660 MW超超臨界鍋爐NOx排放特性試驗(yàn)研究

路通暢，韓寶庚，程 林，劉 磊，朱安鈺

(華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 巢湖 2 38000)

660 MW超超臨界鍋爐NOx排放特性試驗(yàn)研究

路通暢，韓寶庚，程 林，劉 磊，朱安鈺

(華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 巢湖 2 38000)

通過對(duì)某電廠660MW超超臨界鍋爐的研究，在改變鍋爐負(fù)荷、運(yùn)行氧量、SOFA風(fēng)量和配風(fēng)方式等情況下，測(cè)定鍋爐脫硝入口處NOx排放濃度，分析燃燒調(diào)整對(duì)NOx排放的影響。通過研究表明:在額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，氧量3.0%時(shí)，NOx排放最低;中負(fù)荷500MW運(yùn)行時(shí)，氧量3.3%時(shí)，NOx排放最低。燃燒試驗(yàn)煤種時(shí)，當(dāng)煤粉細(xì)度R90降低到25%時(shí)，NOx排放降低了4.2%;降低一次風(fēng)量可以使NOx的排放降低;在額定負(fù)荷下，縮腰型配風(fēng)方式NOx排放最低。

超超臨界;運(yùn)行氧量;NOx排放;一次風(fēng)量

0 引言

氮氧化物不但對(duì)環(huán)境造成破壞，還對(duì)人類健康造成傷害［1，2］。自20世紀(jì)80年代，國(guó)外許多國(guó)家為控制NOx排放采取措施［3］;近年來國(guó)內(nèi)環(huán)境問題日益惡化，為了降低氮氧化物對(duì)環(huán)境的污染，不斷修訂大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。降低火電廠NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)。而超超臨界機(jī)組具有效率高、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)［4，5］，必將成為燃煤機(jī)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(shí)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(guān);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(guān)系;三是快速型，這部分占NOx總量相對(duì)較少［8］。通過研究NOx生成機(jī)理，控制煤粉合理的燃燒，可以有效降低NOx的排放。

1 設(shè)備簡(jiǎn)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(chǎn)，一次中間再熱、單爐膛、露天布置、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、Π型超超臨界鍋爐。

鍋爐配有6臺(tái)HP1003/Dyn型中速磨煤機(jī)，采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)磨煤機(jī)有4個(gè)煤粉出口，每個(gè)煤粉出口接到同一層四角煤粉燃燒器，在爐膛形成順時(shí)針切圓燃燒。一次風(fēng)射線中心與前墻水冷壁夾角為41°，二次風(fēng)噴口具有一個(gè)直吹式噴口和兩個(gè)偏置風(fēng)噴口，二次風(fēng)偏置風(fēng)射線中心與一次風(fēng)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(fēng)和5層SOFA燃燒器噴嘴，設(shè)計(jì)緊湊燃盡風(fēng)占二次風(fēng)比例10%，SOFA風(fēng)占二次風(fēng)比例為30%。

1.2 試驗(yàn)燃煤成分

試驗(yàn)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(jī)磨制神混煤，D磨煤機(jī)磨制澳洲煤，煤質(zhì)特性如表1所示。

表1 試驗(yàn)燃煤的成分分析

2 試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

本鍋爐具有脫硝裝置，在脫硝入口進(jìn)行煙氣成分分析 (氧量、CO、NOx)，每15 min測(cè)量一次，并在空預(yù)器出口進(jìn)行煙氣測(cè)量 (氧量、CO、NOx)和排煙溫度測(cè)量，每15 min分析一次。具體方式是:調(diào)整試驗(yàn)負(fù)荷，先對(duì)設(shè)備每一測(cè)孔進(jìn)行煙氣分析，通過對(duì)煙氣分析結(jié)果，選取測(cè)孔代表點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，然后通過網(wǎng)格測(cè)量法進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，試驗(yàn)時(shí)通過真空泵抽取煙氣，用煙氣分析儀進(jìn)行測(cè)量分析。

(2)試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況分有2個(gè)負(fù)荷 (660 MW，500 MW)、3種SOFA風(fēng)擋板開度、7個(gè)氧量點(diǎn) (額定負(fù)荷測(cè)量4個(gè)氧量點(diǎn)，中負(fù)荷500 MW測(cè)量3個(gè)氧量點(diǎn))、2個(gè)一次風(fēng)量，3種煤粉細(xì)度和4種配風(fēng)方式，共計(jì)19個(gè)工況點(diǎn)。

(3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

煤質(zhì)數(shù)據(jù)和NOx測(cè)量數(shù)據(jù)均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算分析;排煙氧量與排煙溫度按算術(shù)平均值進(jìn)行計(jì)算;鍋爐效率采用反平衡方法計(jì)算。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 運(yùn)行氧量對(duì)NOx排放影響

運(yùn)行氧量對(duì)爐膛溫度也有較大的影響，爐膛溫度對(duì)NOx也有較大的影響，試驗(yàn)時(shí)采用高溫儀對(duì)爐膛進(jìn)行了溫度測(cè)量，綜合分析對(duì)NOx生成的影響。變氧量在660 MW和500 MW兩個(gè)負(fù)荷下進(jìn)行。在機(jī)組660 MW負(fù)荷下，爐膛溫度與NOx排放變化趨勢(shì)如圖1所示。從圖1a中可以看出，在氧量4.3%運(yùn)行時(shí)，在爐膛30～40 m處主燃燒器區(qū)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(qū)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(yùn)行時(shí)，燃盡風(fēng)區(qū)爐膛溫度最低，而此時(shí)SOFA風(fēng)更類似一股冷卻風(fēng)，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(shí)，NOx排放達(dá)到了最低。當(dāng)氧量降低到2.4%時(shí)，大量煤粉在主燃燒器區(qū)沒有充分燃燒，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到燃盡風(fēng)區(qū)域時(shí)，遇到大量氧量，煤粉得到充分燃燒，NOx生成有所增加，同時(shí)燃盡風(fēng)區(qū)溫度也較高。可以看出，由于燃盡風(fēng)占二次風(fēng)比例較大，氧量過大過小都會(huì)使得燃盡風(fēng)的作用減弱。

圖1 660 MW負(fù)荷下變氧量試驗(yàn)結(jié)果

在中負(fù)荷500 MW下，爐膛溫度及NOx的生成變化趨勢(shì)如圖2所示。通過圖2a可以看出，運(yùn)行氧量在5.0%時(shí)，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(yùn)行時(shí)，NOx排放量最大，主要原因是由于氧量較大?？梢钥闯?，雖然爐膛整體溫度相對(duì)較低，熱力型NOx的生成減少，而燃料型NOx生成量增加。試驗(yàn)結(jié)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(duì)于大型燃煤鍋爐，相對(duì)爐膛溫度，氧量對(duì)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(shì)與之相反。

圖2 500MW負(fù)荷下變氧量試驗(yàn)結(jié)果

3.2 SOFA風(fēng)對(duì)NOx排放影響

燃盡風(fēng)技術(shù)是減少NOx的排放比較有效的方法，其中燃盡風(fēng)率是燃盡風(fēng)技術(shù)降低NOx排放的關(guān)鍵因素［9，10］，二本鍋爐設(shè)計(jì)燃盡風(fēng)占二次風(fēng)的40%，占二次風(fēng)較大比例，通過調(diào)整SOFA風(fēng)擋板開度，對(duì)鍋爐的燃燒具有較大的影響。在額定660 MW負(fù)荷下，氧量維持在3.0%左右進(jìn)行，緊湊燃盡風(fēng)全開，控制5層SOFA風(fēng)門擋板開度為65%，75%和80%。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，SOFA風(fēng)擋板開度從65%增大到75%時(shí)，NOx變化不大;當(dāng)增大到80%，NOx排放有大幅度降低。主要原因是當(dāng)增大SOFA風(fēng)時(shí)，主燃燒區(qū)氧量濃度降低，使得NOx的生成降低。可以得出，在開度為80%時(shí)，此時(shí)主燃燒區(qū)域與燃盡風(fēng)區(qū)域NOx生成的總量達(dá)到了最小，從降低NOx的排放來講，燃盡風(fēng)控制在80%。

圖3 變SOFA風(fēng)門開度試驗(yàn)結(jié)果

3.3 配風(fēng)方式對(duì)NOx排放影響

配風(fēng)方式通過改變二次風(fēng)風(fēng)門開度方式來調(diào)整鍋爐的燃燒。試驗(yàn)時(shí)控制負(fù)荷在660 MW，運(yùn)行氧量調(diào)整到3.0%左右，5層SOFA風(fēng)門開度控制在75%，二次風(fēng)門分別調(diào)整為均等、倒塔、正塔、縮腰4種配風(fēng)形式，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。可以看出，倒塔配風(fēng)，均勻配風(fēng)和正塔配風(fēng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)NOx排放影響較小，而縮腰配風(fēng)運(yùn)行時(shí)，NOx的排放最低，這是因?yàn)榭s腰型配風(fēng)是通過減少中間及下層二次風(fēng)的進(jìn)風(fēng)量，使得主燃燒區(qū)域的氧濃度相對(duì)較低，從而減少NOx的生成。

圖4 變配風(fēng)方式試驗(yàn)結(jié)果

3.4 一次風(fēng)量對(duì)NOx排放影響

一次風(fēng)量提供煤粉初期燃燒所需要的氧量，其對(duì)NOx的生成也有一定的影響。在額定負(fù)荷660 MW下，運(yùn)行氧量維持在3.0%左右，磨煤機(jī)一次風(fēng)管風(fēng)量控制在110 t/h和85 t/h，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。通過圖可以看出，當(dāng)一次風(fēng)量減少時(shí)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(fēng)量運(yùn)行時(shí)，NOx的生成減小，主要原因是當(dāng)一次風(fēng)量減少時(shí)，使煤粉燃燒初期煤粉揮發(fā)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(fēng)量試驗(yàn)結(jié)果

3.5 煤粉細(xì)度對(duì)NOx排放的影響

試驗(yàn)是在額定660 MW負(fù)荷下進(jìn)行，通過改變磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速來調(diào)整煤粉細(xì)度的。總風(fēng)量控制在1 700 t/h，分離器轉(zhuǎn)速分別控制在600 r/min，700 r/min，800 r/min;試驗(yàn)結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，分離器轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min降低到700 r/min時(shí)，對(duì)NOx排放基本沒有影響。當(dāng)700 r/min增大到800 r/min時(shí)，煤粉細(xì)度才有所降低。主要原因是在細(xì)顆粒與超細(xì)顆粒燃燒時(shí)，由于煤粉顆粒較細(xì)，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(qiáng)，使NOx生成降低，根據(jù)文獻(xiàn) ［11］可知只有煤粉細(xì)度達(dá)到一個(gè)界值時(shí)，繼續(xù)降低煤粉細(xì)度NOx才會(huì)降低。對(duì)于高揮發(fā)份神華煤種，在分離器轉(zhuǎn)速達(dá)到 800 r/min時(shí)，NOx的排放降低了4.2%。

表2 變煤粉細(xì)度試驗(yàn)結(jié)果

3.6 控制NOx排放對(duì)鍋爐效率的影響

從NOx生成機(jī)理來講，減少NOx生成就是降低爐膛溫度和氧量，這些對(duì)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(jī)制的經(jīng)濟(jì)性。但是可以根據(jù)燃燒器的特點(diǎn)，通過燃燒調(diào)整，達(dá)到降低NOx的生成而且不影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

以變氧量和變SOFA風(fēng)擋板開度為例，在機(jī)組660MW負(fù)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(duì)比

通過表3可以看出，在變氧量試驗(yàn)中，鍋爐效率的變化趨勢(shì)和NOx的變化趨勢(shì)相反。在運(yùn)行氧量為3.0%時(shí)，鍋爐效率最高，NOx排放達(dá)到了最低。調(diào)整SOFA風(fēng)大小試驗(yàn)可以看出，在開度為80%時(shí)，NOx排放最低，此時(shí)鍋爐效率也是最高?？梢缘贸?，對(duì)于大容量機(jī)組鍋爐，采用較大比例的燃盡風(fēng)時(shí)，可以很好地調(diào)節(jié)NOx的生成，并且機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性不會(huì)降低。

4 結(jié)論

(1)氧量對(duì)NOx的排放有較大的影響。當(dāng)燃燒試驗(yàn)煤種時(shí)，負(fù)荷660MW在運(yùn)行氧量為3.0%，NOx排放最低;中負(fù)荷500MW時(shí)，運(yùn)行氧量3.3%，NOx排放最低。

(2)在額定負(fù)荷運(yùn)行下，縮腰配風(fēng)燃燒方式NOx的排放最低。

(3)一次風(fēng)量越大，NOx生成越大，在額定負(fù)荷運(yùn)行下，當(dāng)一次風(fēng)管風(fēng)量從110 t/h降低到85 t/h時(shí)，NOx降低了13.3%。

(4)在額定負(fù)荷下，燃燒試驗(yàn)煤種時(shí)，當(dāng)煤粉細(xì)度 R90減低到 25%時(shí)，NOx排放降低了4.2%。

(5)對(duì)于大容量鍋爐，采用較大燃盡風(fēng)比例燃燒方式，可以更好地控制NOx的排放，并且對(duì)鍋爐效率影響較小，對(duì)大型鍋爐燃盡風(fēng)設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

［1］曹紅加，唐必光，許紅波．煤粉濃度燃燒方式對(duì)電站鍋爐NOx排放影響的試驗(yàn)研究 ［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(8):229－232．

［2］Maric D，Burrows J P．Formation of N2O in the photolysis/photoexcitation of NO，N2O and air［J］．Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry，1992，66(3):291－312．

［3］盛青，武雪芳，李曉倩，等．中美歐燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的比較 ［J］．環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，1(6):512－516．

［4］蔣敏華，黃斌．燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展展望 ［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(29):1－8．

［5］張振宇，姚晨光．我國(guó)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)及發(fā)展［J］．沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，7(1):29－32．

［6］龐永梅，王晉權(quán)，郭建，等．空氣分級(jí)燃燒降低鍋爐NOx排放控制技術(shù) ［J］．電力科學(xué)與工程，2007，23(4):46－49．

［7］吳碧君．燃燒過程中氮氧化物的生成機(jī)理 ［J］．電力環(huán)境保護(hù)，2003，19(4):9－12．

［8］呂玉坤，彭鑫．300MW燃煤鍋爐NOx排放特性試驗(yàn)研究［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37(5):78－82．

［9］高正陽，崔偉春，楊毅櫟，等．燃盡風(fēng)率變化對(duì)電站鍋爐NOx排放特性影響的數(shù)值模擬［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，36(1):64－68．

［10］王春昌．燃煤鍋爐新三區(qū)低NOx燃燒技術(shù)的研究探討［J］．熱力發(fā)電，2005，34(4):l－7．

［11］金晶，李瑞陽，陳占軍，等．煤粉粒度對(duì)煤粉燃燒NOx排放特性影響的試驗(yàn)研究 ［J］．熱力發(fā)電，2004，33(9):16－18．

［12］韓賓．四角切圓燃燒控制NOx排放 ［J］．鍋爐技術(shù)，1996，(9):15－19．

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(huán)境污染控制方面的研究，E-mail:zhuanyu．love@163．com。