分級配風對切圓鍋爐NOx生成與燃燒經濟性的影響

姚瑤，呂當振，邱應軍

(1.華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南鄭州450015；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

分級配風對切圓鍋爐NOx生成與燃燒經濟性的影響

姚瑤1，呂當振2，邱應軍2

(1.華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南鄭州450015；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

針對燃用劣質混煤的300 MW四角切圓燃燒鍋爐，通過低氮燃燒系統改造與增設燃盡風 (SOFA)相結合的方式，用于降低氮氧化物 (NOx)排放濃度。通過三種劣質混煤的實爐燃燒試驗獲得了SOFA風率，三次風投、退，縮腰配風方式對NOx排放濃度與鍋爐燃燒經濟性的影響規律。試驗結果表明，隨著SOFA風率增加，鍋爐熱效率隨之下降，而NOx排放濃度呈現出先下降后上升的趨勢；制粉系統三次風退出時，NOx排放濃度明顯降低，而飛灰含碳量有所升高；此外通過優化縮腰配風，有助于提高鍋爐熱效率和降低NOx生成濃度，從而實現低氮燃燒的同時，兼顧鍋爐燃燒經濟性。

四角切圓鍋爐；燃盡風；三次風；NOx排放

隨著社會經濟的快速發展，國內發電裝機容量也在不斷增大，根據最新統計數據，2014年，全國發電設備總容量達13.6億kW，其中火電裝機為9.16億kW，占比達67%左右，電力在給社會帶來便利的同時，也排放著大量的污染物，其中作為大氣主要污染物之一的氮氧化物排放問題尤為突出。為更好的保護環境，國家環保部于2012年1月頒布實施了 《火電廠大氣污染物排放標準》，氮氧化物 (以NO2計)排放濃度控制在100～200 mg/Nm3(對重點地區的火電機組始終控制在100 mg/Nm3)，為了適應新環保排放標準，燃煤電廠進行了大規模的低氮燃燒系統改造的研究與應用工作〔1－5〕。

目前隨著低氮燃燒研究的深入，發現煤粉燃燒過程中還原性氣氛對NOx的生成有顯著地抑制作用〔6－7〕，由此通過增設緊湊型燃盡風OFA、分離型燃盡風SOFA，并結合低氮燃燒器改造，用于控制與調整主燃燒區域過量空氣系數 (或燃燒器區域局部過量空氣系數)，使煤粉處于富燃料條件下燃燒，此方法已成為目前鍋爐低氮燃燒系統改造的主要方向〔8－15〕。

為滿足新的環保排放標準，同時兼顧鍋爐燃燒經濟性的雙重要求，對某電廠300 MW亞臨界機組低NOx燃燒系統改造后的四角切圓鍋爐進行低氮燃燒調整試驗，研究鍋爐分級配風對降低NOx排放的影響，重點研究不同負荷下燃盡風開度 (即調整主燃燒區域過量空氣系數)，三次風投、退，以及縮腰配風方式對NOx排放濃度與鍋爐燃燒經濟性的影響，從而確定出不同負荷下最優配風方案，在保證鍋爐燃燒經濟性的前提下，最大限度地降低NOx排放。

1 鍋爐概況

該鍋爐系哈爾濱鍋爐廠引進美國CE公司技術生產的300 MW亞臨界參數，一次中間再熱，單汽包自然循環，固態排渣煤粉爐，主要設計參數如表1所示。鍋爐設計為單爐膛、Π型布置、平衡通風，采用中間倉儲式熱風送粉，四角切圓燃燒方式。低氮改造后的燃燒系統共布置五層一次風噴嘴，其中A，B，E層為寬調節比上、下濃淡燃燒器；C，D層為直流煤粉燃燒器，在頂層燃燒器上方依次安裝了兩層三次風噴口、兩層緊湊燃盡風(OFA1，2)噴口，為滿足低氮燃燒運行需要，在爐膛上部增設四層分離型燃盡風 (SOFA1，2，3，4)噴口。

表1 MCR工況下鍋爐主要設計參數

2 試驗結果與分析

試驗期間入爐煤為劣質貧煤與煙煤的混燒，為了試驗數據的可比性，保證同組試驗期間煤質穩定，具體為:滿負荷以及75%負荷SOFA調整試驗、縮腰配風試驗期間采用煤質T－01；三次風投、退試驗期間采用煤質T－02；60%負荷SOFA調整試驗采用煤質T－03。煤質特性見表2所示。

表2 試驗期間混煤元素分析及發熱量

2.1 爐內冷態空氣動力場試驗

為了提高鍋爐燃燒穩定性與經濟性，為鍋爐分級配風低氮燃燒調整提供良好基礎，熱態運行前進行了全爐膛冷態空氣動力場試驗。重點對同層一次風噴口風速進行了調平，同時根據相似理論，對一、二次風混投后的空氣動力場進行了測量。試驗結果表明:一次風調平前1，4號角風速普遍偏高；2，3號角風速偏低，這表現出了風管阻力特性差異。通過調整一次風粉管縮孔開度，實現了同層燃燒器出口一次風調平，調平后風速偏差控制在5%以內，具體結果見表3。一次風調平后，按縮腰配風方式，模擬熱態運行工況，對爐內冷態流場進行測量與飄帶示蹤。如圖1所示，試驗結果表明:爐膛充滿度較好，氣流中心無偏斜。

表3 冷態空氣動力場一次風速調平試驗

圖1 一、二次風混投時爐內空氣動力場

2.2 鍋爐分級配風對NOx排放與燃燒經濟性的影響

2.2.1 縮腰配風方式對NOx排放與燃燒經濟性的影響

在鍋爐滿負荷與爐膛出口氧量基本一致的前提下，對比研究了不同縮腰配風方式對NOx排放濃度與鍋爐燃燒經濟性的影響。如表4所示，在總體縮腰配風原則不變的前提下，適當增大整體風門開度，以及底部與最上層緊湊型OFA風門開度，二次風箱差壓隨之降低，這將有助于提高鍋爐燃燒經濟性，同時也有利于降低主燃燒區域NOx生成濃度。如圖2所示，優化縮腰配風方式下，NOx排放濃度降低32 mg/Nm3，鍋爐效率提高0.49%。

表4 縮腰配風方式下二次風門開度

圖2 縮腰配風方式對NOx排放與鍋爐燃燒經濟性的影響

2.2.2 SOFA燃盡風開度對NOx排放與鍋爐燃燒經濟性的影響

在鍋爐滿負荷時，維持爐膛出口氧含量3.3%左右，通過調節四層燃盡風門開度 (調節主燃燒區域的過量空氣系數)，研究燃盡風率變化對NOx排放濃度與鍋爐燃燒經濟性的影響。如圖3所示，隨著燃盡風門開度逐漸增大，主燃燒區域過量空氣系數逐漸降低，飛灰含碳量升高，鍋爐燃燒經濟性隨之下降，而NOx排放濃度呈現出先下降后升高的趨勢。仔細分析燃盡風門由小到大逐漸開啟的過程中NOx變化特征，鍋爐主燃燒區域燃燒特性經歷了2個不同過程:首先，當燃盡風門從全關到打開下兩層燃盡風SOFA1，2的過程中，主燃燒區域過量空氣系數從先前的1.25(常規運行時主燃區過量空氣系數)逐漸降低到1.0以下，在此過程中，主燃燒器區域燃燒減弱，局部出現還原性氣氛，從而抑制了燃燒初期的燃料氮向NOx轉化過程，同時燃燒中心溫度降低也減小了熱力型NOx的生成速率，兩者共同實現了爐膛出口低NOx排放。與此同時，由于主燃燒區域過量空氣系數降低以及爐膛平均燃燒溫度降低，也造成了飛灰含碳量有一個升高的過程，最終表現為鍋爐燃燒經濟性下降。其次，當燃盡風門繼續開啟，直至 SOFA1，2，3，4全部開啟，主燃燒區域過量空氣系數進一步降低，造成燃燒器區域局部出現較為嚴重的缺氧燃燒現象，煤粉不完全燃燒加劇，雖然此時強還原氣氛抑制了NOx的生成，但同時大量的未燃盡煤粉顆粒在爐膛上部區域劇烈燃燒，提高了該區域的NOx生成量，最終造成爐膛出口NOx排放濃度升高。此外，爐膛不完全燃燒造成的飛灰含碳量升高，鍋爐燃燒經濟性降低。

圖3 滿負荷時燃盡風開度對NOx排放與鍋爐燃燒經濟性的影響

從圖3可知，在進行低氮燃燒調整過程中，雖然可以通過調節SOFA開度，達到降低爐膛出口NOx排放濃度的目的，但當主燃燒區域的過量空氣系數過低時，不僅顯著降低鍋爐燃燒經濟性，而且還原性氣氛易造成灰熔點降低，引起鍋爐嚴重結焦以及水冷壁的還原性腐蝕等。就目前研究結果表明，最佳主燃燒區域過量空氣系數受爐型、燃燒器類型、燃盡風位置、入爐煤質以及運行習慣等多種因素影響，因此在實際調整過程中，應注意平衡低氮排放與鍋爐燃燒經濟性之間的關系。

2.2.3 三次風投、退對NOx排放與鍋爐燃燒經濟性的影響

中間倉儲式制粉系統中設計有三次風 (約占總風量的20%)，其對鍋爐燃燒經濟性與穩定性有著顯著影響。與此同時，對于低氮燃燒系統改造與低氮燃燒調整而言，三次風的設計位置與風速大小對實現穩定低氮經濟燃燒也十分重要。因此考察了投運與退出三次風對鍋爐NOx排放濃度與燃燒經濟性的影響。如圖4所示，攜帶著低濃度超細煤粉的氣流從三次風噴口送入爐膛燃燒，由于該三次風噴口位于緊湊型燃盡風下方，并緊挨著最上層燃燒器噴口，與三次風投入運行時比較，當三次風退出時 (為了維持二次風箱差壓不變，開啟一層SOFA)，在爐內形成了一個明顯的分級燃燒，從而擴大了上部爐膛還原區域高度 (三次風至SOFA之間)，有效延長了已生成的NOx的還原時間，使得已生成的NOx還原成N2的比例提高，最終減少了爐膛出口的NOx排放濃度，三次風投運時NOx排放濃度502 mg/Nm3，退出時 NOx排放濃度僅為398 mg/Nm3，NOx排放濃度降低約 21%。此外，由于燃盡風更靠近爐膛出口，縮短了未燃盡碳的燃燒時間，因此飛灰含碳量有所升高，鍋爐燃燒經濟性略有降低。

圖4 三次風投、退對NOx排放與鍋爐燃燒經濟性的影響

2.2.4 低負荷時SOFA燃盡風開度對NOx排放與鍋爐燃燒經濟性的影響

如圖5所示，在鍋爐帶75%負荷時，維持爐膛出口氧含量3.9%左右，隨著SOFA開度的增大，NOx排放濃度降低，飛灰含碳量略有變化，而此時鍋爐熱效率基本維持不變。從試驗結果來看，75%負荷時，可采取逐步開大燃盡風門，用于控制NOx排放濃度，但當開啟兩層SOFA1，2之后，若繼續開啟SOFA3，4時，二次風箱差壓下降明顯，二次風噴口風速降低，使得一、二次風中后期摻混減弱，對鍋爐燃燒經濟性不利，因此在低氮燃燒調整過程中，75%負荷時不建議繼續開啟SOFA3，4層燃盡風。

圖5 75%負荷時燃盡風開度對NOx排放與鍋爐燃燒經濟性的影響

如圖6所示，在鍋爐60%負荷時，維持爐膛出口氧含量5.7%左右，隨著SOFA開度的增大，飛灰含碳量逐漸增大，鍋爐熱效率略有降低，但NOx排放濃度呈現出先降低后升高的趨勢。分析其原因，當開啟SOFA1時，主燃燒區域過量空氣系數降低，局部還原性氣氛抑制了NOx生成與排放；當繼續開啟SOFA2時，主燃燒區域過量空氣系數繼續降低，會造成大量未燃盡碳在爐膛上部燃燒，導致NOx生成濃度升高，具體原因在上節已經做了詳細闡述。結合試驗結果來看，在60%負荷時不建議開啟SOFA2，3，4層燃盡風。

圖6 60%負荷時燃盡風開度對NOx排放與鍋爐燃燒經濟性的影響

3 結論

1)在總體縮腰配風原則不變的前提下，適當增大整體風門開度，以及底部與最上層緊湊型OFA風門開度，從而維持合適的二次風箱差壓，將有助于提高鍋爐燃燒經濟性和降低主燃燒區域NOx生成濃度。

2)在分級配風過程中，隨著SOFA開度的增加，主燃燒區域過量空氣系數逐漸降低，飛灰含碳量升高，而NOx排放濃度呈現出先下降后升高的趨勢，此時主燃燒區域燃燒特性將經歷2個過程:首先，在主燃燒區域過量空氣系數逐漸降低的過程中，主燃燒器區域燃燒減弱，局部呈現出還原性氣氛，從而抑制了燃燒初期的燃料氮向NOx的轉化，同時燃燒中心溫度降低也降低了熱力型NOx的生成速率，兩者共同促進了爐膛出口低NOx排放。其次，隨著主燃燒區域過量空氣系數進一步降低，造成燃燒器區域局部出現較為嚴重的缺氧燃燒，煤粉不完全燃燒加劇，雖然強還原氣氛能夠抑制NOx的生成，但同時大量的未燃盡煤粉顆粒在爐膛上部區域劇烈燃燒，反而提高了該區域的NOx生成量，最終使得爐膛出口NOx排放濃度升高。

3)當三次風退出時，在爐內形成了一個明顯的分級燃燒，從而有效擴大了上部爐膛還原區域高度 (三次風至SOFA之間)，延長了NOx的還原時間，提高了已生成的NOx還原成N2的比例，但由于燃盡風更靠近爐膛出口，縮短了未燃盡碳的燃燒時間，導致飛灰含碳量有所升高，鍋爐燃燒經濟性略有下降。

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Effects of air staging combustion for a tangential-fired boiler on NOxemission and boiler efficiency

YAO Yao1，LYU Dangzhen2，QIU Yingjun2
(1.Huadian Zhengzhou Mechanical Design Institute CO.，Ltd.，Zhengzhou 450015，China；2 State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In order to reduce the NOxemission during the low-quality blended coal combustion，a novel technique combining an additional separated over fire air(SOFA)and boiler combustion system retrofit was carried out in a 300 MW tangential-fired boiler.Through three low-quality blended coals firing experiments，the impacts of SOFA，the tertiary-air and shrinked-middle wind on NOxemission and boiler efficiency were obtained.The results indicated that with the increase of air damper opening degree of SOFA，the NOxemission firstly decreased and then increased，while the boiler efficiency decreased.Meanwhile，by comparison with using the tertiary-air，the NOxemission reduced rapidly，but the unburned carbon slowly increased without the tertiary-air.Furthermore，the proper shrinked-middle wind could not only improve the coal combustion efficiency，but also reduce the NOxemission.Hence，air staging combustion adjustment should obtain a proper point for both the low NOxemission and the optimal boiler efficiency.

tangential-fired boiler；separated over fire air；tertiary-air；NOxemission

TK227.1

B

1008-0198(2015)06-0027-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.007

姚瑤(1977)，女，河南鄭州人，工程師，研究生，從事電力技術咨詢及服務工作。

2015-05-08