超超臨界塔式鍋爐燃燒優化試驗研究

顧 偉

（徐州華潤電力有限公司，江蘇徐州 221000）

0 引言

隨著我國電力行業的飛速發展，燃煤鍋爐的發電容量不斷增大，在現階段超臨界與超超臨界大型高參數機組已經成為發電生產的主力軍[1]。與此同時，燃煤機組的運行方式決定了發電過程中不可避免地會產生大量污染物，對此國家也制定了新的環保標準。因此，如何在達到嚴格環保標準的基礎上不斷保持高參數機組的燃燒運行效率，成為目前燃煤發電行業亟需解決的重要問題。

針對大型高參數機組鍋爐的燃燒優化問題，許多學者通過數值模擬或者現場試驗的方式對其進行了研究。應明良等[2]以及袁宏偉等[3]對于600 MW 超臨界對沖燃燒鍋爐進行了低氮燃燒器的改造以及運行調整研究，有效降低了其NOx的排放濃度并優化了運行參數；鄒磊等[4]對于某1000 MW 超超臨界Π 型鍋爐進行了低氮燃燒技術改造并進行了性能優化試驗，能夠降低NOx排放濃度的同時兼顧減少CO 排放和飛灰含碳量導致的運行損失；張曉宇[5]對某600 MW 超臨界四角切圓燃燒鍋爐進行試驗數據分析，并采用數值模擬方法優化燃燒器工況。然而，以上學者對于1000 MW 超超臨界塔式鍋爐的燃燒優化研究較少，故當前此類型機組鍋爐的燃燒優化缺乏一定技術參考。

通過對某1000 MW 超超臨界塔式鍋爐開展燃燒優化試驗，考慮了運行氧量、配風方式、CCOFA（緊湊燃盡風）風門開度和SOFA（分離燃盡風）風門開度等運行參數對于鍋爐熱效率以及NOx排放濃度的影響，研究尋找出適合于超超臨界塔式鍋爐燃燒運行的優化參數。

1 設備簡介及存在問題

1.1 試驗對象

以某1000 MW 超超臨界直流塔式鍋爐為試驗研究對象，鍋爐型號為SG-3050/27.46-M53X，變壓運行、螺旋管圈，采用單爐膛塔式布置形式、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊構造、露天布置。采用6 臺ZGM133 中速輥式磨煤機、正壓直吹式制粉系統，5 臺磨運行帶鍋爐BMCR（鍋爐最大連續蒸發量）工況，1 臺磨備用。主要設計參數如表1。

表1 鍋爐主要設計參數

1.2 鍋爐燃燒存在問題

為了對對象鍋爐進行燃燒優化調整試驗，首先進行了1000 MW 負荷下的摸底試驗。在摸底試驗工況中，A 磨～F 磨運行，表盤運行氧量顯示為3.75%，SOFA 風門開度為95%，CCOFA 風門開度為85%，NOx排放濃度為271 mg/m3，排煙溫度為132.0 ℃，排煙熱損失為5.98%，底渣含碳量為0.5%，飛灰含碳量為1%，鍋爐熱效率為93.14%。

從摸底試驗中可以看出，對象鍋爐的燃燒情況并不理想，主要表現在：①NOx排放濃度較高，為271 mg/m3；②排煙溫度和排煙熱損失較高，均超過了設計值；③鍋爐效率不高，低于設計值93.77%。

因此，為提高機組的環保效益和經濟效益，對象鍋爐的燃燒過程需要進行優化。

2 試驗方法

針對以上對象鍋爐燃燒中存在的問題，筆者開展現場試驗，進行燃燒運行參數的調整與合理搭配，從而改善鍋爐的NOx排放濃度以及鍋爐熱效率，尋找出鍋爐燃燒優化運行方式。

根據與NOx排放濃度及鍋爐熱效率相關的鍋爐燃燒參數[6]，主要開展了變氧量、變配風方式、變CCOFA 風門開度、變SOFA 風門開度特性試驗。試驗過程嚴格遵從電廠熱工試驗規程[7-9]。

整理試驗數據，NOx計算公式結果修正依據文獻[10]進行，而鍋爐熱效率的計算方法依據標準ASME PTC4 執行。

3 試驗結果與分析

3.1 變氧量特性試驗

一般來說，鍋爐運行氧量調整的目標是使排煙熱損失q2、化學未完全燃燒熱損失q3、機械未完全燃燒熱損失q4三者之和較小的同時，也要保證較低的NOx濃度濃度和較高的安全運行水平。

變氧量試驗在對象鍋爐1000 MW 負荷下進行，維持主要運行參數穩定不變，分別控制運行氧量為2.5%、3.0%、3.5%。

試驗結果表明，隨著運行氧量的增加，排煙熱損失升高，分別為5.22%、5.28%、5.61%；飛灰可燃物含碳量為1.3%、1.1%、1.0%，底渣含碳量為1.7%、1.6%、0.5%，運行氧量低于3%時的灰渣含碳量較高。

如圖1 所示，運行氧量為2.5%、3.0%、3.5%時，鍋爐熱效率分別為93.63%、93.57%、93.31%，呈先緩后急的下降趨勢；NOx排放濃度呈顯著升高趨勢，分別為136 mg/m3、167 mg/m3、183 mg/m3。NOx排放濃度升高是由于運行氧量是由總風量來控制的，而總風量變化一般不改變各級燃燒空氣的比例，所以增加運行氧量也就增加了燃料型NOx的生成量，運行氧量的增加也會使燃燒區域的中心溫度增加，熱力型NOx生成量進而增加，因此總的NOx排放濃度隨運行氧量升高而顯著增加。

圖1 氧量對鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響

從試驗結果分析，低運行氧量運行下排煙熱損失較小，抵消了飛灰、爐渣含碳量升高帶來的負面影響，其鍋爐熱效率也較高。從風機電耗來看，送、引風機電流隨著運行氧量的降低呈下降趨勢。低運行氧量時送引風機電流較小時，輔機電耗也較小，但運行氧量過低容易在鍋爐水冷壁附近形成強烈的還原性環境[11]，加劇水冷壁高溫腐蝕，增加鍋爐運行風險。運行氧量過低也容易導致爐內還原性氣氛強烈，熔點較高的Fe2O3還原為熔點較低的FeO[12]，大大降低灰熔點，加重受熱面的結渣和積灰。

因此，綜合考慮鍋爐運行的安全性、經濟性和環保性，在1000 MW 負荷，應該將運行氧量控制在3.0%～3.2%。此時，NOx排放濃度在167 mg/m3左右，符合環保要求且能夠減少水冷壁高溫腐蝕影響。

3.2 變配風方式試驗

燃煤鍋爐的主要二次風配風方式有均布、束腰、鼓腰、正塔式、倒塔式等。其中均布配風能夠保證爐內熱負荷均勻且燃燒穩定，適用于燃燒穩定的大負荷工況；束腰配風有利于提高局部斷面熱負荷，適用于燃燒不穩定或小負荷燃燒；而正塔配風有利于煤粉和空氣充分混合，適用于多種工況[13]。但是不同方式的配風對鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響也不同，需要通過試驗來確定。

表2 試驗工況下二次風風門開度設置 %

表2 為試驗工況下二次風風門開度設置。試驗通過改變各燃燒器層直吹風、偏轉二次風風門開度來實現配風方式的改變。3 個試驗工況的配風方式依次為均布、束腰、正塔。試驗期間，維持負荷、蒸汽參數及磨煤機運行工況穩定，SOFA 風門開度均為70%，CCOFA 風門開度均為55%左右，運行氧量為3.0%，保持其他運行參數基本一致。

如圖2 所示，均布、束腰、正塔方式下的鍋爐熱效率分別為93.86%、93.62%、93.38%，NOx排放濃度分別為122 mg/m3、96 mg/m3、136 mg/m3。三種配風方式下，均布配風方式的鍋爐熱效率最高。正塔方式下NOx排放濃度最高，束腰配風方式下NOx排放濃度最低。從試驗結果分析，由于塔式切圓燃燒鍋爐主燃燒區高度較大，可以確保燃燒噴嘴之間有足夠的間距[14]，主燃燒區風量分配的改變對該區域內分級燃燒效果影響顯著，而本對象鍋爐的燃燒器設計又體現了較為突出的分級配風機理，因此，均布配風較為均勻的供風方式與燃燒器的分級配風進行了柔性對接，可以兼顧較好的鍋爐熱效率和較低的NOx排放濃度。

圖2 配風方式對鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響

因此，1000 MW 負荷下，建議采用均布配風方式。

3.3 變燃盡風量試驗

燃盡風的設計是為了實現空氣分級燃燒，抑制燃燒過程中的NOx的生成量，其中又分為緊湊燃盡風（CCOFA）和分離燃盡風（SOFA），兩者的風量對于空預器出口的CO 體積濃度、鍋爐熱效率、NOx排放濃度有重要影響[15]。

3.3.1 CCOFA 風門開度試驗

變緊湊燃盡風試驗期間，將CCOFA 風門開度由80%降低至65%。兩個工況下運行氧量控制在3.2%，SOFA 風門開度為95%，其余運行參數均保持基本一致。

如圖3 所示，CCOFA 風門開度80%和65%兩個工況下鍋爐熱效率分別為93.78%、93.54%，風門開度為80%時的鍋爐熱效率較高；CCOFA 風門開度為80%時NOx排放濃度為103 mg/m3，開度為65%時NOx排放濃度為126 mg/m3，CCOFA 風門開度減小NOx排放濃度上升。

圖3 CCOFA 對鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響

隨著CCOFA 風量的增加，鍋爐熱效率升高明顯，NOx排放濃度則下降顯著。主要原因是在此燃燒系統中CCOFA 位于主燃燒器區域，總風量不變時，CCOFA 風門開大，主燃燒器區域內運行氧量增加，燃燒加強，鍋爐熱效率提高。由于CCOFA 位于主燃燒器區域的上部，CCOFA 風量增加后，主燃燒器區域下部風量相對減少，該區域內分級燃燒效果加強，而CCOFA 又距離SOFA 風較遠，對SOFA 風的分級燃燒效果幾乎沒有減弱的影響，因此NOx排放濃度下降。

因此，1000 MW 負荷時CCOFA 風門開度應盡可能開大，宜設置在80%開度以上，有利于進一步提高鍋爐熱效率，并從一定程度上降低NOx 排放濃度。

3.3.2 SOFA 風門開度試驗

變SOFA 風門開度試驗共3 個工況，各工況SOFA 風門開度依次為各層100%、各層80%、上兩層50%其余層80%。試驗期間，維持負荷、蒸汽參數及磨煤機運行工況穩定，運行氧量控制在3.2%左右，保持其他運行參數基本一致。

如圖4 所示，SOFA 風門開度各層100%、各層80%、上兩層50%其余層80%三個工況的鍋爐熱效率分別為93.84%、93.32%、93.94%，NOx排放濃度分別為237 mg/m3、261 mg/m3、265 mg/m3。

SOFA 風門開度上兩層50%其余層80%時鍋爐熱效率最高，其次是各層100%。對于NOx排放濃度則是SOFA 風門開度越大，NOx排放濃度越低。

圖4 SOFA 對鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響

NOx排放濃度隨SOFA 風比例的增加而下降，原因是總風量不變時，SOFA 風量增加后，主燃燒區域風量相對減少，從而加強了爐內分級燃燒的效果，燃料型NOx的生成受到限制，鍋爐熱效率的變化則正好相反。

綜合考慮，SOFA 風可結合CCOFA 風門同步調整，在開大SOFA 風門的同時也應提高CCOFA 風量，從而兼顧鍋爐熱效率和NOx排放濃度的雙收益。1000 MW 負荷時，建議控制SOFA風門開度在80%以上。

3.4 1000 MW 負荷綜合優化試驗

根據上述變氧量、變配風方式、變CCOFA 風門開度、變SOFA 風門開度特性試驗結果，綜合調配試驗獲得的燃燒運行參數，對本文對象鍋爐進行1000 MW 負荷綜合優化試驗。優化工況中，控制運行氧量在3.2%左右，SOFA、CCOFA 風門開度分別設置在95%左右，采用均布配風方式，對于制粉系統則采取了開大熱風門關小冷風門操作。優化試驗和摸底試驗工況對比結果見表3。

表3 優化試驗和摸底試驗工況對比

通過優化，鍋爐熱效率為93.92%，較摸底工況熱效率提高0.78%，且超過了鍋爐設計熱效率；NOx排放濃度為216 mg/m3，較摸底工況下降55 mg/m3；排煙溫度為114.4 ℃，較摸底工況下降17.6 ℃，且小于鍋爐設計排煙溫度。

綜上所述，按照筆者開展的變氧量、變配風方式、變CCOFA 風門開度、變SOFA 風門開度特性試驗所提出的燃燒運行優化參數，所進行燃燒優化綜合試驗的結果好于鍋爐原先工況，NOx排放濃度和排煙溫度大幅下降，鍋爐熱效率顯著提高。

4 結論

（1）在1000 MW 負荷，將機組鍋爐運行氧量控制在3.0%～3.2%，此時的NOx排放濃度較低，能夠符合環保要求。

（2）對于本文對象鍋爐而言，均布配風方式的熱效率最高，正塔方式下NOx排放濃度最高，束腰配風方式下NOx排放濃度最低。總體來說，1000 MW 負荷下采用均布配風方式，可以兼顧鍋爐較好的熱效率、較低的NOx排放濃度。

（3）在1000 MW 負荷，將CCOFA 風門開度設置在80%～100%之間，SOFA 風門開度在80%以上，可保持較高的鍋爐熱效率和較低的NOx排放濃度。

（4）根據開展的運行氧量、配風方式、CCOFA 風門開度、SOFA 風門開度特性試驗所獲得燃燒運行優化參數，所進行的燃燒優化綜合試驗的結果好于鍋爐原先工況，NOx排放濃度和排煙溫度大幅下降，鍋爐熱效率顯著提高。因此，通過分析試驗數據提出的1000 MW 塔式爐燃燒運行參數能夠為該類型鍋爐的運行和設計提供試驗數據支撐。