300 MW鍋爐燃燒系統優化與NOx生成的影響研究

摘要：為使鍋爐燃燒實現既節能又環保，研究了各種燃燒工況變化對鍋爐熱效率和NOx生成量的影響，以某300 MW等級亞臨界W型火焰鍋爐為研究對象，通過鍋爐燃燒調整得到運行試驗數據。結果表明，SCR入口NOx平均濃度和熱效率隨鍋爐運行氧量的提高都呈現升高的趨勢；隨著燃盡風門的逐步關小，SCR入口平均NOx濃度增加，但熱效率先增后降低；同負荷下，開4臺磨煤機相比開3臺磨煤機熱效率高，但SCR入口NOx濃度也偏高；拱上下風門的調整均會增加NOx生成量，在一定范圍內，增加拱下風門開度可保障鍋爐熱效率不低于設計值。

關鍵詞：工業鍋爐；燃燒調整；配風；控制NOx；保障熱效率

中圖分類號：TQ534文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0129-05

Research on the impact of 300 MW boiler combustion system optimization and NOx generation

GAO Jiyao，ZHAO Wenxia

（Hebei University of Science and technology，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：In order to achieve both energy saving and environmental protection in boiler combustion，the influence of various combustion conditions on boiler thermal efficiency and NOx generation was studied.A 300 MW subcritical W-type flame boiler was taken as the research object，and the operation test data were obtained through boiler combustion adjustment.The results showed that the average concentration of NOx and thermal efficiency of SCR inlet increased with the increase of boiler oxygen.With the gradual closing of the burn-out damper，the average NOx concentration at the SCR inlet increased，but the thermal efficiency increased first and then decreased.Under the same load，the thermal efficiency of running four mills was higher than that of running three mills，but the NOx concentration of SCR inlet was also higher.The adjustment of the arch damper increased the amount of NOx generation.Within a certain range，increasing the opening of the arch damper could ensure that the boiler thermal efficiency is not lower than the design value.

Keywords：industrial boilers；combustion adjustment；wind distribution；nox control；guaranteed thermal efficiency

鍋爐高效燃燒是用戶所追求的目標，但基于高效燃燒的“3T原則”，必然會產生大量的NOx及偏高的排煙溫度，高效燃燒與低氮燃燒是互相矛盾的[1-2]，因此需要在二者間進行尋優來找到最佳點，以使鍋爐燃燒實現既節能又環保。如對440 t/h循環流化床鍋爐做了NOx超低排放研究，可大幅降低NOx[3-4]。利用MATLAB研究了PID和CPSO此2種噴氨量控制優化的優劣，發現CPSO控制法可更精準地控制噴氨量[5]。用數值模擬的方式研究了NOx的反應速率，通過控制NOx的生成速率來控制生成量[6]。研究了偏心旋流二次風燃燒技術比深度空氣分級技術可降低NOx排放濃度42%以上，熱效率可提高3.3%[7]。“W”型火焰鍋爐的爐膛結構按無煙煤的燃燒特性來設計，爐膛內溫度水平較對沖燃燒爐、四角切圓燃燒鍋爐高，故高溫型NOx的生成量高于后兩者[8-10]。研究選擇某300 MW亞臨界、“W”型火焰燃煤鍋爐為研究對象，尋求在節能與環保二者間尋優的技術方法，試驗結果可以為調整同類型鍋爐提供借鑒。

1試驗方法

某電廠配備東方鍋爐廠制造的亞臨界壓力、“W”型火焰燃煤鍋爐。出現NOx偏高，熱效率低的問題，需進行一系列的熱態試驗來進行摸底，深度挖掘鍋爐潛能。

1.1制粉系統優化調整試驗

1.1.1一次風速測量及熱態調平試驗

風速偏差對爐內空氣動力場和溫度場均有較大的影響，不利于NOx的減排[11]。根據各磨煤機出口一次風管風速測量情況，對一次風管出口可調縮孔進行調整，以達到減小熱態風速偏差的目的，為燃燒調整試驗提供良好條件。

1.1.2煤粉分配特性試驗

對每臺磨煤機出口6根粉管煤粉分配狀況進行測試，為燃燒優化診斷試驗提供基礎數據。

1.1.3試驗數據來源說明

試驗主要依據電力行業標準《電站磨煤機及制粉系統性能試驗》（DL/T 467—2004）進行，各主要參數測量方法簡述如下。

（1）磨煤機風量：從表盤上直接讀取經過標定的磨煤機入口風量測量裝置的讀數。

（2）粉管風量：按式（1）計算：

式中：Phd表示粉管風壓；ρ表示氣流密度；kkbi表示標定的該粉管靠背管系數。

（3）磨煤機出力：按照電子稱重式給煤機在表盤上的讀數獲得或給煤機標定后計算而得。

（4）其他參數：如磨煤機進、出口溫度、熱風門開度、冷風門開度和一次風機電流等直接由表盤獲得。

1.2燃燒系統優化調整試驗

1.2.1氧量調整試驗

二次風量主要影響鍋爐燃燒的經濟性[12]。在熱效率方面分析，二次風的大小主要影響的是排煙熱損失和固體未完全燃燒熱損失，需要調整最佳風量在二者間尋優，確定氧量的最優值。

1.2.2燃盡風調整試驗

燃盡風有利于促進未燃盡碳的燃燒，但過量會提高排煙熱損失，需要調整最佳風量在二者間尋優。

1.2.3磨煤機運行組合方式調整試驗

不同的磨煤機對應不同的火焰中心，火焰中心偏高或偏低都會影響運行，通過試驗調整磨煤機最優方式運行。

1.2.4拱上、拱下風配風方式調整試驗

基于低氮燃燒原理，主燃區采用低氧燃燒，但過低會導致不完全燃燒損失增加。燃燒器所在的拱處布置有上、下二次風，需要調整最佳風量在二者間尋優。

1.2.5試驗數據來源說明

（1）煙氣成分及排煙溫度。在空氣預熱器進口、出口兩側煙道上采用矩陣式采樣裝置。

（2）飛灰取樣。采集飛灰樣品，每個工況采集2次；在排渣口接取爐渣樣品，每個工況采集2次。

（3）鍋爐熱效率計算。鍋爐機組熱平衡是指鍋爐機組輸入熱量與輸出熱量之間的平衡[13]，計算熱效率，反平衡法相比正平衡法更能直接反映出鍋爐的換熱性能[14-15]，本試驗中，采用反平衡法計算鍋爐熱效率（η），按式（2）計算：

式中：Q2為1 kg煤的排煙損失熱量；Q3為1 kg煤的氣體未完全燃燒損失熱量；Q4為1 kg煤的固體未完全燃燒損失熱量；Q5為1 kg煤的散熱損失熱量；Q6為1 kg煤的灰渣物理損失熱量；Qr為1 kg煤引入的熱量；q2為排煙熱損失；q3為氣體未完全燃燒熱損失；q4為固體未完全燃燒熱損失；q5為散熱損失；q6為灰渣物理熱損失。

鍋爐的各項熱損失中，q2和q4是最主要的兩項，q5按式（3）計算：

2實驗結果與分析

2.1調整氧量對熱效率及NOx生成量的影響

2.1.1滿負荷（300 MW）調整氧量試驗

將空氣預熱器入口氧量調整為3個工況，分別為工況1（2.99%）、工況2（3.74%）和工況3（4.35%），運行試驗結果如圖1所示。

由圖1可以看出，q4損失和q2損失隨著空氣預熱器入口平均氧量增加后，呈現出相反的變化，前者降低，后者升高，但熱效率提高。在空氣預熱器入口平均氧量為4.35%時，熱效率最高，為90.93%。但從具體數值來看，總體熱效率隨運行氧量的變化幅度很小。此外，SCR入口平均NOx質量濃度也隨著空氣預熱器入口氧量的提高而增加，當入口平均氧量為4.35%時，NOx質量濃度已達到較高的937 mg/Nm3。

2.1.2 80%負荷（240 MW）調整氧量試驗

將空氣預熱器入口氧量調整為3個工況，分別為工況4（3.65%）、工況5（4.28%）和工況6（4.60%），試驗結果如圖2所示。

由圖2可以看出，整體和滿負荷時相似，鍋爐總體熱效率隨運行氧量的變化幅度很小，q4損失隨著空氣預熱器入口平均氧量的提高減少，而鍋爐排煙q2損失增加，熱效率提高。在空氣預熱器入口平均氧量為4.60%時，熱效率最高為92.29%。SCR變化情況與“3.1.1”結果相似，在空氣預熱器入口平均氧量為4.60%時，NOx質量濃度已達到較高的776 mg/Nm3。

2.1.3 60%負荷（180 MW）調整氧量試驗

將空氣預熱器入口氧量調整為3個工況，分別為工況7（3.59%）、工況8（5.02%）和工況9（5.47%），試驗結果如圖3所示。

由圖3可以看出，低負荷下鍋爐q2、q4損失和熱效率及NOx隨運行氧量的變化規律與中高負荷時基本相同。在空氣預熱器入口平均氧量為5.47%時，熱效率最高為91.93%；在入口平均氧量為5.47%時，NOx質量濃度已達到較高的582 mg/Nm3。

圖4為各負荷段SCR入口NOx平均質量濃度隨空氣預熱器入口氧量的變化情況。

由圖4可以看到，隨鍋爐負荷、空氣預熱器入口氧量的提高都會增大SCR入口NOx平均質量濃度，且中高負荷、高氧量運行時，SCR入口NOx平均質量濃度在800 mg/Nm3甚至更高。

綜合以上分析，將根據試驗結果確定的氧量曲線與鍋爐低氮改造后設計的氧量曲線繪制于圖5。

對比圖5中2條曲線可以看出，中高負荷下，試驗結果確定的運行氧量均低于設計氧量，這主要是考慮到中高負荷試驗氧量下SCR入口NOx濃度已較高。由于目前空氣預熱器存在較為嚴重的硫酸氫銨堵塞問題，較高的SCR入口NOx濃度必然導致噴氨量增大，進而加劇空氣預熱器堵塞的風險。

圖6為各負荷段鍋爐熱效率隨隨空氣預熱器入口氧量的變化情況。

由圖6可以看到，3個負荷段的鍋爐熱效率隨空氣預熱器入口氧量的提高都呈現升高的趨勢，但最高熱效率為80%負荷（240 MW）段，當空氣預熱器入口平均氧量為4.60%時，鍋爐熱效率最高，為92.29%。且隨著空氣預熱器入口氧量的增加，80%負荷（240 MW）段相比滿負荷（300 MW）段與60%負荷（180 MW）段的熱效率變化不明顯。

2.2調整燃盡風對熱效率及NOx生成量的影響

燃盡風調整試驗在鍋爐300 MW負荷時進行，調整燃盡風風門開度分別為工況10（15%）、工況11（30%）和工況12（50%），試驗結果如圖7所示。

由圖7可以看出，q2損失隨著燃盡風門的逐步開大而減少，q4損失呈現先降后增的趨勢，熱效率呈現先增后降低的趨勢，當燃盡風門開度在30%時，鍋爐熱效率最高，為91.71%；SCR入口NOx平均質量濃度隨著燃盡風門的逐步開大呈現降低的趨勢，在燃盡風門開度為15%時，SCR入口NOx平均質量濃度已達到較高的782 mg/Nm3。經分析，燃盡風門在30%左右開度時最優。

2.3調整拱上、拱下風配風方式對熱效率及NOx生成量的影響

為充分比較各拱上、拱下風門開度組合對鍋爐經濟性和安全性的影響，進行了多種配風方式對比試驗。各工況配風情況如表1所示。

表2為各種配風方式的試驗結果。

由表2可以看出，不同配風方式下鍋熱效率差別較小，工況16的鍋熱效率相對較高，為91.95%；增大兩類風門均會導致NOx偏高，且拱下風門更明顯，工況17相比工況13的SCR入口NOx平均質量濃度高96 mg/Nm3，工況14相比工況13的SCR入口NOx平均質量濃度高69 mg/Nm3。

2.4調整磨煤機運行組合方式對熱效率及NOx生成量的影響

在240 MW負荷下，共進行了3種組合試驗，各組合及試驗結果如表3所示。

由表3可知，開4臺磨煤機相比開3臺磨的運行方式，熱效率能提高0.7%左右，但SCR入口NOx質量濃度會偏高22～87 mg/Nm3。

3結語

（1）SCR入口NOx平均濃度隨鍋爐負荷和鍋爐運行氧量的提高均呈現升高的趨勢，且中高負荷、高氧量運行時SCR入口NOx平均濃度更高。保持較高的運行氧量能在一定程度上降低固體不完全燃燒熱損失，但同時也增加了排煙損失，對配有低溫省煤器的鍋爐來說，也能有效利用煙氣余熱。在NOx不超標的前提下，鍋爐應保持相對較高的運行氧量；

（2）鍋爐熱效率隨空氣預熱器入口氧量的提高呈現升高的趨勢，但最高熱效率為80%負荷（240 MW）段。若不考慮發電量、用氣量等因素，經濟負荷可在80%負荷段附近；

（3）關小燃盡風門，SCR入口平均NOx濃度增加。燃盡風門開度在30%時熱效率較高，在熱效率與SCR入口NOx質量濃度間尋優，建議燃盡風門開度控制在30%左右；

（4）調整拱上、拱下風方式熱效率差別較小，在一定范圍內，增加拱下風門開度可提高鍋爐熱效率，建議在運行鍋爐時，拱下風門開度稍微大些；

（5）多磨機運行能提高熱效率，但會導致SCR入口NOx質量濃度增大，在NOx質量濃度不超標的前提下，建議多磨機運行。

【參考文獻】

[1]李景.基于低氮燃燒下的鍋爐配風方式優化研究[J].河南電力，2022，（S2）：15-19.

[2]王菁.燃煤鍋爐高效燃燒與低氮排放耦合技術研究[D].太原：山西大學，2017.

[3]李帥，劉廣武，回禹衡，等.440 t/h循環流化床鍋爐NOlt;subgt;xlt;/subgt;超低排放研究[J].中國資源綜合利用，2023（11）：153-155.

[4]程強，劉傳旺，段勝君.燃氣鍋爐低氮排放改造后優化設計及應用[J].工業鍋爐，2023（4）：24-27.

[5]肖軍.火電廠煙氣脫硝控制系統中的噴氨量優化建模與仿真[J].粘接，2022（7）：89-92.

[6]CHOI C R，CHANG N K.Numerical investigation on the flow，combustion and NOx emission characteristics in a 500MWe tangentially fired pulverized-coal boiler[J].Fuel，2009，88（9）：1720-1731.

[7]王青祥.二次風偏置旋流W火焰鍋爐氣固流動、燃燒及NOx生成研究[D].哈爾冰：哈爾濱工業大學，2020.

[8]劉海明，馬國紅，黃中柏.“W”火焰鍋爐燃燒與制粉系統設計特點及調試[J].湖北電力，2014，（4）：66-68

[9]馬王鵬.超臨界600 MW機組W火焰鍋爐的特點[J].華電技術，2009，31（5）：22-23.

[10]蔡宏.600 MW等級超臨界W形火焰鍋爐[J].裝備機械，2012（2）：19-23

[11]王戰鋒，吳東垠，李淑宏.一次風的風粉偏差對煙溫偏斜影響的試驗和理論研究[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2020，16（1）：17-24.

[12]金光哲，李葉盈，陳祿.1025T/H電站鍋爐氧量優化運行及經濟性分析[C]//第四屆火電行業化學（環保）專業技術交流會論文集.南京：全國電力技術市場協會，2013.698-703

[13]李露.基于神經網絡的火電機組性能在線監測研究[D].北京：華北電力大學，2013.

[14]王海紅，電站鍋爐熱效率計算探究[J].中國設備工程，2023，521（7）：258-261.

[15]王志永，許賀，朱慧敏，等.燃氣-蒸汽聯合循環機組余熱鍋爐熱效率計算模型對比分析[J].華電技術，2020，42（6）：47-51.

（責任編輯：平海，蘇幔）