1000 MW 機組塔式鍋爐NOx排放的試驗研究

卞康麟

(江蘇省電力公司，江蘇 南京 210008)

近年來，國內新建的大型燃煤電站鍋爐均采用低NOx燃燒器結合爐內空氣分級技術[1]，通過對爐膛內煤粉燃燒過程合理組織實現低NOx生成和排放[2，3]。鍋爐燃燒優化也是首選的鍋爐低NOx燃燒技術，燃燒優化是通過鍋爐燃燒器運行參數的調整實現的，采取優化控制爐膛出口氧量、燃燒器一、二次風量合理配比、平衡送入每只燃燒器的風粉量等方法，從而在燃燒過程中把NOx的生成量降到最低[4]。通過采用低NOx燃燒優化技術進行某廠1000 MW 機組塔式鍋爐NOx排放特性試驗，降低了鍋爐NOx的排放濃度，分析鍋爐NOx排放濃度與電站鍋爐運行參數的關系，提出該鍋爐高效低NOx運行方式，可用于指導同類型鍋爐的燃燒優化運行。

1 設備概況

該1000 MW 超超臨界塔式鍋爐的爐膛尺寸為：21 480 mm×21 480 mm，冷灰頭下沿標高為4450 mm，爐頂管中心標高為111 275 mm。爐膛由管子膜式壁組成，水冷壁采用下部螺旋管圈和上部垂直管圈的布置方式。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，設計和校核煤種均為煙煤，配中速磨煤機一次風正壓直吹式制粉系統。燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動式燃燒器，共設置12 層煤粉噴嘴。鍋爐燃燒系統為典型的LNTFS 燃燒器布置。煤粉燃燒器及CFS 噴嘴的水平布置如圖1 所示。該1000 MW 超超臨界塔式鍋爐的主要設計參數見表1。

圖1 燃燒器噴口的水平面布置

表1 鍋爐額定工況主要設計參數

2 試驗標準及方法

試驗依據美國機械工程師協會性能試驗法規ASME PTC4.1（Steam Generating Units）[5]和GB13223—2011 [6]進行。試驗測試項目及方法見表2。相關運行數據在試驗中于DCS 中每15 min 記錄1 次。試驗測點布置示意圖見圖2。

表2 測試項目及方法

3 試驗結果及分析

3.1 試驗煤質化驗分析結果

該1000 MW 機組塔式鍋爐NOx排放特性試驗煤質化驗的工業分析和元素分析結果見表3。

圖2 試驗測點布置示意圖

表3 試驗煤質分析結果 %

3.2 變氧量試驗

在機組負荷為1000 MW 下，運行磨組為ABCDE組合，維持負荷、蒸汽參數、二次風配風方式及磨煤機運行工況穩定，進行了4個工況的變爐膛出口氧量試驗。變氧量試驗工況1～工況4 分別控制表盤氧量平均值分別為2.62%，2.48%，2.77%和3.12%，實測氧量兩側平均值分別為3.41%，2.89%，3.59%和3.68%。試驗結果表明，鍋爐NOx排放濃度隨氧量的上升而呈上升趨勢，工況1～工況4 試驗實測的鍋爐NOx排放濃度 分 別為230 mg/m3，213 mg/m3，240 mg/m3和248 mg/m3（NOx排放濃度均折算到6%O2下，下同）。

3.3 變二次風配風方式試驗

在機組負荷為1000 MW 下，運行磨組為ABCDE組合，維持負荷、蒸汽參數及磨煤機運行工況穩定，進行了4個工況的變二次風配風試驗。變二次風配風試驗工況1～工況4 分別為正塔配風方式、均等配風方式、束腰配風方式和倒塔配風方式。試驗結果表明，該1000 MW 塔式鍋爐NOx排放濃度正塔配風方式時最高，倒塔配風方式時最低，其他2 種配風方式居中，工況1～工況4 試驗實測的鍋爐NOx排放濃度分別為247 mg/m3，223 mg/m3，222mg/m3和214 mg/m3。

3.4 變煤層二次風試驗

在機組負荷為1000 MW 下，運行磨組為ABCDE組合，維持負荷、蒸汽參數及磨煤機運行工況穩定，進行了2個工況的變煤層二次風試驗。變煤層二次風試驗工況1 和工況2的煤層二次風開度分別保持在20%和40%，其鍋爐NOx排放濃度分別為230 mg/m3和213 mg/m3。試驗結果表明：隨著煤層二次風的開大，鍋爐NOx排放濃度略有減小。

3.5 變油層二次風試驗

在機組負荷為1000 MW 下，運行磨組為ABCDE組合，維持負荷、蒸汽參數及磨煤機運行工況穩定，進行了2個工況的變油層二次風試驗。變油層二次風試驗工工況1 和工況2的油層二次風風門開度分別為20%和40%，其鍋爐NOx排放濃度分別為229 mg/m3，247 mg/m3。試驗結果表明：通過開大油層二次風風門擋板，鍋爐NOx排放濃度明顯增大，其主要原因是開大油層二次風正好增加了在煤質初期揮發分析出燃燒所需要的氧氣，減弱了燃燒器區域的還原性氛圍，故NOx排放濃度上升明顯。

3.6 變CCOFA 風門試驗

在機組負荷為1000 MW 下，運行磨組為ABCDE組合，維持負荷、蒸汽參數及磨煤機運行工況穩定，進行了2個工況的變CCOFA 風門開度試驗。試驗工況1和工況2的兩層CCOFA 風門開度分別為100%和60%。試驗結果表明，將CCOFA 風門開度從100%關小到60%，鍋爐NOx排放濃度平均值從229 mg/m3上升到243 mg/m3。其主要原因是由于CCOFA 風位于主燃燒器區的上部，在主燃燒器區域附近形成了分級燃燒，因此CCOFA 風門開大，NOx排放濃度下降。此外，CCOFA 風風門開大也有利于減少節流損失，降低二次風壓和風機電耗。建議在機組滿負荷運行時，控制CCOFA 風風門保持全開狀態。

3.7 變SOFAF 風量試驗

在機組負荷為1000MW 下，運行磨組為ABCDE組合，維持負荷、蒸汽參數及磨煤機運行工況穩定，進行3個工況的變SOFAF 風門開度試驗。其中，工況1的SOFA 風風門保持全開；工況2 保持最上層SOFA-VI 風門全關，其他SOFA 風風門全開；工況3保持最上層SOFA-VI 風門全關，SOFA-V 風門開50%，其他SOFA 風風門全開。試驗工況1～工況3 得到的鍋爐NOx排放濃度分別為229 mg/m3，249 mg/m3和266 mg/m3。試驗結果表明：隨著關小SOFA 風風門開度，鍋爐NOx排放濃度則呈降低趨勢。究其原因，主要是逐步關小上層SOFA 風風門開度，使得送風風壓提高，在其他風門開度不變的前提下，主燃燒器區域的風量份額相對提高，增加了燃燒初期以及下層燃盡風區域的氧量供應，煤粉顆粒的燃盡效果得到提升，也恰恰是由于這個原因，主燃燒區域和下層燃盡風區域氧量的增加也直接導致了燃料型NOx大量生成，故NOx排放濃度隨SOFA 風風門的逐步關小而大幅上升。

4 結束語

采用低NOx燃燒優化技術進行該電廠1000 MW機組塔式鍋爐NOx排放特性試驗研究，結果表明：（1）鍋爐NOx排放濃度隨氧量的上升而呈上升趨勢。為保證鍋爐高效低NOx運行，建議該鍋爐在機組負荷為1000 MW 負荷下燃用試驗煤種相近煤種時，控制DCS中爐膛出口氧量為2.5%左右。（2）在機組負荷為1000 MW 負荷下，為進一步降低該塔式鍋爐的NOx排放濃度，建議二次風方式采用均等配風方式或倒塔配風方式運行；鍋爐煤層二次風開度控制為40%；油層二次風風門開度控制為20%左右；CCOFA 風風門保持全開狀態；并保持6 層SOFA 風風門全開。

[1]江哲生，董衛國，毛國光.國產1000 MW 超超臨界機組技術綜述[J].電力建設，2007，28(8)：6-13.

[2]高小濤，黃 磊，張恩先，等.1000 MW 機組鍋爐氮氧化物排放影響的試驗研究[J].熱能動力工程，2010，25(2)：221-225.

[3]高小濤.電站鍋爐燃用混煤的煤質特性分析[J].江蘇電機工程，2009，28(1)：63-66.

[4]高小濤，章名耀.SG-1036/17.5-M871 鍋爐NOx排放特性的試驗研究[J].鍋爐技術，2007，38(2)：77-80.

[5]ASME PTC4.1（Steam Generating Units）蒸汽鍋爐性能試驗規程[S].美國機械工程師協會，1964.

[6]環境保護局，國家質量監督檢驗檢疫總局.GB13223—2011 火電廠大氣污染物排放標準[S].北京：中國環境科學出版社，2011.