2070 t/h對沖燃燒超臨界鍋爐NOx排放特性試驗研究

湯偉全，鄢曉忠，邱 靖，王 鵬

(長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南長沙410076)

在未來比較長的一段時期內，我國主要電力生產方式仍將是以煤為一次能源的火力發電.目前我國電廠大多燃用劣質煤，燃料需要較高的爐溫才能燃盡，這樣就造成NOx排放偏高.隨著國家對火電排放要求的提高，以及煤炭資源減少和NOx排放造成的大氣污染的加劇，燃煤發電的可持續發展面臨著嚴峻的挑戰［1-4］.為了緩解我國電力短缺和大氣污染嚴重的現狀，研究和發展高效且低NOx排放燃燒技術是較為有效的途徑.

目前對于超臨界鍋爐主要通過采用低NOx燃燒器和先進的低NOx燃燒技術來降低NOx排放.低NOx燃燒器在降低NOx排放方面已取得較大的進展.在低NOx燃燒技術方面，由于鍋爐燃燒過程是十分復雜的化學反應，影響燃燒的因素也非常多，所以在低NOx燃燒技術方面還有待提高.不當的運行方式將會造成爐膛較大范圍內缺氧、局部高溫、引起水冷壁結渣和高溫腐蝕，而在局部高溫區會產生較多的NOx，對鍋爐總體NOx的生成起到關鍵的作用［5-8］.NOx的大量排放將對環境產生巨大的破壞，因此通過了解鍋爐各運行因素對NOx排放的影響，找到降低NOx排放的運行方式，對于電廠的安全運行和環境保護具有重要的意義［9］.

以湖南某電廠2070 t/h對沖燃燒超臨界鍋爐為例，該鍋爐在運行中長期出現NOx排放較高的情況.筆者對該對沖燃燒超臨界鍋爐進行了熱態試驗［10］，從機組負荷、省煤器出口氧量體積分數、燃盡風開度、二次配風方式等主要運行因素入手，分析其對NOx排放的影響，以期找到降低NOx排放的措施.

1 鍋爐設備概況

某廠660 MW機組所配鍋爐為東方鍋爐廠制造的超臨界參數復合變壓本生直流鍋爐，其型號為DG2070/25.5-Ⅱ9型，鍋爐采用單爐膛、一次再熱(再熱氣溫通過煙氣擋板調節)、尾部雙煙道結構、固態排渣、全懸吊結構、全鋼構架、露天布置、平衡通風.每臺爐配有24支低NOx旋流式煤粉燃燒器，前后墻各布置3層，每層4只，組成對沖旋流燃燒系統.同時在前、后墻各布置一層(6只)燃盡風噴口，其中2只側燃盡風噴口，4只燃盡風噴口，滿足低NOx的要求.采用6臺上海重型機械廠生產的BBD4360雙進雙出磨煤機與之配套.煙煤和本地無煙煤按3∶7比例混配作為鍋爐的設計煤種.鍋爐采用定壓運行，也可采用定—滑—定的運行方式，在鍋爐熱效率不受影響的前提下，在使用設計燃料時不投油的最低穩燃負荷為不超過44%BMCR.部分重要設計參數見表1，燃料特性見表2.

該鍋爐在校核煤種和實際運行煤種情況下，特別是在高負荷情況下NOx排放質量濃度遠高于國家規定的100 mg/m3，最高值達到560 mg/m3.

表1 鍋爐主要設計參數Table 1 Main dsign parameters of boiler

表2 煤質特性Table 2 Properties of fuel

2 鍋爐NOx排放特性試驗

通過對影響NOx排放的各個因素單獨進行試驗分析，了解該鍋爐在不同工況下的NOx排放特性.

2.1 試驗內容

燃燒測試主要內容是針對鍋爐的NOx排放特性進行系統的分析，了解影響鍋爐的NOx排放濃度的主要因素，并進行燃燒優化調整.其具體內容如下:

1)在煤質不變的情況下，進行變爐膛負荷的NOx排放濃度的影響試驗.

2)在煤質和負荷不變的情況下，進行變燃盡風量的NOx排放濃度的影響試驗.

3)在煤質和負荷等因素不變的情況下，進行改變氧量的NOx排放影響試驗.

4)在煤質和負荷等因素一定的情況下，進行改變配風方式的NOx排放影響試驗.

2.2 試驗方法

試驗采用單因素輪換法，即在其他運行參數保持不變的情況下，改變某一工況參數.對主要運行因素變化時的NOx排放濃度進行測量，并系統地研究各單一因素變化的影響.由于實際運行條件的限制，試驗選擇在不同負荷時段下進行.針對該鍋爐實際運行特點和具體條件，對影響NOx排放的主要因素，如:氧量、機組負荷、配風方式及燃盡風開度進行了試驗研究.在試驗時，采用Testo350煙氣成分分析儀對鍋爐省煤器出口、SCR入口之前的煙氣成分進行分析，其他試驗所需主要運行參數從DCS系統中讀取.根據《電站鍋爐性能試驗規程》的規定，對試驗數據進行整理、計算及結果修正.根據《火電廠大氣污染物排放標準》的規定，對鍋爐NOx排放濃度數據進行整理、計算及修正.

3 試驗結果與分析

3.1 鍋爐負荷對NOx排放的影響

針對機組負荷變化對爐內NOx排放質量濃度的影響，進行了6個機組負荷的試驗.試驗中，爐膛出口氧量保持在3.0%左右，燃盡風開度為64%，保持煤種不變，配風為均等配風.不同負荷下的NOx排放量及爐內溫度分布情況如圖1和表3所示.

由圖1可以看出，當機組負荷從較低負荷升高到420MW的過程中，NOx排放質量濃度呈現明顯的升高趨勢;再繼續升高到600 MW的過程中，NOx排放質量濃度表現為下降的趨勢;再隨負荷繼續增加，NOx排放質量濃度上升.

圖1 機組負荷對NOx排放質量濃度的影響Fig.1 Influence of uinit load on NOxemission

表3 不同負荷下爐膛溫度分布及氧量濃度Table 3 Furnace temperature distributions and oxygen concentration under different load

低負荷時，爐內熱負荷不高，燃燒溫度水平也比高負荷時低，熱力型NOx的生成受到抑制，再加上此鍋爐運行時氧量維持在3.0%左右，這樣也抑制了燃料型NOx的產生，所以在低負荷時NOx總體排放量較低.隨著機組負荷的升高，爐內熱負荷明顯增加，爐內溫度水平也明顯升高.隨著溫度的升高，O2高溫分解加劇，O2分解生成氧原子，氧原子在NO生成的鏈式反應中起了活化鏈的作用.首先氧原子與N2反應生成NO和N，而N立即被O2氧化生成NO，所以溫度升高，熱力型NOx生成增加.雖然當溫度超過900℃時，燃料氮的轉化率升高不明顯，但負荷增加，燃料入爐的氮總量在增加，燃料型NOx的生成量也會增加.隨著鍋爐負荷的升高，NOx排放質量濃度并不一直表現為升高的趨勢，原因是只有當爐膛內O2體積分數與正在燃燒的燃料附近O2體積分數變化不顯著時，NOx排放質量濃度才會隨著爐膛溫度水平和鍋爐熱負荷的升高而升高.

3.2 燃盡風對NOx排放的影響

變燃盡風量試驗共進行了4個試驗工況，機組負荷均為660 MW左右，試驗在相同的磨煤機運行組合方式，爐膛出口氧量平均值為2.9%左右，主燃燒區域各層燃燒器配風方式為均等配風.4組工況總燃盡風門開度依次為80%，83%，90%和100%，各單個燃盡風門開度保持不變，變燃盡風風量試驗結果如圖2.

由圖2可以看出，隨著燃盡風門開度的增加，NOx排放質量濃度表現為明顯的下降趨勢.從80%燃盡風開度工況開始增加燃盡風，NOx排放質量濃度下降較為明顯，但隨著燃盡風風量的進一步增加，NOx排放質量濃度下降趨勢變緩.這主要是由于燃盡風處于爐膛上方，此區域為燃盡區，同時也是NOx還原區，當總的送風量保持不變時，燃盡風開度的增加會導致配給主燃燒區域的二次風量減少，從而在主燃燒區域產生富燃料燃燒區域，從而在爐內垂直方向實現了分級燃燒的效果，限制了燃料型NOx的生成.但在燃盡風風量進一步增加時，其對爐內分級燃燒的影響作用減弱.

圖2 燃盡風風量對鍋爐NOx排放質量濃度的影響Fig.2 Influnence of over fired air flow rate on NOx emission concentration of boiler

另一方面，隨著燃盡風風門開度的增大，過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度均有略升高的趨勢.這是因為煤粉鍋爐以輻射傳熱為主，燃盡風風量增加會使得爐膛內燃盡區域往爐膛上部延伸，使得過熱再熱蒸汽溫度上升.同時隨著燃盡風風量的增加，增加了爐膛上方氣流擾動，汽溫偏差也會有所減小.因此在保證較低NOx排放質量濃度的前提下，適當的燃盡風量配比對鍋爐汽溫偏差均有積極作用.

3.3 爐膛出口氧量對NOx排放的影響

針對氧量單因素變化的影響，由于送風機出力等原因，在高負荷爐內氧量較難往高濃度調節，故高負荷時，在較低氧量下試驗;而低負荷時，低氧量情況下，NOx排放并不高，所以選擇在較高氧量下試驗.而且該鍋爐負荷具有鮮明的時段分布特征，上午0～9時長期維持在360 MW左右，而其他時段以滿負荷(660MW)為主，所以對鍋爐進行了兩組各4個工況的試驗.試驗在相同的磨煤機運行組合方式，主燃燒區域各層燃燒器配風方式為均等配風，分別保證負荷在360，660MW情況下運行.其結果如圖3所示.

圖3 660MW和360MW負荷下O2體積分數對鍋爐NOx排放質量濃度的影響Fig.3 Influence of oxygen volumetric fraction on boiler NOxemission at loads of 660MW and 360MW

從圖3可以看出:在試驗工況條件下，隨著燃燒氧量的增加，兩種負荷工況下NOx排放濃度都表現為比較明顯的上升趨勢.特別是在660 MW情況下，當鍋爐氧量由2.1%增加至2.6%時，NOx的排放質量濃度增加幅度相當大，這是因為氧量增加使爐內富氧區域增加，燃料型NOx排放量增加.雖然氧量增加意味著過量空氣增多，一定程度上可能會略微降低爐內整體溫度水平，但另一方面隨著氧量的增加，燃燒器區域的燃燒強度隨之增強，這樣在燃燒區域會出現局部高溫，那么在這些局部高溫區域會產生較多的NOx，這樣將對整個爐膛NOx產生起到較關鍵性的作用，因而氧量增加也促進了熱力型NOx生成.

3.4 配風方式對NOx排放影響

在600 MW負荷下進行變配風方式試驗，爐膛出口氧量平均值保持在3.0%左右，磨煤機組合方式均為A1，B2，E2，D2，F2，C2 6 臺磨煤機運行，其中E2和C2分別為下層前墻和后墻燃燒器供粉;B2和F2分別給中層前墻和后墻燃燒器供粉;A1和D2分別給上層前墻和后墻燃燒器供粉.由于主燃燒區分為3層，故通過調節旋流燃燒器二次風門開度，設置3組工況.工況1:上層配風風量較大，中層和下層相對較小;工況2:將3層配風大小保持基本接近;工況3:主燃燒區域上層和下層配風較多，中間層配風較少，具體配風方式如表4.

表4 各配風方式下的二次風開度Table 4 Secondary air flow opening at different modes of air distribution

在3種工況下，燃盡風風門開度維持40%不變.配風方式對NOx排放質量濃度的影響如圖4.由圖4可以看出，配風方式對NOx排放質量濃度的影響較為顯著.工況3條件下，即主燃燒區中間層二次風開度較小時，NOx排放質量濃度最低，工況2的配風方式次之，工況1的配風方式最高.

圖4 配風方式對NOx排放質量濃度的影響Fig.4 Influence of air distribution mode on NOxemission

工況1條件下，上層空氣量過大，主燃燒區域上部形成強富氧氣氛，下層燃燒區域形成的含氮化合物在此區域迅速被氧化，則會增加燃料型NOx的生成量，而大量的燃料在此區域燃燒也提高了此區域的爐膛溫度水平，進而使總NOx排放量增加.工況3條件下，減少中間層燃燒區域的風量，而適當增加上層和下層燃燒區域的風量，可使主燃燒區域中間形成富燃料燃燒區域，這樣就可以減少氮元素及其中間產物繼續被氧化為NOx的可能性，從而減少了燃料型NOx的生成;而上部燃燒區域由于風量較工況1有所減少，使得燃燒劇烈程度減低，在一定程度上降低了此區域的爐膛溫度，從而減少熱力型NOx的生成，使總的NOx生成量減少.工況2均等配風情況下，NOx排放質量濃度介于之間.由測試結果可以看出:主燃燒區風量分配的變化對該區域內分級燃燒效果影響較顯著，綜合考慮各配方方式下過熱、再熱氣溫偏差，采用均勻配風較合適.

3.5 多因素變化對NOx排放的影響

基于單因素對該鍋爐NOx排放的影響及該鍋爐的實際運行情況，制定了在單因素較優情況下的多因素變化對NOx排放影響的試驗.由于該鍋爐負荷的時段分布特點，試驗選定在360 MW和660 MW兩種工況，由單因素分析可知，在第2層二次配風較小的情況，NOx排放較低，故兩種負荷下二次配風均采用束腰型配風，氧量和燃盡風開度如表5，多因素變化情況下的試驗結果如圖5.

表5660MW和360MW負荷下氧量和燃盡風開度Table 5 Oxygen volumetric fraction and over fired air rate at loads of 660MW and 360MW

圖5 不同運行方式對NOx排放量的影響Fig.5 Influnence of different operating mode on NOxemission

從圖5可以看出，360 MW負荷下，氧量為3.0%，燃盡風開度為40%時，NOx排放質量濃度較低;660 MW負荷下，氧量為2.0%，燃盡風開度為90%時，NOx排放質量濃度也較低.在此基礎上增加氧量，燃盡風調高或降低，NOx排放質量濃度都表現為升高的趨勢.

從工況2到工況3，當氧量增加，燃盡風減少的情況下，NOx排放增加趨勢較為明顯.因為一方面氧量增加使爐內富氧燃燒區域增加，熱力型NOx生成增加;另一方面燃盡風的減少使爐內垂直方向的分級燃燒減弱，NOx排放增加較大.從工況3到工況4，氧量和燃盡風都增加的情況下，NOx排放增加趨勢減緩，燃盡風開度增大，分級燃燒增強，削弱了氧量增加使NOx排放增加的趨勢.

4 結論

1)隨著機組負荷的增加，NOx排放質量濃度總體上表現為先升高后降低的趨勢，鍋爐在高負荷段運行時存在NOx排放濃度的較低值.

2)燃盡風的比例對NOx排放有很大影響，燃盡風比例增加能明顯降低NOx排放.

3)在試驗運行工況下，氧量對NOx排放有顯著影響.隨氧量的升高，NOx排放增加.高負荷時可以適當降低氧量來降低NOx排放質量濃度.

4)當燃盡風比例較小時，二次風配風方式對NOx排放有一定的影響.實際運行時可適當減小中間層的二次配風量.

5)對于本鍋爐，在低負荷時，爐膛出口氧量控制在3.0%，燃盡風開度控制在40%比較適宜;在高負荷時，氧量控制在2.0%，燃盡風開度控制在90%比較適宜.

References)

［1］ 蔣敏華，黃斌.燃煤發電技術發展展望［J］.中國電機工程學報，2012，32(29):1-8.Jiang Minhua，Huang Bin.Prospects on coalfired power generation technology development［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32(29):1-8.(in Chinese)

［2］ 江焯燁，鄢曉忠，紀括，等.2070 t/h對沖燃燒鍋爐傳熱計算及煤種適用性分析［J］.熱力發電，2013，42(11):110-115.Jiang Zhuoye，Yan Xiaozhong，Ji Kuo，et al.Heat transfer calculation and coal adaptability anaiysis for a supercritical 2070t/h opposed-firing boiler［J］.Thermal Power Generation，2013，42(11):110-115.(in Chinese)

［3］ 胡志宏，楊興森，王軍，等.1000MW超超臨界鍋爐燃燒優化調整［J］.鍋爐技術，2008，39(4):42-46.Hu Zhihong，Yang Xingsen，Wang Jun，et al.Combustion optimization of 1000MW ultra-superritical once-through boiler［J］.Boiler Technology，2008，39(4):42-46.(in Chinese)

［4］ 聶宇宏，梁融，錢飛舟，等.高爐煤氣余熱鍋爐數值模擬與傳熱系數的修正［J］.江蘇科技大學學報:自然科學版，2014，28(1):46-49.Nie Yuhong，Liang Rong，Qian Feizhou，et al.Numerial simulation of BFG waste heat boiler and correction of its heat transfer coefficient［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Eeition，2014，28(1):46-49.(in Chinese)

［5］ 劉建全，孫保民，張廣才，等.1000MW超超臨界旋流燃燒鍋爐穩燃特性數值模擬與優化［J］.中國電機工程學報，2012，32(8):19-27.Liu Jianquan，Sun Baomin，Zhang Guangcai，et al.Numerial simulation and optimization on stable combustion of a 1000MW ultra supercritical unit swirl combustion boiler［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32(8):19-27.(in Chinese)

［6］ 聶宇宏，聶德云，梁融，等.余熱鍋爐灰斗內兩相流動的三維數值模擬及結構優化［J］.江蘇科技大學學報:自然科學版，2013，27(5):488-492.Nie Yuhong，Nie Deyun，Liang Rong，et al.Three-dimensional numerical simulation of the waste heat boiler ash bucket structure optimization［J］.Journal of Jiangsu U-niversity of Science and Technology:Natural Science Edition，2013，27(5):488-492.(in Chinese)

［7］ Pohl J H，Sarofim A F.Devolatilization and oxidationof coal nitrogen［C］∥Proceedings of 16th Symposium on Combustion.Pittsburgh:The Combustion Institute，1976:491-501.

［8］ 樊泉桂.超臨界和超超臨界鍋爐煤粉燃燒新技術分析［J］. 發電設備，2006，7(2):23-25.Fan Quangui.Analysis of new pulverized coal combustion technology of supercritical pressure boiler［J］.Electrical Equipment，2006，7(2):23-25.(in Chinese)

［9］ 高小濤，黃磊，張恩先，等.1000MW機組鍋爐氮氧化合物排放影響的試驗研究［J］.熱能動力工程，2010，25(25):221-225.Gao Xiaotao，Huang Lei，Zhang Enxian，et al.Experrimental study on the impacts of opration factors on NOxemissions from 1000MW utilityboilers［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2010，25(2):221-225.(in Chinese)

［10］ 鄢曉忠，葉兆青，紀括，等.2070 t/h超臨界對沖火焰鍋爐飛灰含碳量偏高原因分析［J］.長沙理工大學學報:自然科學版，2014，11(1):68-74.Yan Xiaozhong，Ye Zhaoqing，Ji Kuo，et al.A cause analysis on high carbon content in fiy ash of 2070t/h supercritical hedge flame boiler［J］.Journal of Changsha University of Science ＆ Technology:Natural Science，2014，11(1):68-74.(in Chinese)