660MW超临界锅炉降低NOx排放的控制措施

赵晓鹏　张玉平

（1.宁夏京能宁东发电有限责任公司，宁夏　灵武　750400；2.北京京能新能源公司宁夏分公司，宁夏　灵武　750400）

660MW超临界锅炉降低NOx排放的控制措施

赵晓鹏1张玉平2

（1.宁夏京能宁东发电有限责任公司，宁夏灵武750400；2.北京京能新能源公司宁夏分公司，宁夏灵武750400）

目前，随着国内对NOx排放的控制指标日趋严格，根据国家三部委下发的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》的通知，锅炉氮氧化物排放浓度不高于50mg/Nm3。在火力发电厂中，利用超临界机组节能、经济、环保的优势，采用有效的NOx排放控制措施，为机组争取较多的利用小时数，提高机组的发电利润，是发电企业势在必行的途径。

超临界锅炉；NOx排放；控制措施

1　氮氧化物NOx的生成机理

氮氧化物NOx是燃煤电厂烟气排放三大有害物（SO2、NOx、总悬浮颗粒物TSP）之一。从污染角度考虑，氮氧化物主要是NO和NO2，统称为NOx。在绝大多数燃烧方式下，主要成分是NO，约占NOx的90%之多，NO在空气中又会迅速转化为NO2［1］。

煤粉燃烧过程中，NOx的产生机理一般分为3种。第一种是热力型NOx。燃烧时空气中的氮在高温下氧化产生。研究表明，当温度＜1 350℃时，NO的生成量很少，随着温度的上升，热力型NOx生成量呈指数上升趋势，当温度达1 500℃以上时，温度每增加100℃，反应速率增大6～7倍，热力型NOx占NOx生成总量的25%～30%。第二种是快速型NOx。由氮氢基同分子氮发生反应以及随后原子氮又与氢氧基相互作用而形成的，在一般的燃烧装置中其生成量很少，约占5%，与温度的关系不大。第三种是燃料型NOx。由燃料中氮化合物在燃烧中转换而成。燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600～800℃时就会生成燃料型NOx，在煤粉燃烧NOx产物中占60%～80%。燃料型NOx的反应机理较热力型复杂的多，2种形态的氮氧化物HCN、NH3以不同的反应途径生成NO，同时伴随NO还原为N2的反应。HCN氧化为NCO后，有2条反应途径，取决于反应条件。在氧化性气氛中，NCO会进一步氧化生成NO；而在还原气氛中，NCO会反应生成NHi。NHi基在氧化气氛中会进一步氧化生成NO，成为NO的生成源；同时，又能与已生成的NO进行还原反应，使NO还原为N2。

2　影响氮氧化物NOx生成的主要因素

2.1煤种特性

如煤的含氮量、挥发分含量、燃料比FC/V以及氧氮比O/N等。在相同条件下，煤的含氮量越高，NOx的生成量就越大；煤的挥发分升高，挥发分中烃（CH）成分对NO的还原反应增强，生成NO浓度的相对值降低。

2.2燃烧温度

热力型NOx的生成受燃烧温度影响巨大，根据试验，燃烧温度1 350℃以上时，才会大量生成，且随温度的升高，NOx生成量呈指数上升趋势。理论上，应尽可能降低燃烧温度，但一般锅炉炉内燃烧温度不低于1 350℃；且人为降低锅炉燃烧温度，造成锅炉稳定性和经济性下降，得不偿失。

2.3炉内反应气氛

即烟气中O2、N2、NO和CHi的含量。炉内O2浓度越高，NOx的生成越容易，而降低炉膛氧量会使炉内燃烧区长期处于还原性气氛中，引起灰熔点降低导致炉膛壁面结渣或引起管壁高温腐蚀等问题。燃烧器区域空气系数与NOx排放浓度变化关系如图1所示。

图1　燃烧器区域空气系数与NOx排放浓度变化关系

2.4燃料与燃烧产物在火焰高温区和炉膛内的停留时间

理论上燃料与燃烧产物在高温区及炉内停留的时间越短越好，但时间过短会影响煤粉的燃尽，经济性、安全性会受到一定的影响。

3　炉内脱硝途径

抑制NOx生成和促进NOx还原的途径见图2。

4　设备概况

宁东发电公司2×660MW锅炉型号为HG-2210/25.4-YM16，为哈尔滨锅炉厂制造的超临界锅炉。一次中间再热、超临界压力变压运行，采用不带循环泵的大气扩容式启动系统的直流锅炉，单炉膛，平衡通风，固态排渣，全钢架，全悬吊结构，π型布置紧身封闭。采用中速磨直吹式制粉系统，煤粉细度R90=18%。锅炉采用墙式切圆燃烧方式，燃烧器型式为水平浓淡分离直流燃烧器，主燃烧器布置在水冷壁的四面墙上，每层4只燃烧器对应1台磨煤机。SOFA燃烧器布置在主燃烧器区上方的水冷壁的四角，以实现分级燃烧降低NOx排放。电厂设计煤质与实际煤质如表1所示。

图2　抑制NOx生成和促进NOx还原的途径

表1　电厂设计煤质与实际煤质情况

5　降低NOx排放的优化措施

5.1控制一次风速降低NOx的生成

在维持磨粉管正常风速情况下，尽量降低一次风速，保持其他参数都不变时，煤粉气流与辅助风的混合延迟，且煤粉气流着火热减少，煤粉着火提前，相当于消耗了燃烧初期的氧量，氧浓度下降；同时，较低的一次风速，使燃烧初期的还原性气氛加强，促进了NOx的还原，降低了NOx生成量（见图3）。运行中投入一次风自动，一次风压跟随锅炉总煤量进行滑压运行，根据运行工况对一次风压进行偏置调节，尽量维持一次风压低限运行，降低NOx生成量。

5.2采取合理的二次风配风方式降低NOx的生成

维持锅炉总风量一定的情况下，改变辅助风、燃尽风及燃料风的风门挡板开度来改变二次风配风方式。从倒塔、正塔、缩腰、均等配风的燃烧调整试验看，兼顾汽温及烟温偏差情况，辅助风采用均等配风方式效果最好。这是因为主燃烧器区域的氧浓度降低，既能降低主燃烧区域的火焰温度，又能抑制燃料氮形成的中间产物与氧反应，所以热力型NOx和燃料型NOx都受到抑制。

图3　一次风压与煤量对应曲线

图4　氧量与负荷曲线

图5　风量与煤量曲线

5.3控制过量空气系数降低NOx的生成

随着机组负荷变化，及时调整锅炉氧量，维持锅炉氧量在滑氧运行曲线的下限运行，随着锅炉过量空气系数降低，NOx排放量呈单调下降趋势，这是因为燃烧区域氧量下降，炉内温度下降，热力NOx生成量下降；同时，燃烧区域氧浓度的下降，降低了燃料氮的中间产物与氧反应的可能性，燃料NOx的生成量随之下降，所以总的NOx排放量下降（见图4和图5）。锅炉运行氧量与风量应及时跟随对应曲线进行调整，控制炉内氧化性气氛，降低NOx排放量。

5.4机组负荷对NOx的影响

根据现场试验，锅炉NOx生成水平随着机组负荷变化呈现两头高中间低的趋势。低负荷段，由于锅炉氧量较高，炉内呈氧化性气氛，NOx生成量增加；高负荷段，由于锅炉热负荷增加，炉内温度水平高，燃料型和热力型NOx生成量增加（见图6）。

5.5增加燃尽风量降低NOx的生成量

在锅炉总风量不变的情况下，合理分配辅助风风量的比例，增大燃尽风门开度，关小辅助风门开度，维持二次风箱差压不变的情况下，增加燃烧空气的分级程度，控制主燃区的过剩空气系数α＜1，NOx生成量下降。但为了防止发生锅炉高温腐蚀，主燃烧器区域的辅助风不宜减少过多，满负荷下一般控制辅助风门开度在30%左右。

图6　NOx与机组负荷曲线

5.6优化磨煤机运行方式降低NOx的生成量

根据试验，当各层燃烧器煤粉量分配采用上少下多时，即减少上层磨出力增加下层磨出力的情况下，炉内的火焰中心位置下降，煤粉离上层燃尽风距离加大，炉内燃烧的空气分级程度相对加强，NOx排放量降低。

5.7控制煤粉细度降低NOx的生成量

在其他燃烧方式不变的情况下，控制较低的煤粉细度，煤粉比表面积增大，煤质挥发分析出加快，对燃烧生成的NOx还原增强，NOx的排放下降。运行中关注煤粉细度的变化，综合制粉电耗的影响，控制煤粉细度载18%±4%范围内，煤粉均匀性指数1.1左右，增强煤粉挥发分的析出速度和均匀性，减少NOx的生成量。

6　结语

在环保控制日益严苛的情况下，通过锅炉低NOx排放控制措施，能够降低NOx排放浓度，同时减少还原剂的消耗量。在锅炉燃烧调整过程中，为降低NOx的生成，要同时兼顾防止锅炉发生高温腐蚀和结焦的情况，现行各种低NOx燃烧方法多采用空气深度分级方式，锅炉主燃区氧量过低，炉内还原性气氛增强，灰分的灰熔点随之降低，燃烧器区域发生高温腐蚀的概率也会增加。因此，根据锅炉掉焦情况和停炉检修炉内检查情况，不断总结锅炉的运行情况，合理组织炉内燃烧状况，在保证锅炉不发生严重结焦和高温腐蚀的情况下，采取低NOx燃烧调整措施，降低锅炉NOx的生成量。同时，在燃烧调整过程中，监视锅炉飞灰含碳量的变化情况，在降低NOx水平的同时兼顾锅炉燃烧的经济性。因此，通过燃烧调整能够降低锅炉NOx的生成量，但要综合考虑锅炉安全运行和经济运行的因素，通过对比得出最佳的调整方式。

［1］王广盛，赵显坤，桂永亮.工业锅炉NOX污染及防治［J］.石油化工环境保护，2003（2）：23-26.

Control Measures to Reduce NOx Emission of 660MW Supercritical Boiler

Zhao Xiaopeng1Zhang Yuping2
（1.Ningxia Jingneng Ningdong Power Generation Co.Ltd.，Lingwu Ningxia 750400；2.Beijing Jingneng New Energy Company Ningxia Branch，Lingwu Ningxia 750400）

At present，with the more stringent domestic on NOx emission control targets，according to the three ministries and commissions under the state"the full implementation of coal-fired power plant ultra low emission and energy saving transformation program of work"notice，boiler NOx emission concentration less than 50mg/Nm3.In the thermal power plant，it was an essential for way power generation enterprises of the use of ultra supercritical unit energysaving，economical and environmentally friendly advantages by effective NOx emission control measures，as the unit for more the utilization hours，to improve the profit of generating units.

supercritical boiler；NOx emission；control measures

TK227

A

1003-5168（2016）07-0154-03

2016-06-26

赵晓鹏（1973-），男，本科，工程师，研究方向：电厂锅炉运行技术管理；张玉平（1974-），女，本科，工程师，研究方向：新能源电力管理。