660 MW机组超超临界锅炉运行中NOX调整试验分析

高建强，陈元金，袁宏伟，李德波

（1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.广东红海湾发电有限公司，广东 汕尾 516600；3.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080）

660 MW机组超超临界锅炉运行中NOX调整试验分析

高建强1，陈元金1，袁宏伟2，李德波3

（1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.广东红海湾发电有限公司，广东 汕尾 516600；3.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080）

锅炉的运行情况对NOX排放和锅炉效率有很大影响。以广东某发电厂660 MW超超临界锅炉低氮改造过程作为研究对象，讨论锅炉煤粉细度、氧量和配风方式对锅炉运行的影响。实验结果表明：在机组负荷为660 MW下，调整炉内送风可以保证氧量均匀性；同时保持脱硝系统进口氧量在3.1%左右，机组运行锅炉效率保持在最高，并且NOX排放在最低；增大上、下层燃尽风及外二次风均可降低NOX排放量。

超超临界锅炉；锅炉效率；氧量；NOX排放量

0 引言

21世纪以来，随着工业的迅速发展，火力发电的发展也日渐迅猛，同时火力发电作为用能大户，对于我国工业领域节能降耗至关重要[1]。因此，低造价、高效率的大容量高参数锅炉成为火力发电发展的趋势[2]。关于600 MW机组超临界锅炉的能耗及低氮燃烧改造的研究目前已有不少，包括利用数值模拟对锅炉低氮改造方案进行优化[3]；以660 MW超超临界机组为例，通过燃烧调整及SCR（选择性催化还原）脱硝系统运行调整，研究运行参数对氨逃逸率的影响[4]；以660 MW超超临界机组为例，分析运行参数对锅炉效率的影响[5]；对300 MW机组燃烧器进行低氮改造的试验研究[6]；对600 MW机组对冲燃烧锅炉进行低氮燃烧改造及运行调整[7]。通过更换燃烧器，合理布置燃尽风喷嘴，达到降低NOX排放的效果。文献[8-12]分别对低氮改造的效果进行了分析，NOX排放浓度降幅明显，低氮改造效果显著。

广东某发电厂660 MW机组超超临界机组于2011年投运。为了解决长时间运行导致的锅炉NOX排放偏高、侧墙高温腐蚀、燃烧器区域结焦和部分燃烧器磨损、烟气中飞灰含碳及CO排放浓度偏高等问题，进行了锅炉燃烧器及燃烧风量改造，同时在改造后进行了风量调整、氧量调整的诊断试验，以验证改造的有效性。

1 锅炉概况

该厂660 MW机组锅炉为超超临界参数、直流炉、对冲燃烧方式、固态排渣、单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、全钢构架、全悬吊结构、Π型锅炉，锅炉设计参数见表1。

表1 锅炉设计参数

2 燃尽风及燃烧器主体改造

2.1 燃烧器改造

原设计采用第一代OPCC旋流煤粉燃烧器，前后墙布置，组织对冲燃烧。本次燃烧器改造采用最新低NOX旋流燃烧器技术。燃烧器主要由一次风弯头，一次风管，内二次风装置，外二次风装置（含调风器，调节机构），煤粉浓缩器，稳焰环，扩锥、燃烧器壳体等零部件组成。改造后将原始燃烧器中调风器改为采用中心直流风外加外周定向旋流风结构，使未燃尽的碳和烟气被旋流风圈在炉膛中央，防止燃烧器结焦及高温腐蚀。

2.2 燃尽风改造

为了强化锅炉高度方向的深度燃烧，达到降低NOX的目的，在原来设计的OFA（燃尽风）上层新增加1层布置相同的直流OFA（前/后墙各6只）；重新设计并增大了燃尽风量，使OFA风量达到锅炉风量的19%左右，改造前后OFA分布如图1所示。

3 燃烧风量优化试验及分析

3.1 氧量调平试验

为了掌握机组的运行现状，保持总风量为2 300 t/h，燃烧器、燃尽风全开，调整层风门开度如表2所示，测试运行氧量、飞灰含碳量及NOX排放量。

图1 改造前后OFA布置

表2 层风门开度%

在脱硝入口处选取8个烟气取样口，进行测试，利用烟气分析仪分析烟气成分如表3所示。

表3 常用工况试验数据

由表3可知在锅炉运行过程中，炉宽氧量分布呈现出炉膛中间氧量高，两侧墙氧量低的规律，同时测得CO排放量偏高。为了提升靠近两侧墙烟气含氧量，使整体氧量分布更加均衡，降低CO，调整上层OFA直流风偏转角及下层OFA旋流风和直流风等挡板，调整后燃尽风风门开度如表4所示。

表4 燃尽风挡板开度

调整挡板后在脱硝入口处选取8个烟气取样口，进行氧量分布测试，调整前后测试结果如图2所示。从锅炉炉膛出口所测烟气成分及图2中可以看出，调整OFA就地挡板后，两侧氧量略有提高，炉膛宽度分布较调平前均匀。这是因为调整开度和偏转角后，减少OFA出口扭转残余风量并能降低NOX排放量[13]；锅炉排放烟气中的CO大幅下降，从535 mg/L下降至225 mg/L。虽然整体CO不高，但在氧量较低的炉膛两侧CO含量相对较高。

图2 OFA调整前后炉膛方向氧量分布对比

3.2 上层OFA对NOX排放影响

将氧量调平后，在660 MW负荷下对机组进行变风量（上层OFA）分析试验。上层OFA风箱挡板从30%逐渐升至100%，测试得锅炉炉膛出口烟气成分及飞灰化验结果如图3所示。

图3 660 MW负荷下变OFA试验

由图3可见，上层OFA风箱挡板开大后，NOX排放量（以下均换算为标况值）从259.3 mg/m3先升后降至240.7 mg/m3，因为增加燃尽风使得主燃区氧浓度降低，还原性氛围增强，但受上层OFA风量增幅限制，总的降幅不大[8，14]。上层OFA风箱挡板开度增加后，上层OFA风箱风压更大，其克服上层OFA由于安装差异产生的阻力偏差能力更强，使氧量更加均匀，CO含量及飞灰含碳量有所下降。此外，CO下降也与试验过程氧量略高有关。

3.3 下层OFA对NOX排放影响

在660 MW负荷下，其余参数不变。调整下层OFA风箱挡板从100%关至50%，再从50%关至30%，分析炉膛出口烟气成分及飞灰化验结果，发现下层OFA风箱挡板关小后，NOX排放量从260 mg/m3升至280 mg/m3左右，CO含量及飞灰含碳量上升。这是因为下层OFA关小后，下层OFA风箱风压变小，使得差异化配风的效果不好。另外，OFA风量下降后，OFA穿透和混合能力变差，也是导致CO上升的因素。

3.4 外二次风对NOX排放影响

在660 MW负荷下进行变风量（外二次风）分析试验，燃烧器的外二次风风门挡板从30°开至75°后，测得锅炉炉膛出口测量烟气成分及飞灰化验结果如图4所示。燃烧器外二次风风门开大后，NOX下降，从273.8 mg/m3下降至232.1 mg/m3，燃烧器外二次风旋流强度减弱有利于控制NOX的排放[15，16]。燃烧器外二次风风门挡板开度增大后，CO含量变化不大，飞灰含碳量降低，主要是由于较高的二次风量有利于碳燃尽。

3.5 氧量对NOX排放影响

从之前的试验可以看出，氧量对燃烧的影响不容忽略。因此，在660 MW负荷下对机组进行变氧量经济性分析试验。控制氧量（脱硝系统入口氧量）为2.1%，2.5%，3.1%，3.7%，4.0%，4.4%，得到的锅炉效率及NOX排放量如图5所示。

图4 660 MW负荷下变二次风试验

图5 变氧量试验

由图5可以看出，在氧量升至3.1%之前，锅炉效率持续升高，但是超过3.1%之后，锅炉效率呈下降趋势，整个过程锅炉效率先升后降。因为在氧量升至3.1%之前，随着氧量的升高，未燃尽的碳含量减少，不完全燃烧热损失减少，而排烟热损失随烟气量增大而增加。但排烟损失增加的幅度远小于不完全燃烧热损失减少的幅度，锅炉效率整体呈上升趋势。随着氧量的继续增加，此时煤粉燃烧完全，不完全燃烧热损失减少的幅度远小于排烟热损失增加的幅度，锅炉效率呈下降趋势[18]。在氧量较低时，由于炉内火焰中心偏高，随着氧量增加，火焰中心下移，氧量降低；在运行氧量超过3.1%，NOX排放逐渐增加，主要是由于氧量升高使得主燃烧器区域热力型和燃烧型NOX的生成量大大增加[3，19]。在氧量为3.1%时，锅炉效率最高且NOX排放量接近最低，因此在660 MW负荷下，保持脱硝进口氧量在3.1%可以保证锅炉运行状态最佳。

3.6 煤粉细度对NOX排放影响

在660 MW负荷下对机组进行煤粉分析试验，在磨煤机差压限制范围内调整磨煤机分离器开度。其余参数不变，通过改变磨煤机分离挡板开度来调整煤粉细度（煤粉细度R75取26.5%，30.7%，35.2%，40.5%，43.2%），测得煤粉细度对NOX以及飞灰的影响如图6所示。由图6可见，随着煤粉细度的增加，固体不完全燃烧热损失逐渐增加，锅炉效率由93.1%下降至91.4%。这是因为煤粉细度的增加，煤粉越粗，使得煤粉着火难度增加，在煤粉炉内停留时间不变的情况下，煤粉燃尽程度低，导致锅炉损失升高，锅炉效率降低。同时随着煤粉变粗[20]，锅炉内燃烧强度减弱，NOX排放有所降低，从296 mg/m3下降至245 mg/m3左右。

图6 660 MW下的煤粉细度分析试验

4 结论

针对660 MW机组NOX排放量偏高的问题，进行低氮改造和运行优化调整，在额定运行工况下分别针对氧量、风量及煤粉细度进行优化试验，得到以下结论：

（1）经过燃烧器及燃烧配风改造后，机组在660 MW负荷下燃用设计煤种时可将NOX排放控制在240～280 mg/m3，燃尽状况较好，飞灰含碳量可控制在1.2%以下。

（2）在660 MW负荷下对机组进行变风量经济性分析试验，上层燃尽风风箱挡板从30%逐渐升至100%，NOX排放从259.3 mg/m3先升后降至240.7 mg/m3，CO含量及飞灰含碳量有所下降；下层燃尽风风箱挡板从100%关至30%，NOX排放有所上升，从260 mg/m3升至280 mg/m3左右；燃烧器外二次风风门由30°开至75°后，NOX下降，CO含量变化不大，飞灰含碳量降低。

（3）在机组负荷660 MW时，保持脱硝进口氧量在3.1%左右，机组运行锅炉效率保持在最高，且NOX排放最低；通过调整磨煤机分离器开度使煤粉变细，有利于炉内煤粉燃烧，降低飞灰含碳量和大渣含碳量，使得锅炉效率提高。

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（本文编辑：陆 莹）

Analysis on NOXAdjustment Test of 660 MW Ultra-supercritical Boiler Operation

GAO Jianqiang1，CHEN Yuanjin1，YUAN Hongwei2，LI Debo3
（1.North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China；2.Guangdong Red Bay Power Generation Co.，Ltd.，Shanwei Guangdong 516600，China；3.Electric Power Science Research Institute of Guangdong Power Grid Co.，Ltd.，Guangzhou 510080，China）

∶Boiler operation condition has a significant impact on NOXemission and boiler efficiency.The low nitrogen transformation process of 660 MW ultra-supercritical boiler in a power plant in Guangdong Province is taken as the study object to discuss the effect of fineness of pulverized coal，oxygen and air distribution on boiler operation.The experimental result shows that the well-distributed oxygen can be ensured by air adjustment in the furnace with the boiler load of 660 MW；maximum operation efficiency of boiler and minimum NOXemission can be obtained with inlet oxygen content of the denitrification system is 3.1%.Increase the upper and lower over-fired air and outer secondary air can reduce the NOXemissions.

∶ultra-supercritical boiler；boiler efficiency；oxygen content；NOXemission

.201704009

1007-1881（2017）04-0035-05

TK227.1

B

2016-11-09

高建强（1966），男，教授，研究方向为富氧燃烧理论及电站锅炉仿真模拟等。