速度，分离性能下降。

通过制粉系统优化，煤粉细度得到改善，煤粉细度满足R200＜0.10%、R90＜6.00%、均匀性指数≥1.1；同时磨煤机相同出力（50 t/h～55 t/h）情况下，一次风粉管风速下降，由改善前27 m/s，下降至23 m/s，煤粉浓度上升，利于煤粉炉内着火。

4.2 过量空气系数

过量空气系数增加，飞灰含碳量下降，排烟损失增加，NOx生成浓度增加。为体现经济性，飞灰含碳量折算为机械不完全热损失，以两项总损失作为优选标准。

在负荷600 MW、省煤器出口氧量分别为3.36%、2.80%、2.62%时，两项总损失分别为：8.88%、10.09%、10.24%。试验表明，随过量空气系数上升，两项总损失下降。但随过量空气系数上升，NOx 生成浓度上升明显，超出SCR 设计上限800 mg/Nm3，氨氮摩尔比达1.04，大于设计值0.866，氨逃逸超标，存在堵塞空预器风险。通过提高过量空气降低飞灰含碳量的前提，必须控制NOx 生成浓度。运行中NOx 生成浓度未超标（NOx 生成浓度＜750 mg/Nm3），按省煤器出口氧量3.5%～4.0%进行控制。

4.3 一次风旋流强度

降低一次风旋流强度，增加一次风刚性，增加煤粉进入下炉膛深度，火焰中心下降，燃烧行程增加，对减低飞灰含碳及NOx 生成浓度均有利，但可能影响一次风卷吸高温烟气能力，不利于煤粉着火。试验变量为消旋杆插入深度，全部提起为0，全部插入为100%。

在负荷600 MW、插入深度分别为100%、80%、60%、40%时，飞灰含碳量分别为4.10%、4.50%、4.70%、5.20%，NOx 生成浓度分别为725 mg/Nm3、776 mg/Nm3、845 mg/Nm3、881 mg/Nm3。

试验表明，随一次风刚性增强，火焰中心下移，燃烧行程增加，利于降低飞灰含碳量及NOx 生成浓度，消旋杆全部插入为宜。

4.4 乏气风开度

根据理论分析，乏气风开大，煤粉浓度增加，着火提前，利于降低飞灰含碳损失及NOx 生成浓度；但煤粉刚性减弱，燃烧行程缩短。

在负荷600 MW、乏气风挡板开度分别为0、20%、35%、50%时，飞灰含碳量分别为3.88%、4.29%、4.38%、4.45%，NOx 生成浓度分别为752 mg/Nm3、832 mg/Nm3、850 mg/Nm3、914 mg/Nm3。

试验数据表明，乏气风开度增加，飞灰含碳量及NOx 生成浓度均上升。分析主要原因为：随主燃烧器煤粉浓度增加，但乏气风与主燃烧器距离过近，分离后再次混合，不能达到增加煤粉浓度的目的，造成一次风刚性明显下降。运行中，保持乏气风全关为宜。

4.5 D 挡板开度

D 挡板风量较小，与拱部离开适当距离布置，避免二次风与煤粉气流过早混和。D 挡板风量增加，燃烧初期氧量增加，燃烧处于氧化性环境，NOx 生成浓度增加，飞灰含碳量降低。

在负荷600 MW、D 挡板开度分别为10%、20%、40%、60%时，飞灰含碳量分别为4.30%、4.40%、4.60%、4.60%，NOx 生成浓度分别为776 mg/Nm3、811 mg/Nm3、890 mg/Nm3、945 mg/Nm3。

试验数据表明，D 挡板开度增加，NOx 生成浓度快速增加，飞灰含碳量小幅上升。分析飞灰含碳量上升的主要原因为：在消旋杆全部插入下情况下，一次风刚性增加，使得一次风与D风靠近，D 风开大影响一次风下冲深度，有抬升火焰中心的作用，燃烧行程缩短。而NOx 快速上升的原因为：一次风下行深度增加，D 风混入过早，未形成分级燃烧，同时抬升火焰中心，燃尽区温度升高。运行中保留最小冷却风量10%为宜。

4.6 C 挡板开度

C 风作为油枪助燃风，考虑C 风与一次风平行。增加C风，利于提高一次风刚性，降低火焰中心，但燃烧初期氧量增加，NOx 生成浓度增加。

在负荷550 MW、C 风挡板开度分别为10%、20%、30%、40%、50%，调节F 风，维持二次风箱压力稳定时，飞灰含碳量分别为3.28%、4.43%、5.13%、5.30%、4.30%，NOx 生成浓度分别为781 mg/Nm3、811 mg/Nm3、832 mg/Nm3、856 mg/Nm3、848 mg/Nm3。

试验数据表明，C 风增加，NOx 生成浓度增加，但飞灰量先增加后略降。分析原因为，增加C 风的同时，为维持二次风箱差压，减少F 风量，F 风风口装设下倾30°导流板，引导一次风下冲，F 风量减少，向下引流效果下降。而C 风风速小于一次风风速，不能增加一次风刚性，造成火焰中心上移，C 风开度大于50%后，C 风风速增加，增加一次风刚性。运行中保留最小冷却风量10%为宜。

4.7 燃尽风占比

通过调整燃尽风门开度，调整拱上拱下风占比，从而达到分级燃烧的目的。但F 风减少，拱下缺氧燃烧，煤粉燃尽困难，同时向下引流作用减弱，燃烧行程缩短，进一步引起飞灰含碳量增加。

在负荷500 MW、燃尽风占比分别为5%、10%、15%、20%时，飞灰含碳量分别为3.53%、3.82%、4.40%、4.70%，NOx 生成浓度分别为889 mg/Nm3、811 mg/Nm3、765 mg/Nm3、713 mg/Nm3。

试验数据表明，燃尽风占比上升，NOx 生成浓度下降，飞灰含碳量上升，与理论分析一致。运行中，在满足脱硝系统运行的情况下（NOx 生成浓度＜750 mg/Nm3），减少燃尽风占比，降低飞灰含碳量。但燃尽风占比不高于20%，避免拱下严重缺氧，引起炉膛严重结焦，影响机组安全运行。

5 结论

本次燃烧优化调整，主要解决高负荷飞灰含碳量及NOx生成浓度均高的问题。通过相关实验，总结出一系列燃烧调整经验：经燃烧调整优化后，机组600 MW 工况下，飞灰含碳量由5.38%下降至3.40%；机械不完全损失由3.82%下降至2.73%；NOx 生成浓度由922 mg/Nm3下降至721 mg/Nm3。折算降低发电煤耗3.2g/kWh，按全年发电量66 亿kWh 计算，全年可节约燃煤消耗2.1 万t 标煤，减少尿素消耗1 415 t/a。