600 MW級超臨界鍋爐低NO x燃燒優化分析

楊幫敏

（浙江浙能樂清發電有限責任公司，樂清 325609）

發電燃煤鍋爐煙氣排放的污染物中含有粉塵、SO2和NOx等，隨著技術的進步和設備的升級，發電燃煤鍋爐煙氣除塵效率可達99.5%以上，石膏濕法煙氣脫硫（FGD）的脫硫效率可達95%以上，已經滿足了基本環保指標要求。而對燃煤鍋爐煙氣排放污染物中NOx的控制，特別是SCR投運造成氨逃逸給鍋爐帶來的空預器積鹽等問題，一直是困擾NOx排放控制的難點。

為此，火電運行人員一直尋求在燃燒側的優化調整方法，以控制SCR入口的NOx生成濃度，達到減少SCR噴氨量，降低由于氨逃逸引起的空預器積鹽的可能性，提高鍋爐運行的效率和安全性。本文結合燃煤鍋爐燃燒調整的試驗和實際運行工況，對600 MW級超臨界鍋爐低NOx燃燒調整手段進行分析。

1 NO x生成機理

燃煤鍋爐爐內煤粉燃燒過程中會生成大量NOx，但其過程是一個復雜的化學反應過程［2］。煤燃燒過程中所生成的NOx有3種類型，即熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx，各種類型NOx所占比例在煤燃燒過程中也不盡相同。NOx生成和破壞過程如圖1所示。

研究表明［3］，在燃燒過程中，將燃料中的含氮有機物經過熱分解和氧化生成的NOx稱為燃料型NOx，其生成量占NOx生成總量的75%～80%［4］。生成的NOx中約20%是熱力型NOx，僅當溫度＞1 600℃，熱力型NOx所占比例才會迅速上升。由于爐內溫度很難達到1600℃以上，因此熱力型NOx在燃煤鍋爐內少量生成。在火電燃煤鍋爐中，快速型NOx生成量很小，一般僅占NOx總生成量的5%以下［4］，僅在不含氮的碳氫燃料發生低溫燃燒時才可能生成快速型NOx。

圖1 NO x生成和破壞過程

2 低NO x燃燒技術

低NOx燃燒技術主要有［5］：空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環技術、低過剩空氣燃燒、濃淡偏差燃燒和低NOx燃燒器。從本質上說，上述技術的機理是一樣的，就是改變局部環境下燃料和氧量配比，達到保證鍋爐效率的前提下，實現低NOx燃燒的目的。

大多數600 MW以上機組采用低NOx燃燒器實現低NOx燃燒，在運行中結合空氣分級燃燒和燃料分級燃燒，控制燃燒過程中NOx的生成量。樂清電廠1～4號鍋爐燃燒器均采用低NOx同軸燃燒系統技術（LNCFS），該技術在降低NOx排放的同時，重點考慮了提高鍋爐低負荷不投油穩燃能力和燃燒效率。這種燃燒器主要將二次風分為2部分，在主燃區先送入一部分風量，保證主燃區的穩定著火，同時使主燃區處于富燃料燃燒階段，降低爐膛溫度，降低NOx的生成；在燃燒器上方布置燃盡風，保證煤粉燃盡。可使得高溫區與富氧區分離，達到控制燃料型NOx生成的目標。

3 變氧量對NO x生成的影響

為了準確地分析變氧量工況下，NOx的生成變化規律，以600MW超超臨界1號鍋爐作為研究對象，對600（100%）、480（80%）、420（70%）、360 MW（60%）共4個負荷工況點進行變氧量優化試驗，研究過量空氣系數、NOx生成和飛灰含碳量的變化趨勢（見圖2和圖3）。

圖2 各負荷變氧量NO x生成趨勢圖

由圖2可知，NOx生成濃度隨著氧量的降低而明顯降低，而固體未完全燃燒熱損失q4（主要是飛灰含碳量）隨著氧量的降低而升高。但飛灰含碳量絕對值相對穩定，增加不明顯，引起的q4增大并不明顯，依然不會抵消由于降低氧量運行使得排煙熱損失q2的降低，從而使得鍋爐效率略有上升。

圖3 600 MW鍋爐變氧量運行效率趨勢圖

由圖3可知，整體燃燒氧化性氛圍的控制，即爐膛出口氧量的降低，可以有效降低NOx的生成，并且達到提高鍋爐效率的目標。

4 變SOFA率對NO x生成的影響

鍋爐燃盡風分為緊湊型燃盡風（CCOFA）和分離式燃盡風（SOFA），燃盡風（OFA）的作用是提高煤粉燃盡率和控制NOx生成，下面主要研究SOFA對控制NOx生成的作用和影響程度，并給運行人員提供指導意見。鍋爐變SOFA運行試驗，可以在相對穩定的負荷工況下進行，操作方法簡單，可以得到運行參數，且參數規律特征明顯。

變SOFA運行試驗盡量維持運行操作控制習慣不變，通過有限的參數改變，研究變化的參數對NOx生成的影響。本試驗研究對象相對較少，鑒于氧量對飛灰含碳量和鍋爐效率有著決定性影響，不對飛灰含碳量和鍋爐效率進行分析，僅對NOx生成、SOFA率、爐膛風箱差壓、排煙溫度與環境溫度差值進行統計分析，研究其相互之間的關聯規律。

由于600 MW級超臨界鍋爐爐型成熟，燃燒控制策略完善，在試驗過程中，盡量保持自動投入率處于較高水平。該爐型的主燃燒器區域在正常運行工況下采用均等配風。試驗過程中，燃燒器區域的二次風門的控制不進行干預，僅通過改變SOFA風門開度，觀察上述參數的變化趨勢（見圖4～圖6）。主要的原則是：依次關小上層SOFA開度、關小上層SOFA開度和均等關小SOFA開度，計算主燃燒器區域過量空氣系數α的變化，比較不同SOFA配風方式對NOx生成的影響。

圖4 變上層SOFA風門開度NO x生成趨勢圖

在600 MW工況下，保持氧量和CCOFA風門開度基本不變，上部E、D、C層SOFA風門開度從原50%關閉，試驗期間爐膛出口過量空氣系數保持在1.22左右，而主燃燒器區域過量空氣系數α從0.96升到1.05，NOx濃度從240 mg／Nm3升至303 mg／Nm3，上升幅度達26%。同時對爐膛風箱壓差Plt－Pfx影響明顯，從0.93 k Pa升高至1.02 k Pa，強化了主燃燒器區域的氣流剛性。這一結果證明，多投運SOFA層數、總體增加SOFA量，可以減少主燃燒器區域的過量空氣系數α，有助于降低NOx生成。排煙溫度和環境溫度差tpy－to降低，在煙氣量基本不變的情況下，證明排煙熱損失q2是隨SOFA開大而降低的。

在430 MW工況下，保持氧量和CCOFA風門開度基本不變，下部A、B層SOFA風門開度從原50%依次關閉，試驗期間爐膛出口過量空氣系數保持在1.30左右，而主燃燒器區域過量空氣系數α從1.05升到1.10，同時NOx濃度從365 mg／Nm3升至389 mg／Nm3，上升幅度達6.6%。同時對爐膛風箱壓差Plt－Pfx影響明顯，從0.38 k Pa升高至0.58 k Pa，強化了燃燒器區域的氣流剛性。這一結果證明多投運SOFA層數，總體增加SOFA量也是有助于降低NOx生成的。排煙溫度和環境溫度差tpy－to基本不變，在煙氣量基本不變的情況下，證明該負荷區間排煙熱損失q2是隨SOFA開大變化不明顯。

圖5 變下層SOFA風門開度NO x生成趨勢圖

圖6 均等變SOFA風門開度NO x生成趨勢圖

在400 MW工況下，保持氧量和CCOFA風門開度基本不變，上部A、B、C、D、E層SOFA風門開度從原50%一致關小至40%、30%、20%，試驗期間爐膛出口過量空氣系數保持在1.30左右，而主燃燒器區域過量空氣系數α從1.07升到1.14，NOx濃度從394 mg／Nm3升至515 mg／Nm3，上升幅度達30%。同時對爐膛風箱壓差Plt－Pfx影響明顯，從0.31 kPa升高至0.72 kPa，強化了主燃燒器區域的氣流剛性。這一結果證明SOFA風門開大，總體增加SOFA量是有助于降低NOx生成的，但是為保證主燃燒器區域的氣流剛性和燃燒基本氧量需求，SOFA不宜過大，平均開度不宜超過50%。排煙溫度和環境溫度差tpy－to升高，在煙氣量基本不變的情況下，證明排煙熱損失q2是隨SOFA開大而升高的。這說明在低負荷區間，鍋爐爐膛整體溫度水平降低，如果再燃燒區域供氧不足，將可能得以整體火焰行程變長，排煙溫度上升。

在上述3個試驗中發現，若主燃燒器區域過量空氣系數α＞1，則NOx生成量明顯高于過量空氣系數小于1的工況，推薦鍋爐運行時，主燃燒器區域過量空氣系數α處于0.93～0.97，可有效控制NOx生成。增加SOFA量可以整體上降低NOx生成，因此鍋爐運行時，SOFA率應該大于20%，即保證主燃燒器區域處于貧氧燃燒或者是微富氧燃燒，防止由富氧區和高溫區的重疊造成NOx生成量增加。但是為了保證燃燒區域的氣流剛性，低負荷時SOFA平均開度不宜大于50%。

5 磨煤機運行方式對NO x生成的影響

大容量機組全部參與調峰運行，200 MW以上火電機組均投自動發電控制（AGC）模式，則調峰深度可達50%（特別是春秋季的午間和深夜凌晨），因此鍋爐有較長時間處于低谷運行，此時需要停運運行磨煤機，以節約制粉單耗和風機電耗，同時也有利于運行磨煤機處于經濟安全區域，提高爐內煤粉氣流濃度，利于穩燃。不同磨的組合燃燒方式，對火焰中心影響明顯，對NOx生成有較大的影響。通過比較觀察日常低谷運行時，停磨前后NOx生成變化，分析比較磨煤機運行方式對NOx生成的影響。

磨煤機的組合運行方式需要考慮到眾多因素，比如制粉系統隔離檢修、設備定期切換和煤種摻燒等因素，因此磨煤機的組合方式只能根據生產需要來。在鍋爐運行過程中，運行人員更傾向于保持下層磨的運行，有利于煤量集中穩燃，更重要的是A磨安裝有等離子點火系統，有助于事故工況下的投運穩燃，另外AB層油槍也基本處于備用狀態，也是考慮到穩燃的因素。不同磨組合燃燒試驗參數表如表1所示。

表1 不同磨組合燃燒試驗參數表

運行人員習慣在400 MW左右明確負荷下降趨勢后停磨，在比較A、B、C、D、E、F磨停運后對NOx生成變化的趨勢可發現：A、B、C磨停運后，將造成火焰中心整體上移，使分級燃燒能力變弱，NOx生成量增加；D、E、F磨停運后，將造成火焰中心整體下移，使分級燃燒能力變強，NOx生成量下降，特別是F磨停運后，NOx生成急劇下降，其主要原因也是拉開了火焰中心與SOFA的距離，強化了分級燃燒。

6 結論

對600 MW級超臨界鍋爐低NOx燃燒試驗得到，氧量和主燃燒器區域的過量空氣系數是影響NOx生成的重要原因。在600 MW級鍋爐具備較高的容積熱負荷和截面熱負荷時，可以采用較低的氧量運行，控制爐膛出口過量空氣系數，在整體氛圍上抑制NOx生成，同時不會引起飛灰含碳量的大幅度增加影響鍋爐效率，反而減少排煙熱損失可獲得更高的鍋爐效率。變OFA試驗得出，開大SOFA可以整體上降低NOx生成，建議鍋爐運行時，SOFA率應大于20%。不同磨組合燃燒試驗，分析出下層A、B、C磨停運后，NOx生成量增加，而上層E、F磨停運后NOx生成量下降十分明顯。

通過以上3種技術手段的常規控制，樂清電廠4臺鍋爐SCR入口NOx能夠有效控制在200 mg／Nm3左右，配合爐后SCR的反應，實現煙氣NOx排放達到80 mg／Nm3以下，低于國家標準100 mg／Nm3，具有良好的環境效益。同時，大大減少后續SCR的噴氨引起的氨逃逸現象，降低空預器硫酸氫銨引起的空預器堵的概率，保障了鍋爐的安全穩定運行。

［1］ 孫德創.玉環電廠超超臨界鍋爐技術經濟對比與分析［D］.哈爾濱，哈爾濱工業大學，2004.

［2］ 岑可法，姚強，駱仲泱，等.高等燃燒學［M］.杭州：浙江大學出版社，2000.

［3］ 張盤石.基于神經網絡的電站鍋爐燃燒優化系統研究［D］.北京，華北電力大學（北京），2007.

［4］ Pershing，D.W.and Wendt，J.0.L.In Sixteenth Symposium（International）on Combustion［J］.Combustion Institue，Pittsburgh，1997，231-240.

［5］ 楊幫敏.600 MW級超臨界鍋爐燃燒優化試驗研究［D］.杭州，浙江大學，2012.