330MW鍋爐氮氧化物排放濃度偏高優化調整

王敦敦，陳一平，李明

(1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.國電庫車發電有限公司，新疆庫車842000)

330MW鍋爐氮氧化物排放濃度偏高優化調整

王敦敦1，陳一平1，李明2

(1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.國電庫車發電有限公司，新疆庫車842000)

針對某電廠330 MW對沖燃燒鍋爐投產后爐膛出口氮氧化物濃度偏高的問題，對現場試驗數據與設計值進行對比分析，結果表明：蒸汽溫度偏低導致的燃盡風無法投入，一次風率偏高，主燃燒區域富氧燃燒是導致爐膛出口氮氧化物濃度偏高的主要原因。通過采取提高火焰中心，改善蒸汽參數，調整燃盡風等一系列措施，爐膛出口氮氧化物排放濃度得到降低。

鍋爐；蒸汽參數；氮氧化物；優化調整

隨著新環保標準的實行，火電機組加強了氮氧化物排放濃度的控制〔1〕。某電廠330 MW對沖燃燒鍋爐投產后，在300MW負荷下，當投入燃盡風時，主蒸汽溫度大幅下降，最低降低至500℃，影響機組運行安全。在不投入燃盡風時，爐膛氮氧化物濃度為600 mg/Nm3左右，超過設計值 (350 mg/Nm3)，無法滿足環保要求。目前對于類似的問題，可供借鑒的調整經驗較少。為了滿足鍋爐的經濟運行和環保要求，為后續的改造提供依據，特進行燃燒優化調整試驗。

1 設備概述

1.1 鍋爐設計性能參數

某電廠2×330MW機組鍋爐為北京巴布科克·威爾科克斯有限公司生產的B＆WB－1192/17.5－M型亞臨界自然循環汽包爐，前后墻對沖燃燒。燃燒器為DRB-4Z超低NOx型雙調風旋流煤粉燃燒器，爐膛上部布置了燃盡風噴口 (OFA)。配套了5臺ZGM95N-Ⅱ型中速磨煤機，ADC磨煤機出口煤粉進入前墻的下中上層燃燒器，BE磨煤機出口煤粉進入后墻下中層燃燒器。爐膛斷面尺寸為15 600mm ×13 500mm，汽包中心線標高62 650mm。鍋爐主要設計參數見表1。

1.2 設計及實際燃用煤種

鍋爐設計煤種為高揮發分、中高灰分、常水分的煙煤，具有易燃盡、易著火、高結渣性等特性，與設計煤種相比，實際燃用煤種發熱量高，揮發分高，灰熔點高，見表2。

2 氮氧化物濃度偏高原因分析

2.1 高負荷下蒸汽溫度低，燃盡風難以投入

鍋爐實際運行中發現，在高負荷時 (250 MW以上)，過熱器一、二級減溫水流量為0，當主蒸汽壓力高于14MPa時，主、再熱蒸汽溫度大幅波動，最低降至500℃，為保證蒸汽溫度達到設計值(541℃)，只能采用降壓運行。由于燃盡風(OFA)設計在最上層燃燒器以上約4.5m處，當燃盡風投入后，會對爐膛火焰產生 “壓火”作用，降低火焰中心，降低主、再熱汽溫，不利于機組的安全經濟運行。有研究表明，燃盡風的合理配置，能夠降低20%～40%的氮氧化物排放〔2〕。

在300MW負荷下，通過對比尾部煙道煙氣溫度DCS值與設計值 (見表3)可知:低溫過熱器和低溫再熱器入口煙氣溫度比設計值低約150℃，低溫過熱器、低溫再熱器和省煤器出口煙氣溫度比設計值低約40℃。通過實際測量發現，屏式過熱器底部平均煙氣溫度約為905℃，比鍋爐廠熱力計算對應值低近100℃。綜合以上分析可知，爐膛出口煙溫低，是導致過、再熱器吸熱不足，蒸汽溫度無法達到設計值的直接原因。

從表2中可以看出，實際燃用煤質發熱量和揮發分偏高，在相同負荷下，會導致鍋爐燃煤量少，燃燒過程中產生的煙氣量少，過熱器和再熱器吸熱變少，蒸汽溫度難以提升。同時，由于設計煤種Na2O含量較高 (2.3%～2.7%)，根據結渣判別標準，大于2.5%時屬于嚴重結渣傾向煤種，對鍋爐玷污影響特別顯著〔3〕。根據灰軟化溫度ST進行分析，設計煤種同樣屬于嚴重結渣特性煤種〔4〕。因此在鍋爐設計中，考慮結渣影響，有意增加了水冷壁吸熱面積。而實際燃用煤質 Na2O含量小于0.4%，屬于低結渣特性煤，于是造成實際燃用煤質下水冷壁面積偏大，吸熱量過多，從而使爐膛出口煙氣溫度偏低。

2.2 一次風率較設計值偏高

該鍋爐一次粉管內徑為530 mm，比同類型鍋爐一次粉管大15%左右。實際運行過程中為了防止煤粉堵塞，一次風速要控制在18m/s以上，實際一次風量會遠遠超過設計值。表4為典型負荷下一次風量與二次風風量之比，隨著負荷的升高，該比值逐漸減小，但最低仍然達到0.57，遠遠高于設計值 (0.19～0.2)。煤燃燒過程中產生的NOx可分為燃料型、熱力型和快速型，其中燃料型NOx占總量的 75%以上〔5〕。NOx主要在燃燒初期產生〔6〕，一次風風率越高，燃燒器出口氧濃度越高，燃料型NOx生成越多。因此，過高的一次風風率對降低NOx排放十分不利。從圖1看出，負荷增加時，給煤量增加，一次風噴口煤粉濃度增加，形成缺氧燃燒環境，NOx生成濃度呈下降趨勢。

2.3 燃燒器設計調整手段有限

該鍋爐燃燒器為旋流燃燒器，環繞在一次風外圍的是過渡風，過渡風設計用來阻隔煤粉和二次風，推遲混合。過渡風外圍是內二次風和外二次風，但是內外二次風的比例無法調節。實際運行發現，由于一次風率偏高，煤粉在噴口已經形成了富氧環境，煤粉的著火點距離一次風噴口依然很近。因此通過調節過渡風開度和內二次風的旋流強度對推遲煤粉燃燒、降低氮氧化物生成效果有限。

3 優化運行調整措施及效果

3.1 蒸汽參數調整

3.1.1 提高爐膛火焰中心

該鍋爐前墻上中下3層布置CDA磨煤機，后墻上下2層布置EB磨煤機，等離子點火器布置在下層A燃燒器內，設計滿負荷工況下C層燃燒器備用，平時運行過程中一般投入ABDE磨煤機運行。針對該鍋爐存在的爐膛出口溫度低問題，采取提高爐膛火焰中心的運行調整措施:

1)變備用C磨煤機為常用磨煤機，把下層A或B磨煤機作為備用，即高負荷下投運BCDE或ACDE磨煤機。由于鍋爐燃用煤質為高揮發分煙煤，著火穩定性能得到充分保證，當A磨煤機備用時，即使出現異常情況仍然可以投入每個燃燒器的油槍穩定燃燒。

2)減小下層磨煤機給煤量而增加中上層磨煤機的給煤量，同時通過磨煤機總風量和冷卻風量的調整確保不發生一次粉管堵塞和溫度高而燒管。在300MW負荷下，C磨煤機給煤量最高達到38 t/h，而A或B磨煤機給煤量只有23 t/h，此時一次風管最低風速在20m/s左右，磨煤機出口風粉混合溫度為70～80℃。

3)調整旋流燃燒器內外二次風旋流強度。通過減少內二次風旋流強度，提高剛性，可以推遲二次風與煤粉的混合，可以提高火焰中心高度。實際調整過程中，內二次風旋流強度拉桿關至最小刻度，基本無旋流。

3.1.2 提高氧量

適當提高鍋爐運行氧量，增加煙氣流量。在高負荷下，爐膛出口氧量在4.5%左右運行，煙氣流量增加后，過、再熱器吸熱增加，蒸汽溫度得到提高。

3.2 低氮燃燒調整

3.2.1 垂直分級燃燒

采取以上提高爐膛火焰中心技術措施后，爐膛出口溫度明顯提高，并且需要投入過熱器減溫水進行汽溫控制，為開啟燃盡風 (OFA)創造了條件。在300MW負荷下，燃盡風門開度可以達到80%，實現了垂直方向深度分級燃燒，降低了氮氧化物生成，試驗結果參見圖1。

3.2.2 提高煤粉濃度

在一次風管不堵塞前提下，盡量增加中、上層給煤量，提高一次風煤粉濃度，控制氮氧化物的生成。

3.2.3 推遲風粉混合

減小旋流燃燒器內二次風旋流強度，推遲內二次風與煤粉的混合對降低氮氧化物生成有利。

3.3 調整結果

通過以上調整后，各負荷段穩定工況下主要蒸汽參數見表5，NOx濃度變化參見圖1。在250～300MW負荷下，蒸汽參數基本達到設計要求，蒸汽溫度和壓力穩定，主、再蒸汽溫度達到540℃左右。在300MW負荷下，主蒸汽壓力為16.8 MPa，過熱器仍然有10 t/h左右減溫水調節余量。燃盡風

全關時，爐膛出口NOx濃度為550mg/Nm3，燃盡風開啟后，NOx濃度逐漸降低，當燃盡風開度為50%時，NOx濃度達到最低值464 mg/Nm3，主再熱蒸汽溫度降低到530～536℃，主蒸汽壓力為16.6MPa。當燃盡風開度達到80%及以上時，NOx濃度和主再熱蒸汽參數變化不明顯。

在300～330 MW負荷段時，受制于一次風機出力和一次風管最低風速限制，中上層磨煤機出力不能繼續增加，當主蒸汽壓力高于15MPa時，主、再熱蒸汽溫度不能達到設計值，而且出現較大波動現象，為維持汽溫，只能降壓運行，調節過熱汽溫的減溫水流量為0。燃盡風門開度從10%開大至50%的過程中，NOx濃度從574mg/Nm3降低至533 mg/Nm3，當燃盡風門開度進一步開大時，主再熱蒸汽溫度降低明顯。在小于250 MW負荷、4臺磨運行方式下，受制于下層磨煤機的最低出力，中上層磨煤機出力增加受限，爐膛出口煙溫難以提高。因此，在180MW低負荷時，采用滑壓運行方式，以維持主、再熱蒸汽溫度基本達到設計值。此時，燃盡風門從 10%開至 50%，NOx濃度從671mg/Nm3降低至660mg/Nm3。

4 結論

1)根據現有的試驗數據分析，鍋爐實際燃用煤種偏離設計煤種，是導致主、再熱蒸汽溫度偏低的主要原因；爐膛蒸發受熱面吸熱量偏多，導致爐膛出口煙氣溫度偏低，加劇了主、再熱蒸汽溫度的偏低。為了保證機組的穩定運行，燃盡風無法投入，是導致鍋爐氮氧化物濃度偏高的主要原因。

2)一次粉管內徑偏大，為了維持一次風速，實際運行中一次風率遠大于設計值，燃燒器出口形成富氧燃燒環境，導致鍋爐氮氧化物濃度偏高。

3)燃燒器設計調節手段有限，內外二次風比例無法調整，僅通過過渡風和內二次風旋流強度來達到降低氮氧化物濃度的作用有限。

4)通過采取調整磨煤機運行方式，投入中上層磨煤機運行，增加中上層磨煤機給煤量，調整旋流燃燒器內二次風旋流強度，適當提高鍋爐運行氧量等一系列措施，使鍋爐蒸汽壓力和溫度不匹配和主、再熱蒸汽溫度低等問題大幅度改善，鍋爐在300MW負荷下主、再熱蒸汽參數能達到設計值。

建議開展設計煤種下的性能試驗，根據試驗結果進行鍋爐受熱面和一次風管的核算和改造，徹底解決鍋爐蒸汽參數不匹配、汽溫偏低等問題，并使爐膛出口NOx濃度達到設計值。

〔1〕GB13223—2011火電廠大氣污染物排放標準 〔S〕.北京:中國標準出版社，2011.

〔2〕張曉輝，孫銳，孫紹增，等.燃盡風與水平濃淡燃燒聯用對NOx生成的影響 〔J〕.中國電機工程學報，2007，27(29): 56-61.

〔3〕岑可法.鍋爐和熱交換器的積灰，結渣，磨損和腐蝕的防止原理與計算〔M〕.北京:科學出版社，1994.

〔4〕李永興，陳春元.動力用煤結渣特性綜合判別指數的研究〔J〕.熱力發電，1994(3):36-39.

〔5〕PERSHING DW，WENDT JOL.Pulverized coal combustion:The influence of flame temperature and coal composition on thermal and fuel NOx；proceedings of the Symposium (International) on Combustion，F，1977〔C〕.Elsevier.

〔6〕孫保民，王頂輝，段二朋，等.空氣分級燃燒下 NOx生成特性的研究〔J〕.動力工程學報，2013，33(4):261-266.

Optim izing adjustment for high concentration of nitrogen oxide em issions of 330MW boilers

WANG Dun-dun1，CHEN Yi-ping1，LIMing2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Guodian Kuche Power Generation CO.，LTD.Kuche 842000，China)

The hedge fired boilers in a certain 330 MW power plant appeared to high concentration of nitrogen oxides after commissioning.Through the analysis of the test data and design values，the results show that the OFA(over fire air)cannotbe put into，and low steam temperature，high primary air ratio and oxygen-enriched combustion in primary combustion zone is the main cause of the high concentration of nitrogen oxides on furnace outlet.By taking a seriesmeasurementof increasing the flame center，improving steam parameters and adjusting the OFA，furnace outlet nitrogen oxides emission concentration was reduced.

boiler；steam parameter；nitrogen oxide；optimal adjustment

TK223.27

B

1008-0198(2014)06-0069-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.020

2014-05-28 改回日期:2014-08-10