1000MW超超臨界燃煤鍋爐低NOx燃燒優化試驗研究

宋華偉， 李允超， 李 凱， 張海珍， 李鵬輝

1000MW超超臨界燃煤鍋爐低NOx燃燒優化試驗研究

宋華偉， 李允超， 李 凱， 張海珍， 李鵬輝

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

為實現鍋爐低NOx燃燒優化，在某1000MW對沖燃燒的鍋爐省煤器出口水平段煙道建立試驗平臺。通過改變氧量、OFA擋板開度、二次風配風及燃燒器投運方式，研究不同工況下NOx生成特性。結果表明，氧量變化對爐膛火焰溫度的影響不大，燃料型NOx的生成是影響NOx排放量的主導因素，熱力型NOx的影響幾乎可以忽略。隨著OFA擋板開度增大，爐內火焰的平均溫度水平下降，省煤器出口NOx排放濃度下降，CO體積濃度上升。OFA全開時，NOx排放濃度雖然能控制在較低的水平，但CO體積濃度急劇上升，兼顧NOx排放濃度和鍋爐運行的經濟性，建議燃盡風風門擋板開度控制在80%左右。對比四種配風方式，正塔配風下煤粉燃盡率和爐內火焰的平均溫度水平最高，且NOx排放濃度不高，僅比束腰配風高3.57%。投運下層燃燒器比投運上層燃燒器NOx排放質量濃度降低了16.82%，減少上層燃燒器投運，有利于分級燃燒并抑制NOx的生成，也可在一定程度上降低爐膛出口煙氣溫度，對控制屏式受熱面的結焦有利。

對沖燃燒； 低NOx； 分級燃燒

0 引言

大氣中的NOx不僅污染環境，嚴重時還會危害人類健康。而燃煤電站鍋爐作為大氣NOx的重要來源之一，面對越來越嚴格的大氣污染物排放標準，爐外脫硝的運行成本日益攀升，因此積極探討爐內的低氮燃燒技術具有重要的意義。低NOx燃燒是目前實現爐內降NOx比較成熟的技術手段之一，可以將爐內NOx降低50%-80%[1]，極大的降低煙氣脫硝裝置的運行成本。鐘北京等[2]很早就研究了煤粉分級燃燒以實現爐內的低NOx排放，提出4級燃燒的組織原則。文獻[3-5]中空氣分級燃燒降低NOx的試驗表明，空氣分級燃燒可明顯降低NOx排放，且鍋爐結渣沒有顯著加強，但鍋爐熱效率會有所下降。POHL等[6]的NOx生成理論表明，低NOx燃燒會延遲二次風的補入，降低火焰中的氧濃度，形成一定的還原氛圍，從而降低爐內火焰溫度，抑制NOx的生成。這違背穩定著火、強化燃燒的原則，因此鍋爐燃燒優化調整中，要兼顧低NOx和燃燒的穩定性。肖海平等[7]在某300MW燃煤鍋爐上進行燃燒調整試驗結果表明，爐內的火焰溫度隨氧量變化不大，燃料型NOx的增加導致NOx排放量上升；束腰配風優于正塔配風和均勻配風。徐璁等[8]對配風方式的數值模擬研究表明適當提高燃盡風配風比例，可以降低主燃區過量空氣系數，增強還原性，另外補入的低溫燃盡風可以稀釋煙氣溫度和NOx體積分數。文獻[9]的實驗研究表明低揮發分煤粉在燃燒過程中氮氧化物的生成主要在燃燒初期，煤粉燃燒后期NOx生成基本停止。劉健全等[10]對某1000MW超超臨界對沖旋流燃燒鍋爐NOx生成特性進行數值模擬，發現同負荷下，投運下層燃燒器數量較多時NOx排放量明顯下降。李均等[11]在某300MW四角切圓燃燒煤粉爐上的數值模擬結果表明：高揮發分和含氮量高的煤，NOx生成濃度較高；煤粉細度高有利于降低NOx濃度；低負荷下，NOx排放濃度低；倒塔型配風有利于降低NOx生成。

下面以某1000MW超超臨界OPCC新型低NOx旋流煤粉燃燒器鍋爐為對象，研究了氧量、OFA擋板開度、二次風配風及燃燒器投運方式等因素的變化對NOx生成特性的影響，探究爐內低NOx燃燒的最佳運行參數，為機組的運行提供一定的依據。

1 試驗方法

1.1 設備簡介

鍋爐型號為DG3130/27.46-II2，超超臨界參數、單爐膛π型結構、對沖燃燒、干排渣、變壓直流爐。爐膛寬深為33973mm×15558mm，爐膛容積熱負荷78.86kW/m3，截面熱負荷4.59MW/m2，爐膛出口煙溫989℃。24只燃燒器分3層對稱布置在前、后墻上。燃燒器的上方共布置了2層燃盡風，一層側燃盡風，共4只，分布在前后墻四個角；另一層燃盡風，共16只，前后墻各8只。鍋爐二次風采用風箱配風，風箱又被分隔成幾層獨立的風室，每層燃燒器及燃盡風所需風量是通過調節安裝在風箱各層風室兩側入口處的風門擋板的開度來實現的。

圖1 旋流煤粉燃燒器簡圖

旋流煤粉燃燒器結構如圖1所示，煤粉燃燒器將燃燒用空氣分為同心的四股風，沿徑向從內到外分別為中心風、一次風、內二次風和外二次風，分階段噴入爐內，實現空氣的分級燃燒，抑制NOx的生成。一次風管中布置有煤粉濃縮器，濃縮器使煤粉氣流產生徑向分離。內二次風通道內布置有固定式軸向旋流器，葉片傾角60°，使經過的二次風產生旋轉，可通過手動調節套筒式內二次風門開度調節內二次風量。外二次風可通過調節切向布置的葉輪式風門擋板，得到適量的外二次風和外二次風旋流強度。

1.2 試驗方法

在省煤器出口水平段煙道搭設試驗平臺，鍋爐運行滿足試驗條件后，保持負荷穩定，采集原煤樣品，2h后開始試驗。采用T型熱電偶測量煙氣溫度，熱電偶為I級精度。采用Testo350煙氣分析儀測試省煤器出口煙氣中氧氣、NO和CO體積分數。試驗過程中飛灰和爐渣試樣每30min采集一次。采用便攜式紅外測溫儀通過不同位置處的觀火孔，測量爐內火焰溫度，前墻大屏區域分布有12個觀火孔，燃盡風區和三層燃燒器區，每層6個觀火孔，對稱分布在爐膛左右兩側墻上。對各參數的測量數據求平均值，將NOx濃度折算到標態6%氧量下，同一標高所測溫度的平均值表示該標高處的火焰平均溫度。試驗中煤質穩定，煤質特性分析見表1。比工況1上升了18.8%。

表2 不同氧量下的試驗結果

表1 煤質工業分析和元素分析表

對于燃煤鍋爐，煤燃燒過程中產生的NO x中燃料型NOx質量分數占70%-85%，熱力型NOx體積分數占15%-25%，很少一部分為快速型NOx。熱力型NOx來源于空氣中的氮，在高溫下氧化生成，與爐內火焰溫度密切相關。而燃料型NOx是燃料中的含氮化合物在燃燒中氧化生成，主要受氧濃度的影響。表2中燃燒器區域附近火焰溫度隨氧量的變化不明顯，說明NOx的生成主要與氧量有關，以燃料型NOx為主。煤粉在燃燒初期，煤中的含氮化合物熱解，釋放出一定量的中間產物NH3和HCN，與周圍的氧發生反應生成NO，反應過程如下：

HCN+O2→ NO+…；

NH3+O2→ NO+…。

NH3和HCN同時具有一定的還原性，當周圍還原性氣氛較強時，發生如下反應：

HCN+NO→ N2+…；

HCN→ NH3+…；

NH3+NO→ N2+…。

國外的一些研究[12-13]表明：NH3和HCN對NO的還原速率大于向NO的轉化速率，二者存在著競爭關系，與燃燒環境的氧濃度有關。因此適當降低氧量，增強反應區域的還原性氛圍，有利于NO還原生成分子N，抑制燃料型NO x的生成量。

不同氧量工況下爐內火焰平均溫度變化不大，熱力型NOx的生成對NOx排放的影響幾乎可以忽略。隨氧量的增加，燃料型NOx生成才是影響NOx排放濃度的主導因素。

另外在氧量較低時，省煤器出口CO的體積分數快速攀升，說明爐內煤粉燃燒不充分，不完全燃燒熱損失增加。因此在追求爐內低NOx燃燒效果的同時，要兼顧鍋爐運行的經濟性，運行氧量保持在2.2%整體效果比

2 試驗結果分析

2.1 氧量對NOx生成特性影響

試驗負荷穩定在1000MW，磨煤機投運ABCDE，上中下三層燃燒器對應的二次風擋板開度分別為50%、80%、80%，OFA擋板開度100%。不同氧量下的試驗結果見表2。

NOx排放濃度隨氧量的增大而增加。氧量2.0%時，NOx排放濃度288mg/m3，氧量2.2%，NOx排放濃度增加了6.3%，而煙氣中氧量增加到3.0%時，NOx排放濃度相較理想，以后討論NOx生成特性的影響因素，氧量均設定在2.2%。

2.2 OFA對NO x生成特性影響

試驗負荷穩定在1000MW，磨煤機投運ABCDE，上中下三層燃燒器二次風擋板開度分別為50%、80%、80%，鍋爐氧量保持在2.2%，調節燃盡風擋板開度在40%、60%、80%、100%，不同燃盡風擋板開度下爐內溫度、NOx排放質量濃度及CO體積濃度變化見表3。

表3 不同燃盡風擋板開度試驗結果

工況4燃盡風開度40%時，NOx排放濃度403mg/m3；工況6燃盡風開度80%時，NOx排放濃度相比工況4下降了21.34%，工況2燃盡風全開時，NOx排放濃度比工況6降低了5.99%，說明提高燃盡風量對降低NOx排放濃度，效果還是很明顯的。

圖2 不同OFA擋板開度下爐膛截面煙氣平均溫度沿爐膛高度分布

沿爐膛高度方向的煙氣平均溫度隨OFA擋板開度的變化如圖2所示。從圖中可以看出，隨著OFA擋板開度的增大，爐內火焰平均溫度逐漸下降。四種OFA擋板開度工況下，爐內溫度沿爐高方向的變化趨勢基本是一致的，即隨爐高增加快速上升，在標高40m上層燃燒器位置附近，爐內火焰平均溫度最高，說明爐內燃燒的火焰中心在該位置附近。隨著爐膛高度的上升，煙氣與周圍水冷壁等受熱面輻射傳熱量的增加，煙氣溫度開始下降。另外在OFA擋板全開的情況下，燃盡風區及屏區的煙氣溫度相比OFA開度80%的工況有所回升，這是由于在OFA擋板全開時，主燃區風量不足，煤粉燃燒不充分，未燃盡的焦炭在燃盡區的二次燃燒，使煙氣溫度在得到一定的回升。在一定的過量空氣系數下，燃盡風量比例的增大，會直接減少煤粉燃燒器區的二次風量，減緩煤粉顆粒與空氣充分混合，使煤粉顆粒在主燃燒區燃燒不完全，該區域火焰平均溫度下降，而熱力型NOx的生成對溫度的敏感度較高，從而也在一定程度上抑制了NOx的生成。

圖3為NOx排放質量濃度和CO體積濃度隨OFA擋板開度變化曲線。從圖中可以看出，NOx排放質量濃度隨燃盡風擋板開度增大而逐漸降低，而CO的體積濃度則隨OFA的增大而增加。文獻[14]研究還表明CO的存在能夠催化NOx與煤焦的還原反應。說明OFA擋板開度較大時，爐內還原性氛圍強，利于降低NOx排放濃度。燃盡風全開時，NOx排放濃度雖然能控制在較低的水平，但CO體積濃度急劇上升，爐內不完全燃燒熱損失較大，對鍋爐運行的經濟性帶來一定的影響。綜合考慮爐內CO、NOx的濃度分布情況，OFA擋板開度80%時，NOx排放濃度較低且CO的體積濃度不高。

圖3 不同工況NO x排放質量濃度和CO體積濃度變化曲線

2.3 二次風配風方式對NO x生成特性影響

為探究最優的二次風配風方式，試驗選擇了四種不同的二次風風門擋板開度組合，試驗期間負荷穩定在1000MW，省煤器出口氧量2.2%，各試驗工況的風門開度及試驗結果見表4。

表4 不同二次風配風方式試驗結果

均勻配風的NOx排放濃度356mg/m3，正塔配風的NOx排放濃度相比均勻配風下降了11.52%，而束腰配風煙氣中NOx排放濃度最低，下降了16.57%。至于倒塔配風，二次風風量沿爐膛高度方向呈“上大下小”的形態，一方面使得煤粉在爐內高溫區的停留時間縮短，另一方面燃燒器區域中、下層二次風量的減少，氧量不足引起煤粉燃燒不充分，火焰溫度低于其他三種配風方式。倒塔配風的NOx排放濃度雖比均勻配風稍低，但排煙中CO體積濃度是最高的，后面在對二次風配風方式的研究中不再考慮倒塔配風。

均勻配風的二次風分布沿爐高方向均勻無差，這與低NOx燃燒中空氣的分級燃燒不符。在煤粉燃燒初期，燃燒器區域補入充足的二次風，有利于提高煤粉顆粒燃盡，但也給燃料型NOx的大量生成創造了條件。

正塔配風中層和下層燃燒器的二次風大，上層燃燒器二次風和燃盡風較小。主燃區大量的二次風送入，能及時補充燃燒所需氧氣，同時對離析煤粉和未燃盡的焦炭產生一定的托舉作用，減小爐渣飛灰含碳量，利于煤粉燃盡。爐內還原性氛圍弱，必然會引起部分燃料型NOx的生成，另外正塔配風方式下燃燒器區域附近火焰平均溫度為1345℃，比其它幾種配風方式都要高，這給熱力型NOx生成創造了條件，使正塔配風下NOx排放濃度稍高于束腰配風。

束腰配風的二次風分布“兩頭大、中間小”，中間的上層和中層燃燒器的二次風較小，兩頭的下層燃燒器二次風和燃盡風較大。束腰配風可以降低燃燒器區域附近的氧量，抑制燃料型NOx的生成，另外燃盡風全開，能及時補充空氣，提高煤粉的燃盡率，同時混入的冷空氣也能一定程度上抑制熱力型NOx生成，但未燃盡的煤粉在燃盡風全開時也不能完全燃燒，所以束腰配風下的未完全燃燒熱損失高于正塔配風。

對比四種配風方式，正塔配風下煤粉燃盡率和爐內火焰的平均溫度水平最高，但NOx排放濃度不大，說明合理的二次風配風和爐內氧量分布能取得較低的NOx排放濃度和較高的鍋爐效率。

2.4 不同燃燒器投運方式對NOx生成特性影響

試驗選取連續三天的800MW負荷，通過切換磨煤機，進行了三種不同的燃燒器投運組合方式的對比試驗。工況16為停運上層燃燒器CF，工況17為停運中層燃燒器BE，工況18為停運下層燃燒器AD。試驗期間維持燃盡風、二次風風門擋板和運行氧量不變，試驗結果見表5。

表5 不同燃燒器投運方式試驗結果

工況16停運上層燃燒器時，燃燒器區域下部煤粉多，煤粉在爐內燃燒的停留時間較長，燃燒充分。工況16主燃燒區爐膛火焰平均溫度要高于其他兩種工況。而在燃盡風區域，工況18的爐膛截面平均煙氣溫度高于工況16和工況17，其主要原因是煤粉的投入變為燃燒器上層和中層，煤粉燃燒熱量的釋放從爐膛下部改變為爐膛中部釋放。工況16的NOx排放質量濃度最低，與工況18相比，NOx排放質量濃度從243mg/m3降低至202mg/m3，降低了41mg/m3，相對降低幅度為16.82%。這是由于停運上層燃燒器延長了煤粉停留在還原氛圍中的時間，沿爐高方向的空氣分級較明顯，有利于分級燃燒并抑制NOx的生成[15-16]。煤粉停留時間的差異也影響了煤粉的燃盡，工況16燃燒器運行方式下，煤粉燃盡度最高，飛灰爐渣含碳量最低。與工況18相比，飛灰含碳量降低了28.26%。另外工況16-工況18屏區煙氣溫度分別為1059℃、1062℃和1078℃，這意味著停運上層燃燒器可以在一定程度上降低爐膛出口煙氣溫度，對控制屏式換熱面的結焦有利。

考慮到三種不同燃燒器運行方式下的爐膛出口煙氣溫度、NOx的排放質量濃度及鍋爐的未完全燃燒熱損失，中低負荷時在燃燒情況和設備運行條件允許情況下，可以減少上層燃燒器投運，這也有利于分級燃燒并抑制NOx的生成。

3 結語

目前國內在低NOx煤粉燃燒器、高效催化劑等方面的研究較多，也比較成熟，但對爐內燃燒方面的運行經驗尚存在不足，為降低NOx排放濃度，大都采用多噴氨或尿素的運行手段，造成氨逃逸超標、下游空預器堵塞嚴重等問題。本文通過調整氧量、OFA擋板開度、二次風配風及燃燒器投運方式，研究了爐內NOx的生成特性。通過優化調整，爐內燃燒特性得到明顯改善，在保證低NOx燃燒的同時，鍋爐熱損失不增大，為國內百萬超超臨界機組提供一定的運行經驗和技術支撐。

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Experimental Study on Low NOx Combustion Optimization of 1000MW Ultra-supercritical Coal-fired Boiler

SONG Hua-wei， LI Yun-chao， LI Kai， ZHANG Hai-zhen， LI Peng-hui

（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

An experiment platform was built on a 1000MW boiler in opposed firing pattern for low-NOx combustion optimization.The formation characteristics of NOx in different working conditions were studied by changing the oxygen concentration，air damper position of over-fired air（OFA），the distribution of second-air and combinations of burners.The results indicated that the effect of different oxygen concentrations on temperature of flue gas in furnace was very small.The formation of fuel-NOx was the leading factor of increasing NOx emission，and the effect of thermal-NOx was almost negligible.With OFA increasing，average temperature of flame in furnace and NOx emission decreased，CO volume concentration increased.When the damper position of OFA was at 100%，the NOx emission could be controlled at a low level，but the CO volume concentration rapidly became greater.Considering NOx emission concentration and economy of boiler，OFA could be controlled at around 80%.Comparing the four types of air distribution mode，pulverized coal burning rate and the average temperature of the flame in the furnace the highest level in the pagoda-shaped air distributiontype，and NOx emission concentration was not high，only 3.57%higher than the waist-shaped air distribution.The experiments also confirmed that NOx emission decreased 16.82%under the lower burner operation mode compared with the upper burner operation mode.Reducing the operation of the upper burner could inhibit the formation of NOx through pulverized coal staging combustion，and control the coking of platen super-heater by reducing furnace outlet flue gas temperature in a certain extent.

opposed firing； low NOx； staging combustion

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.005

TM621

B

2095-3429（2017）04-0023-06

宋華偉（1987-），男，河南商水人，助理工程師，研究方向：燃煤電廠鍋爐燃燒運行優化。

2017-04-14

修回日期：2017-05-27