分级配风对切圆锅炉NOx生成与燃烧经济性的影响

姚瑶，吕当振，邱应军

(1.华电郑州机械设计研究院有限公司，河南郑州450015；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

分级配风对切圆锅炉NOx生成与燃烧经济性的影响

姚瑶1，吕当振2，邱应军2

(1.华电郑州机械设计研究院有限公司，河南郑州450015；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

针对燃用劣质混煤的300 MW四角切圆燃烧锅炉，通过低氮燃烧系统改造与增设燃尽风 (SOFA)相结合的方式，用于降低氮氧化物 (NOx)排放浓度。通过三种劣质混煤的实炉燃烧试验获得了SOFA风率，三次风投、退，缩腰配风方式对NOx排放浓度与锅炉燃烧经济性的影响规律。试验结果表明，随着SOFA风率增加，锅炉热效率随之下降，而NOx排放浓度呈现出先下降后上升的趋势；制粉系统三次风退出时，NOx排放浓度明显降低，而飞灰含碳量有所升高；此外通过优化缩腰配风，有助于提高锅炉热效率和降低NOx生成浓度，从而实现低氮燃烧的同时，兼顾锅炉燃烧经济性。

四角切圆锅炉；燃尽风；三次风；NOx排放

随着社会经济的快速发展，国内发电装机容量也在不断增大，根据最新统计数据，2014年，全国发电设备总容量达13.6亿kW，其中火电装机为9.16亿kW，占比达67%左右，电力在给社会带来便利的同时，也排放着大量的污染物，其中作为大气主要污染物之一的氮氧化物排放问题尤为突出。为更好的保护环境，国家环保部于2012年1月颁布实施了 《火电厂大气污染物排放标准》，氮氧化物 (以NO2计)排放浓度控制在100～200 mg/Nm3(对重点地区的火电机组始终控制在100 mg/Nm3)，为了适应新环保排放标准，燃煤电厂进行了大规模的低氮燃烧系统改造的研究与应用工作〔1－5〕。

目前随着低氮燃烧研究的深入，发现煤粉燃烧过程中还原性气氛对NOx的生成有显著地抑制作用〔6－7〕，由此通过增设紧凑型燃尽风OFA、分离型燃尽风SOFA，并结合低氮燃烧器改造，用于控制与调整主燃烧区域过量空气系数 (或燃烧器区域局部过量空气系数)，使煤粉处于富燃料条件下燃烧，此方法已成为目前锅炉低氮燃烧系统改造的主要方向〔8－15〕。

为满足新的环保排放标准，同时兼顾锅炉燃烧经济性的双重要求，对某电厂300 MW亚临界机组低NOx燃烧系统改造后的四角切圆锅炉进行低氮燃烧调整试验，研究锅炉分级配风对降低NOx排放的影响，重点研究不同负荷下燃尽风开度 (即调整主燃烧区域过量空气系数)，三次风投、退，以及缩腰配风方式对NOx排放浓度与锅炉燃烧经济性的影响，从而确定出不同负荷下最优配风方案，在保证锅炉燃烧经济性的前提下，最大限度地降低NOx排放。

1 锅炉概况

该锅炉系哈尔滨锅炉厂引进美国CE公司技术生产的300 MW亚临界参数，一次中间再热，单汽包自然循环，固态排渣煤粉炉，主要设计参数如表1所示。锅炉设计为单炉膛、Π型布置、平衡通风，采用中间仓储式热风送粉，四角切圆燃烧方式。低氮改造后的燃烧系统共布置五层一次风喷嘴，其中A，B，E层为宽调节比上、下浓淡燃烧器；C，D层为直流煤粉燃烧器，在顶层燃烧器上方依次安装了两层三次风喷口、两层紧凑燃尽风(OFA1，2)喷口，为满足低氮燃烧运行需要，在炉膛上部增设四层分离型燃尽风 (SOFA1，2，3，4)喷口。

表1 MCR工况下锅炉主要设计参数

2 试验结果与分析

试验期间入炉煤为劣质贫煤与烟煤的混烧，为了试验数据的可比性，保证同组试验期间煤质稳定，具体为:满负荷以及75%负荷SOFA调整试验、缩腰配风试验期间采用煤质T－01；三次风投、退试验期间采用煤质T－02；60%负荷SOFA调整试验采用煤质T－03。煤质特性见表2所示。

表2 试验期间混煤元素分析及发热量

2.1 炉内冷态空气动力场试验

为了提高锅炉燃烧稳定性与经济性，为锅炉分级配风低氮燃烧调整提供良好基础，热态运行前进行了全炉膛冷态空气动力场试验。重点对同层一次风喷口风速进行了调平，同时根据相似理论，对一、二次风混投后的空气动力场进行了测量。试验结果表明:一次风调平前1，4号角风速普遍偏高；2，3号角风速偏低，这表现出了风管阻力特性差异。通过调整一次风粉管缩孔开度，实现了同层燃烧器出口一次风调平，调平后风速偏差控制在5%以内，具体结果见表3。一次风调平后，按缩腰配风方式，模拟热态运行工况，对炉内冷态流场进行测量与飘带示踪。如图1所示，试验结果表明:炉膛充满度较好，气流中心无偏斜。

表3 冷态空气动力场一次风速调平试验

图1 一、二次风混投时炉内空气动力场

2.2 锅炉分级配风对NOx排放与燃烧经济性的影响

2.2.1 缩腰配风方式对NOx排放与燃烧经济性的影响

在锅炉满负荷与炉膛出口氧量基本一致的前提下，对比研究了不同缩腰配风方式对NOx排放浓度与锅炉燃烧经济性的影响。如表4所示，在总体缩腰配风原则不变的前提下，适当增大整体风门开度，以及底部与最上层紧凑型OFA风门开度，二次风箱差压随之降低，这将有助于提高锅炉燃烧经济性，同时也有利于降低主燃烧区域NOx生成浓度。如图2所示，优化缩腰配风方式下，NOx排放浓度降低32 mg/Nm3，锅炉效率提高0.49%。

表4 缩腰配风方式下二次风门开度

图2 缩腰配风方式对NOx排放与锅炉燃烧经济性的影响

2.2.2 SOFA燃尽风开度对NOx排放与锅炉燃烧经济性的影响

在锅炉满负荷时，维持炉膛出口氧含量3.3%左右，通过调节四层燃尽风门开度 (调节主燃烧区域的过量空气系数)，研究燃尽风率变化对NOx排放浓度与锅炉燃烧经济性的影响。如图3所示，随着燃尽风门开度逐渐增大，主燃烧区域过量空气系数逐渐降低，飞灰含碳量升高，锅炉燃烧经济性随之下降，而NOx排放浓度呈现出先下降后升高的趋势。仔细分析燃尽风门由小到大逐渐开启的过程中NOx变化特征，锅炉主燃烧区域燃烧特性经历了2个不同过程:首先，当燃尽风门从全关到打开下两层燃尽风SOFA1，2的过程中，主燃烧区域过量空气系数从先前的1.25(常规运行时主燃区过量空气系数)逐渐降低到1.0以下，在此过程中，主燃烧器区域燃烧减弱，局部出现还原性气氛，从而抑制了燃烧初期的燃料氮向NOx转化过程，同时燃烧中心温度降低也减小了热力型NOx的生成速率，两者共同实现了炉膛出口低NOx排放。与此同时，由于主燃烧区域过量空气系数降低以及炉膛平均燃烧温度降低，也造成了飞灰含碳量有一个升高的过程，最终表现为锅炉燃烧经济性下降。其次，当燃尽风门继续开启，直至 SOFA1，2，3，4全部开启，主燃烧区域过量空气系数进一步降低，造成燃烧器区域局部出现较为严重的缺氧燃烧现象，煤粉不完全燃烧加剧，虽然此时强还原气氛抑制了NOx的生成，但同时大量的未燃尽煤粉颗粒在炉膛上部区域剧烈燃烧，提高了该区域的NOx生成量，最终造成炉膛出口NOx排放浓度升高。此外，炉膛不完全燃烧造成的飞灰含碳量升高，锅炉燃烧经济性降低。

图3 满负荷时燃尽风开度对NOx排放与锅炉燃烧经济性的影响

从图3可知，在进行低氮燃烧调整过程中，虽然可以通过调节SOFA开度，达到降低炉膛出口NOx排放浓度的目的，但当主燃烧区域的过量空气系数过低时，不仅显著降低锅炉燃烧经济性，而且还原性气氛易造成灰熔点降低，引起锅炉严重结焦以及水冷壁的还原性腐蚀等。就目前研究结果表明，最佳主燃烧区域过量空气系数受炉型、燃烧器类型、燃尽风位置、入炉煤质以及运行习惯等多种因素影响，因此在实际调整过程中，应注意平衡低氮排放与锅炉燃烧经济性之间的关系。

2.2.3 三次风投、退对NOx排放与锅炉燃烧经济性的影响

中间仓储式制粉系统中设计有三次风 (约占总风量的20%)，其对锅炉燃烧经济性与稳定性有着显著影响。与此同时，对于低氮燃烧系统改造与低氮燃烧调整而言，三次风的设计位置与风速大小对实现稳定低氮经济燃烧也十分重要。因此考察了投运与退出三次风对锅炉NOx排放浓度与燃烧经济性的影响。如图4所示，携带着低浓度超细煤粉的气流从三次风喷口送入炉膛燃烧，由于该三次风喷口位于紧凑型燃尽风下方，并紧挨着最上层燃烧器喷口，与三次风投入运行时比较，当三次风退出时 (为了维持二次风箱差压不变，开启一层SOFA)，在炉内形成了一个明显的分级燃烧，从而扩大了上部炉膛还原区域高度 (三次风至SOFA之间)，有效延长了已生成的NOx的还原时间，使得已生成的NOx还原成N2的比例提高，最终减少了炉膛出口的NOx排放浓度，三次风投运时NOx排放浓度502 mg/Nm3，退出时 NOx排放浓度仅为398 mg/Nm3，NOx排放浓度降低约 21%。此外，由于燃尽风更靠近炉膛出口，缩短了未燃尽碳的燃烧时间，因此飞灰含碳量有所升高，锅炉燃烧经济性略有降低。

图4 三次风投、退对NOx排放与锅炉燃烧经济性的影响

2.2.4 低负荷时SOFA燃尽风开度对NOx排放与锅炉燃烧经济性的影响

如图5所示，在锅炉带75%负荷时，维持炉膛出口氧含量3.9%左右，随着SOFA开度的增大，NOx排放浓度降低，飞灰含碳量略有变化，而此时锅炉热效率基本维持不变。从试验结果来看，75%负荷时，可采取逐步开大燃尽风门，用于控制NOx排放浓度，但当开启两层SOFA1，2之后，若继续开启SOFA3，4时，二次风箱差压下降明显，二次风喷口风速降低，使得一、二次风中后期掺混减弱，对锅炉燃烧经济性不利，因此在低氮燃烧调整过程中，75%负荷时不建议继续开启SOFA3，4层燃尽风。

图5 75%负荷时燃尽风开度对NOx排放与锅炉燃烧经济性的影响

如图6所示，在锅炉60%负荷时，维持炉膛出口氧含量5.7%左右，随着SOFA开度的增大，飞灰含碳量逐渐增大，锅炉热效率略有降低，但NOx排放浓度呈现出先降低后升高的趋势。分析其原因，当开启SOFA1时，主燃烧区域过量空气系数降低，局部还原性气氛抑制了NOx生成与排放；当继续开启SOFA2时，主燃烧区域过量空气系数继续降低，会造成大量未燃尽碳在炉膛上部燃烧，导致NOx生成浓度升高，具体原因在上节已经做了详细阐述。结合试验结果来看，在60%负荷时不建议开启SOFA2，3，4层燃尽风。

图6 60%负荷时燃尽风开度对NOx排放与锅炉燃烧经济性的影响

3 结论

1)在总体缩腰配风原则不变的前提下，适当增大整体风门开度，以及底部与最上层紧凑型OFA风门开度，从而维持合适的二次风箱差压，将有助于提高锅炉燃烧经济性和降低主燃烧区域NOx生成浓度。

2)在分级配风过程中，随着SOFA开度的增加，主燃烧区域过量空气系数逐渐降低，飞灰含碳量升高，而NOx排放浓度呈现出先下降后升高的趋势，此时主燃烧区域燃烧特性将经历2个过程:首先，在主燃烧区域过量空气系数逐渐降低的过程中，主燃烧器区域燃烧减弱，局部呈现出还原性气氛，从而抑制了燃烧初期的燃料氮向NOx的转化，同时燃烧中心温度降低也降低了热力型NOx的生成速率，两者共同促进了炉膛出口低NOx排放。其次，随着主燃烧区域过量空气系数进一步降低，造成燃烧器区域局部出现较为严重的缺氧燃烧，煤粉不完全燃烧加剧，虽然强还原气氛能够抑制NOx的生成，但同时大量的未燃尽煤粉颗粒在炉膛上部区域剧烈燃烧，反而提高了该区域的NOx生成量，最终使得炉膛出口NOx排放浓度升高。

3)当三次风退出时，在炉内形成了一个明显的分级燃烧，从而有效扩大了上部炉膛还原区域高度 (三次风至SOFA之间)，延长了NOx的还原时间，提高了已生成的NOx还原成N2的比例，但由于燃尽风更靠近炉膛出口，缩短了未燃尽碳的燃烧时间，导致飞灰含碳量有所升高，锅炉燃烧经济性略有下降。

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Effects of air staging combustion for a tangential-fired boiler on NOxemission and boiler efficiency

YAO Yao1，LYU Dangzhen2，QIU Yingjun2
(1.Huadian Zhengzhou Mechanical Design Institute CO.，Ltd.，Zhengzhou 450015，China；2 State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In order to reduce the NOxemission during the low-quality blended coal combustion，a novel technique combining an additional separated over fire air(SOFA)and boiler combustion system retrofit was carried out in a 300 MW tangential-fired boiler.Through three low-quality blended coals firing experiments，the impacts of SOFA，the tertiary-air and shrinked-middle wind on NOxemission and boiler efficiency were obtained.The results indicated that with the increase of air damper opening degree of SOFA，the NOxemission firstly decreased and then increased，while the boiler efficiency decreased.Meanwhile，by comparison with using the tertiary-air，the NOxemission reduced rapidly，but the unburned carbon slowly increased without the tertiary-air.Furthermore，the proper shrinked-middle wind could not only improve the coal combustion efficiency，but also reduce the NOxemission.Hence，air staging combustion adjustment should obtain a proper point for both the low NOxemission and the optimal boiler efficiency.

tangential-fired boiler；separated over fire air；tertiary-air；NOxemission

TK227.1

B

1008-0198(2015)06-0027-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.007

姚瑶(1977)，女，河南郑州人，工程师，研究生，从事电力技术咨询及服务工作。

2015-05-08