660 MW機組超超臨界鍋爐運行中NOX調整試驗分析

高建強，陳元金，袁宏偉，李德波

（1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.廣東紅海灣發電有限公司，廣東 汕尾 516600；3.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080）

660 MW機組超超臨界鍋爐運行中NOX調整試驗分析

高建強1，陳元金1，袁宏偉2，李德波3

（1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.廣東紅海灣發電有限公司，廣東 汕尾 516600；3.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080）

鍋爐的運行情況對NOX排放和鍋爐效率有很大影響。以廣東某發電廠660 MW超超臨界鍋爐低氮改造過程作為研究對象，討論鍋爐煤粉細度、氧量和配風方式對鍋爐運行的影響。實驗結果表明：在機組負荷為660 MW下，調整爐內送風可以保證氧量均勻性；同時保持脫硝系統進口氧量在3.1%左右，機組運行鍋爐效率保持在最高，并且NOX排放在最低；增大上、下層燃盡風及外二次風均可降低NOX排放量。

超超臨界鍋爐；鍋爐效率；氧量；NOX排放量

0 引言

21世紀以來，隨著工業的迅速發展，火力發電的發展也日漸迅猛，同時火力發電作為用能大戶，對于我國工業領域節能降耗至關重要[1]。因此，低造價、高效率的大容量高參數鍋爐成為火力發電發展的趨勢[2]。關于600 MW機組超臨界鍋爐的能耗及低氮燃燒改造的研究目前已有不少，包括利用數值模擬對鍋爐低氮改造方案進行優化[3]；以660 MW超超臨界機組為例，通過燃燒調整及SCR（選擇性催化還原）脫硝系統運行調整，研究運行參數對氨逃逸率的影響[4]；以660 MW超超臨界機組為例，分析運行參數對鍋爐效率的影響[5]；對300 MW機組燃燒器進行低氮改造的試驗研究[6]；對600 MW機組對沖燃燒鍋爐進行低氮燃燒改造及運行調整[7]。通過更換燃燒器，合理布置燃盡風噴嘴，達到降低NOX排放的效果。文獻[8-12]分別對低氮改造的效果進行了分析，NOX排放濃度降幅明顯，低氮改造效果顯著。

廣東某發電廠660 MW機組超超臨界機組于2011年投運。為了解決長時間運行導致的鍋爐NOX排放偏高、側墻高溫腐蝕、燃燒器區域結焦和部分燃燒器磨損、煙氣中飛灰含碳及CO排放濃度偏高等問題，進行了鍋爐燃燒器及燃燒風量改造，同時在改造后進行了風量調整、氧量調整的診斷試驗，以驗證改造的有效性。

1 鍋爐概況

該廠660 MW機組鍋爐為超超臨界參數、直流爐、對沖燃燒方式、固態排渣、單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、全鋼構架、全懸吊結構、Π型鍋爐，鍋爐設計參數見表1。

表1 鍋爐設計參數

2 燃盡風及燃燒器主體改造

2.1 燃燒器改造

原設計采用第一代OPCC旋流煤粉燃燒器，前后墻布置，組織對沖燃燒。本次燃燒器改造采用最新低NOX旋流燃燒器技術。燃燒器主要由一次風彎頭，一次風管，內二次風裝置，外二次風裝置（含調風器，調節機構），煤粉濃縮器，穩焰環，擴錐、燃燒器殼體等零部件組成。改造后將原始燃燒器中調風器改為采用中心直流風外加外周定向旋流風結構，使未燃盡的碳和煙氣被旋流風圈在爐膛中央，防止燃燒器結焦及高溫腐蝕。

2.2 燃盡風改造

為了強化鍋爐高度方向的深度燃燒，達到降低NOX的目的，在原來設計的OFA（燃盡風）上層新增加1層布置相同的直流OFA（前/后墻各6只）；重新設計并增大了燃盡風量，使OFA風量達到鍋爐風量的19%左右，改造前后OFA分布如圖1所示。

3 燃燒風量優化試驗及分析

3.1 氧量調平試驗

為了掌握機組的運行現狀，保持總風量為2 300 t/h，燃燒器、燃盡風全開，調整層風門開度如表2所示，測試運行氧量、飛灰含碳量及NOX排放量。

圖1 改造前后OFA布置

表2 層風門開度%

在脫硝入口處選取8個煙氣取樣口，進行測試，利用煙氣分析儀分析煙氣成分如表3所示。

表3 常用工況試驗數據

由表3可知在鍋爐運行過程中，爐寬氧量分布呈現出爐膛中間氧量高，兩側墻氧量低的規律，同時測得CO排放量偏高。為了提升靠近兩側墻煙氣含氧量，使整體氧量分布更加均衡，降低CO，調整上層OFA直流風偏轉角及下層OFA旋流風和直流風等擋板，調整后燃盡風風門開度如表4所示。

表4 燃盡風擋板開度

調整擋板后在脫硝入口處選取8個煙氣取樣口，進行氧量分布測試，調整前后測試結果如圖2所示。從鍋爐爐膛出口所測煙氣成分及圖2中可以看出，調整OFA就地擋板后，兩側氧量略有提高，爐膛寬度分布較調平前均勻。這是因為調整開度和偏轉角后，減少OFA出口扭轉殘余風量并能降低NOX排放量[13]；鍋爐排放煙氣中的CO大幅下降，從535 mg/L下降至225 mg/L。雖然整體CO不高，但在氧量較低的爐膛兩側CO含量相對較高。

圖2 OFA調整前后爐膛方向氧量分布對比

3.2 上層OFA對NOX排放影響

將氧量調平后，在660 MW負荷下對機組進行變風量（上層OFA）分析試驗。上層OFA風箱擋板從30%逐漸升至100%，測試得鍋爐爐膛出口煙氣成分及飛灰化驗結果如圖3所示。

圖3 660 MW負荷下變OFA試驗

由圖3可見，上層OFA風箱擋板開大后，NOX排放量（以下均換算為標況值）從259.3 mg/m3先升后降至240.7 mg/m3，因為增加燃盡風使得主燃區氧濃度降低，還原性氛圍增強，但受上層OFA風量增幅限制，總的降幅不大[8，14]。上層OFA風箱擋板開度增加后，上層OFA風箱風壓更大，其克服上層OFA由于安裝差異產生的阻力偏差能力更強，使氧量更加均勻，CO含量及飛灰含碳量有所下降。此外，CO下降也與試驗過程氧量略高有關。

3.3 下層OFA對NOX排放影響

在660 MW負荷下，其余參數不變。調整下層OFA風箱擋板從100%關至50%，再從50%關至30%，分析爐膛出口煙氣成分及飛灰化驗結果，發現下層OFA風箱擋板關小后，NOX排放量從260 mg/m3升至280 mg/m3左右，CO含量及飛灰含碳量上升。這是因為下層OFA關小后，下層OFA風箱風壓變小，使得差異化配風的效果不好。另外，OFA風量下降后，OFA穿透和混合能力變差，也是導致CO上升的因素。

3.4 外二次風對NOX排放影響

在660 MW負荷下進行變風量（外二次風）分析試驗，燃燒器的外二次風風門擋板從30°開至75°后，測得鍋爐爐膛出口測量煙氣成分及飛灰化驗結果如圖4所示。燃燒器外二次風風門開大后，NOX下降，從273.8 mg/m3下降至232.1 mg/m3，燃燒器外二次風旋流強度減弱有利于控制NOX的排放[15，16]。燃燒器外二次風風門擋板開度增大后，CO含量變化不大，飛灰含碳量降低，主要是由于較高的二次風量有利于碳燃盡。

3.5 氧量對NOX排放影響

從之前的試驗可以看出，氧量對燃燒的影響不容忽略。因此，在660 MW負荷下對機組進行變氧量經濟性分析試驗。控制氧量（脫硝系統入口氧量）為2.1%，2.5%，3.1%，3.7%，4.0%，4.4%，得到的鍋爐效率及NOX排放量如圖5所示。

圖4 660 MW負荷下變二次風試驗

圖5 變氧量試驗

由圖5可以看出，在氧量升至3.1%之前，鍋爐效率持續升高，但是超過3.1%之后，鍋爐效率呈下降趨勢，整個過程鍋爐效率先升后降。因為在氧量升至3.1%之前，隨著氧量的升高，未燃盡的碳含量減少，不完全燃燒熱損失減少，而排煙熱損失隨煙氣量增大而增加。但排煙損失增加的幅度遠小于不完全燃燒熱損失減少的幅度，鍋爐效率整體呈上升趨勢。隨著氧量的繼續增加，此時煤粉燃燒完全，不完全燃燒熱損失減少的幅度遠小于排煙熱損失增加的幅度，鍋爐效率呈下降趨勢[18]。在氧量較低時，由于爐內火焰中心偏高，隨著氧量增加，火焰中心下移，氧量降低；在運行氧量超過3.1%，NOX排放逐漸增加，主要是由于氧量升高使得主燃燒器區域熱力型和燃燒型NOX的生成量大大增加[3，19]。在氧量為3.1%時，鍋爐效率最高且NOX排放量接近最低，因此在660 MW負荷下，保持脫硝進口氧量在3.1%可以保證鍋爐運行狀態最佳。

3.6 煤粉細度對NOX排放影響

在660 MW負荷下對機組進行煤粉分析試驗，在磨煤機差壓限制范圍內調整磨煤機分離器開度。其余參數不變，通過改變磨煤機分離擋板開度來調整煤粉細度（煤粉細度R75取26.5%，30.7%，35.2%，40.5%，43.2%），測得煤粉細度對NOX以及飛灰的影響如圖6所示。由圖6可見，隨著煤粉細度的增加，固體不完全燃燒熱損失逐漸增加，鍋爐效率由93.1%下降至91.4%。這是因為煤粉細度的增加，煤粉越粗，使得煤粉著火難度增加，在煤粉爐內停留時間不變的情況下，煤粉燃盡程度低，導致鍋爐損失升高，鍋爐效率降低。同時隨著煤粉變粗[20]，鍋爐內燃燒強度減弱，NOX排放有所降低，從296 mg/m3下降至245 mg/m3左右。

圖6 660 MW下的煤粉細度分析試驗

4 結論

針對660 MW機組NOX排放量偏高的問題，進行低氮改造和運行優化調整，在額定運行工況下分別針對氧量、風量及煤粉細度進行優化試驗，得到以下結論：

（1）經過燃燒器及燃燒配風改造后，機組在660 MW負荷下燃用設計煤種時可將NOX排放控制在240～280 mg/m3，燃盡狀況較好，飛灰含碳量可控制在1.2%以下。

（2）在660 MW負荷下對機組進行變風量經濟性分析試驗，上層燃盡風風箱擋板從30%逐漸升至100%，NOX排放從259.3 mg/m3先升后降至240.7 mg/m3，CO含量及飛灰含碳量有所下降；下層燃盡風風箱擋板從100%關至30%，NOX排放有所上升，從260 mg/m3升至280 mg/m3左右；燃燒器外二次風風門由30°開至75°后，NOX下降，CO含量變化不大，飛灰含碳量降低。

（3）在機組負荷660 MW時，保持脫硝進口氧量在3.1%左右，機組運行鍋爐效率保持在最高，且NOX排放最低；通過調整磨煤機分離器開度使煤粉變細，有利于爐內煤粉燃燒，降低飛灰含碳量和大渣含碳量，使得鍋爐效率提高。

[1]楊勇平，楊志平，徐鋼，等.中國火力發電能耗狀況及展望[J].中國電機工程學報，2013，32（23）∶1-11.

[2]焦慶豐，朱光明，李明，等.我國火電廠能耗現狀及節能潛力分析[J].湖南電力，2008，28（1）∶20-23.

[3]李鈞，閻維平，李春燕，等.基于數值計算的煤粉鍋爐NOX釋放規律研究[J].中國電機工程學報，2009，29（23）∶13-19.

[4]楊建國，胡勁逸，趙虹，等.660 MW超超臨界機組運行方式對SCR系統氨逃逸率的影響[J].動力工程學報，2015，35（6）∶476-480.

[5]秦建柱.超臨界350 MW機組鍋爐排煙溫度偏高原因分析及技術改造[J].熱力發電，2011，40（6）∶49-51.

[6]盧紅書.300 MW機組鍋爐燃燒系統低氮改造與效果分析[J].浙江電力，2015，34（1）∶37-40.

[7]應明良，戴成峰，胡偉鋒，等.600 MW機組對沖燃燒低氮改造及運行調整[J].中國電力，2011，44（4）∶55-58.

[8]關濤，彭志剛.鍋爐燃燒器低NOX改造效果分析[J].電站系統工程，2010，26（2）∶31-33.

[9]焦林生，薛曉壘，金理鵬.600 MW機組低氮燃燒器改造效果分析[J].科技視界，2013（36）∶340-342.

[10]盧紅書.300 MW機組鍋爐燃燒系統低氮改造與效果分析[J].浙江電力，2015，34（1）∶37-40.

[11]章良利，李敏，趙敏，等.對沖燃燒鍋爐低氮燃燒器改造后煤種適應性試驗研究[J].浙江電力，2016，35（11）∶37-41.

[12]王世宏.600 MW機組鍋爐低氮燃燒器改造試驗研究[J].科技資訊，2013，11（22）∶148-149.

[13]遆曙光，陳智超，蔣炳坤，等.多次分級中心給粉旋流煤粉高效低氮氧化物燃燒技術[J].機械工程學報，2015，51（12）∶146-152.

[14]陳輝，馬曉斌，陳連軍，等.超臨界660 MW機組W型火焰鍋爐設計特點及其運行特性分析[J].熱力發電，2013，42（7）∶6-11.

[15]徐采松，胡瓅元，羅永浩.外二次風旋流數對燃燒室內湍流燃燒與NOX生成的影響[J].工業加熱，2009，38（3）∶12-15.

[16]周昊，童匯源，孫平，等.600 MW鍋爐偏轉二次風系統爐內流動和NOX排放特性[J].中國電機工程學報，2000，20（11）∶68-71.

[17]朱安鈺.某660 MW超超臨界鍋爐運行優化試驗研究[D].北京：華北電力大學，2014.

[18]王學棟，欒濤，程林，等.鍋爐燃燒調整對NOX排放和鍋爐效率影響的試驗研究[J].動力工程學報，2008，28（1）∶19-23.

[19]劉忠，閻維平，高正陽，等.超細煤粉的細度對再燃還原NO的影響[J].中國電機工程學報，2003，23（10）∶204-208.

（本文編輯：陸 瑩）

Analysis on NOXAdjustment Test of 660 MW Ultra-supercritical Boiler Operation

GAO Jianqiang1，CHEN Yuanjin1，YUAN Hongwei2，LI Debo3
（1.North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China；2.Guangdong Red Bay Power Generation Co.，Ltd.，Shanwei Guangdong 516600，China；3.Electric Power Science Research Institute of Guangdong Power Grid Co.，Ltd.，Guangzhou 510080，China）

∶Boiler operation condition has a significant impact on NOXemission and boiler efficiency.The low nitrogen transformation process of 660 MW ultra-supercritical boiler in a power plant in Guangdong Province is taken as the study object to discuss the effect of fineness of pulverized coal，oxygen and air distribution on boiler operation.The experimental result shows that the well-distributed oxygen can be ensured by air adjustment in the furnace with the boiler load of 660 MW；maximum operation efficiency of boiler and minimum NOXemission can be obtained with inlet oxygen content of the denitrification system is 3.1%.Increase the upper and lower over-fired air and outer secondary air can reduce the NOXemissions.

∶ultra-supercritical boiler；boiler efficiency；oxygen content；NOXemission

.201704009

1007-1881（2017）04-0035-05

TK227.1

B

2016-11-09

高建強（1966），男，教授，研究方向為富氧燃燒理論及電站鍋爐仿真模擬等。