660 MW超超臨界鍋爐NOx排放特性試驗研究

路通暢，韓寶庚，程 林，劉 磊，朱安鈺

(華能巢湖發電有限責任公司，安徽 巢湖 2 38000)

660 MW超超臨界鍋爐NOx排放特性試驗研究

路通暢，韓寶庚，程 林，劉 磊，朱安鈺

(華能巢湖發電有限責任公司，安徽 巢湖 2 38000)

通過對某電廠660MW超超臨界鍋爐的研究，在改變鍋爐負荷、運行氧量、SOFA風量和配風方式等情況下，測定鍋爐脫硝入口處NOx排放濃度，分析燃燒調整對NOx排放的影響。通過研究表明:在額定負荷運行時，氧量3.0%時，NOx排放最低;中負荷500MW運行時，氧量3.3%時，NOx排放最低。燃燒試驗煤種時，當煤粉細度R90降低到25%時，NOx排放降低了4.2%;降低一次風量可以使NOx的排放降低;在額定負荷下，縮腰型配風方式NOx排放最低。

超超臨界;運行氧量;NOx排放;一次風量

0 引言

氮氧化物不但對環境造成破壞，還對人類健康造成傷害［1，2］。自20世紀80年代，國外許多國家為控制NOx排放采取措施［3］;近年來國內環境問題日益惡化，為了降低氮氧化物對環境的污染，不斷修訂大氣污染物排放標準。降低火電廠NOx的排放標準。而超超臨界機組具有效率高、造價低等優點［4，5］，必將成為燃煤機組的主流鍋爐，所以研究大型超超臨界鍋爐NOx排放特性具有實際意義。

煤炭在燃燒過程中，NOx的生成主要有三種途徑［6，7］:一是熱力型，主要是空氣中的 N2被氧化生成NOx，熱力型NOx占NOx總生成量的10%～20%，其生成主要和爐膛溫度有關;二是燃料型，主要是燃燒中的N元素氧化生成的NOx，燃料型NOx的生成占NOx占總生成量的75% －90%，其生成與爐膛溫度和氧量有較大的關系;三是快速型，這部分占NOx總量相對較少［8］。通過研究NOx生成機理，控制煤粉合理的燃燒，可以有效降低NOx的排放。

1 設備簡介

1.1 鍋爐本體

某電廠鍋爐為SG-2037/26.15－M626型，由上海鍋爐廠生產，一次中間再熱、單爐膛、露天布置、平衡通風、固態排渣、Π型超超臨界鍋爐。

鍋爐配有6臺HP1003/Dyn型中速磨煤機，采用正壓直吹式制粉系統，每臺磨煤機有4個煤粉出口，每個煤粉出口接到同一層四角煤粉燃燒器，在爐膛形成順時針切圓燃燒。一次風射線中心與前墻水冷壁夾角為41°，二次風噴口具有一個直吹式噴口和兩個偏置風噴口，二次風偏置風射線中心與一次風之間的夾角為22°，從而形成同心切圓燃燒方式。在主燃燒器上部布置有兩層緊湊燃盡風和5層SOFA燃燒器噴嘴，設計緊湊燃盡風占二次風比例10%，SOFA風占二次風比例為30%。

1.2 試驗燃煤成分

試驗期間燃用煤種是澳洲煤與神混煤的混煤，神混煤與澳洲煤的摻燒比例為8∶2，采用分磨摻燒方式，A、B、C、E、F磨煤機磨制神混煤，D磨煤機磨制澳洲煤，煤質特性如表1所示。

表1 試驗燃煤的成分分析

2 試驗方法

(1)試驗測點布置

本鍋爐具有脫硝裝置，在脫硝入口進行煙氣成分分析 (氧量、CO、NOx)，每15 min測量一次，并在空預器出口進行煙氣測量 (氧量、CO、NOx)和排煙溫度測量，每15 min分析一次。具體方式是:調整試驗負荷，先對設備每一測孔進行煙氣分析，通過對煙氣分析結果，選取測孔代表點進行測量，然后通過網格測量法進行測點布置，試驗時通過真空泵抽取煙氣，用煙氣分析儀進行測量分析。

(2)試驗工況

試驗工況分有2個負荷 (660 MW，500 MW)、3種SOFA風擋板開度、7個氧量點 (額定負荷測量4個氧量點，中負荷500 MW測量3個氧量點)、2個一次風量，3種煤粉細度和4種配風方式，共計19個工況點。

(3)試驗數據處理

煤質數據和NOx測量數據均按國家標準計算分析;排煙氧量與排煙溫度按算術平均值進行計算;鍋爐效率采用反平衡方法計算。

3 試驗結果及分析

3.1 運行氧量對NOx排放影響

運行氧量對爐膛溫度也有較大的影響，爐膛溫度對NOx也有較大的影響，試驗時采用高溫儀對爐膛進行了溫度測量，綜合分析對NOx生成的影響。變氧量在660 MW和500 MW兩個負荷下進行。在機組660 MW負荷下，爐膛溫度與NOx排放變化趨勢如圖1所示。從圖1a中可以看出，在氧量4.3%運行時，在爐膛30～40 m處主燃燒器區溫度較高，通過圖1b可以看出，NOx的排放最高，主要原因是主燃燒器氧氣也充足，使得煤粉充分燃燒，從而此區爐膛溫度也高，由于氧量和溫度都高，熱力型與燃料型NOx生成量較多，所以NOx排放較大。從爐膛溫度看，氧量較高運行時，燃盡風區爐膛溫度最低，而此時SOFA風更類似一股冷卻風，降低爐膛上部的溫度。隨著氧量的降低，主燃燒溫度也隨之降低，熱力型與燃料性NOx生成隨之減小，在氧量3.0%時，NOx排放達到了最低。當氧量降低到2.4%時，大量煤粉在主燃燒器區沒有充分燃燒，當運動到燃盡風區域時，遇到大量氧量，煤粉得到充分燃燒，NOx生成有所增加，同時燃盡風區溫度也較高。可以看出，由于燃盡風占二次風比例較大，氧量過大過小都會使得燃盡風的作用減弱。

圖1 660 MW負荷下變氧量試驗結果

在中負荷500 MW下，爐膛溫度及NOx的生成變化趨勢如圖2所示。通過圖2a可以看出，運行氧量在5.0%時，由于氧量過大，爐膛整體溫度都較低;通過圖2b可知，在此氧量下運行時，NOx排放量最大，主要原因是由于氧量較大。可以看出，雖然爐膛整體溫度相對較低，熱力型NOx的生成減少，而燃料型NOx生成量增加。試驗結果可知，燃料型NOx生成量增加的幅度要多于熱力型NOx生成量減小是幅度，使得總體的NOx排放增多。對于大型燃煤鍋爐，相對爐膛溫度，氧量對NOx排放的影響較大。從圖2b看出，NOx的排放隨著氧量的降低而降低;而爐膛平均溫度變化趨勢與之相反。

圖2 500MW負荷下變氧量試驗結果

3.2 SOFA風對NOx排放影響

燃盡風技術是減少NOx的排放比較有效的方法，其中燃盡風率是燃盡風技術降低NOx排放的關鍵因素［9，10］，二本鍋爐設計燃盡風占二次風的40%，占二次風較大比例，通過調整SOFA風擋板開度，對鍋爐的燃燒具有較大的影響。在額定660 MW負荷下，氧量維持在3.0%左右進行，緊湊燃盡風全開，控制5層SOFA風門擋板開度為65%，75%和80%。試驗結果如圖3所示。從圖3可知，SOFA風擋板開度從65%增大到75%時，NOx變化不大;當增大到80%，NOx排放有大幅度降低。主要原因是當增大SOFA風時，主燃燒區氧量濃度降低，使得NOx的生成降低。可以得出，在開度為80%時，此時主燃燒區域與燃盡風區域NOx生成的總量達到了最小，從降低NOx的排放來講，燃盡風控制在80%。

圖3 變SOFA風門開度試驗結果

3.3 配風方式對NOx排放影響

配風方式通過改變二次風風門開度方式來調整鍋爐的燃燒。試驗時控制負荷在660 MW，運行氧量調整到3.0%左右，5層SOFA風門開度控制在75%，二次風門分別調整為均等、倒塔、正塔、縮腰4種配風形式，試驗結果如圖4所示。可以看出，倒塔配風，均勻配風和正塔配風運行時，對NOx排放影響較小，而縮腰配風運行時，NOx的排放最低，這是因為縮腰型配風是通過減少中間及下層二次風的進風量，使得主燃燒區域的氧濃度相對較低，從而減少NOx的生成。

圖4 變配風方式試驗結果

3.4 一次風量對NOx排放影響

一次風量提供煤粉初期燃燒所需要的氧量，其對NOx的生成也有一定的影響。在額定負荷660 MW下，運行氧量維持在3.0%左右，磨煤機一次風管風量控制在110 t/h和85 t/h，試驗結果如圖5所示。通過圖可以看出，當一次風量減少時候，NOx排放從165 mg/m3增加到143 mg/m3，降低幅度為13.3%，可以看出較小的一次風量運行時，NOx的生成減小，主要原因是當一次風量減少時，使煤粉燃燒初期煤粉揮發份中的NOx生成的減少，從而使得NOx的排放減少。

圖5 變一次風量試驗結果

3.5 煤粉細度對NOx排放的影響

試驗是在額定660 MW負荷下進行，通過改變磨煤機分離器轉速來調整煤粉細度的。總風量控制在1 700 t/h，分離器轉速分別控制在600 r/min，700 r/min，800 r/min;試驗結果如表2所示。可以看出，分離器轉速從600 r/min降低到700 r/min時，對NOx排放基本沒有影響。當700 r/min增大到800 r/min時，煤粉細度才有所降低。主要原因是在細顆粒與超細顆粒燃燒時，由于煤粉顆粒較細，其燃燒速度提高，從而消耗大量氧氣，使得氧量濃度降低，碳表面還原氣氛加強，使NOx生成降低，根據文獻 ［11］可知只有煤粉細度達到一個界值時，繼續降低煤粉細度NOx才會降低。對于高揮發份神華煤種，在分離器轉速達到 800 r/min時，NOx的排放降低了4.2%。

表2 變煤粉細度試驗結果

3.6 控制NOx排放對鍋爐效率的影響

從NOx生成機理來講，減少NOx生成就是降低爐膛溫度和氧量，這些對鍋爐的燃燒不利［12］，容易造成煤粉的燃燒不夠充分從而影響機制的經濟性。但是可以根據燃燒器的特點，通過燃燒調整，達到降低NOx的生成而且不影響機組的經濟性。

以變氧量和變SOFA風擋板開度為例，在機組660MW負荷下，將他們的NOx排放濃度與鍋爐效率列于表3中比較。

表3 NOx排放與鍋爐效率的對比

通過表3可以看出，在變氧量試驗中，鍋爐效率的變化趨勢和NOx的變化趨勢相反。在運行氧量為3.0%時，鍋爐效率最高，NOx排放達到了最低。調整SOFA風大小試驗可以看出，在開度為80%時，NOx排放最低，此時鍋爐效率也是最高。可以得出，對于大容量機組鍋爐，采用較大比例的燃盡風時，可以很好地調節NOx的生成，并且機組的經濟性不會降低。

4 結論

(1)氧量對NOx的排放有較大的影響。當燃燒試驗煤種時，負荷660MW在運行氧量為3.0%，NOx排放最低;中負荷500MW時，運行氧量3.3%，NOx排放最低。

(2)在額定負荷運行下，縮腰配風燃燒方式NOx的排放最低。

(3)一次風量越大，NOx生成越大，在額定負荷運行下，當一次風管風量從110 t/h降低到85 t/h時，NOx降低了13.3%。

(4)在額定負荷下，燃燒試驗煤種時，當煤粉細度 R90減低到 25%時，NOx排放降低了4.2%。

(5)對于大容量鍋爐，采用較大燃盡風比例燃燒方式，可以更好地控制NOx的排放，并且對鍋爐效率影響較小，對大型鍋爐燃盡風設計提供了試驗數據。

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Experimental Study on a 660MW Ultra-supercritical Boiler NOxEmission

Lu Tongchang，Han Baogeng，Cheng Lin，Liu lei，Zhu Anyu
(Huaneng Chaohu Power Co．，Ltd，Chaohu 238000)

By studying the 660MW ultra supercritical boiler，this paper measures NOxemission concentration at the entrance of boiler denitration，analyzes the effects of combustion adjustment to the NOxemissions with various of boiler load，coefficient of excess air，sofa air and air distribution．The results demonstrate that NOxemissions are minimum under rated load and coefficient of excess air is 3%．When boiler load turning into 500MW and coefficient of excess air is 3.3%，NOxemissions is the least．According to combustion test of coal，NOxemissions decline when R90is 25%，NOxemissions reduce by 4.2%．The emissions is the least with waist drum air distribution at the rated load．

ultra-supercritical;operation oxygen;NOxemissions;primary air volume

TK227.1

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.004

2014－12－18。

路通暢 (1987-)，男，碩士研究生，主要從事高效、清潔燃燒及環境污染控制方面的研究，E-mail:zhuanyu．love@163．com。