1000 MW机组锅炉掺烧贫煤NOx排放的燃烧优化

高小涛， 盛昌栋

( 1. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211103；2. 东南大学能源与环境学院，江苏 南京 210096)

0 引言

为了达到日益严格的污染物排放限制要求，我国大型燃煤电厂普遍采用低NOx燃烧和选择性催化还原(selective catalytic reduction, SCR)烟气脱硝技术控制氮氧化物(NOx)的排放。锅炉燃烧系统采用低NOx燃烧器结合大量燃尽风的炉内分级燃烧技术[1-5]，将炉内主燃烧区过量空气系数控制在较低水平(一般在0.95以下)，以抑制NOx的生成[5-10]，从而降低SCR系统的脱硝成本。通常，在机组满负荷工况运行时，锅炉NOx排放可达到设计水平[6-8]。近年来因我国发电装机容量特别是火电机组装机总量的迅速增加和可再生能源发电(如水电、风电)的竞争，大型燃煤发电机组常常运行在较低的负荷下，受限于低NOx燃烧锅炉的运行特性，锅炉燃烧NOx排放浓度随运行负荷的降低明显增加的现象较常见。虽然低负荷运行时SCR需处理的烟气量减少，但锅炉NOx生成浓度的明显升高增加了SCR的运行成本，影响机组低负荷运行的经济性。

目前，部分燃煤电厂一方面为了保持煤质稳定、改善煤质某方面的特性而主动进行配煤，另一方面通过采用掺烧劣质煤方式以达到降低燃料成本提高机组运行经济性的目的[11-12]。掺烧劣质煤往往会影响锅炉运行的经济性、安全性和NOx排放特性[11-12]，采用分磨制粉掺烧有利于优化混煤燃烧特性和减少污染物排放[12]。某电厂1台1000 MW超超临界直流塔式锅炉设计燃用烟煤，但为节约燃料成本，日常运行时还部分掺烧廉价优质(高热值、低硫)的贫煤，造成锅炉SCR入口NOx排放浓度明显升高(特别是低负荷运行时)[13-17]。本文基于该电厂锅炉运行的分布式控制系统(distributed control system，DCS)历史数据，对其低负荷运行特性特别是燃烧NOx排放特性进行系统的分析，开展锅炉掺烧贫煤的燃烧优化运行试验研究，探讨NOx排放高的主要原因及掺烧贫煤的影响，为锅炉NOx排放的燃烧优化运行控制提供依据。

1 设备简介

该1000 MW机组锅炉为3049 t/h超超临界参数、变压运行、螺旋管圈直流锅炉，采用单炉膛塔式，一次中间再热，四角切圆燃烧，平衡通风，固态排渣，设计燃用煤种为烟煤，主燃烧区过量空气系数设计为0.92[5-6]。该锅炉采用低NOx同轴燃烧系统，燃烧系统主要包括：12层强化着火煤粉喷嘴(四角共有48只煤粉喷嘴)，每两层连接1台磨煤机，从下往上分别为A、B、C、D、E和F磨，满负荷时5台运行1台备用；预置水平偏角的辅助风(二次风)喷嘴(CFS)；紧凑燃尽风(CCOFA)；在主燃烧器风箱上部布置分离燃尽风(SOFA)喷嘴，包括6层可水平摆动的SOFA喷嘴。锅炉设计采用燃烧器垂直方向的摆动作为再热汽温的主要调节方式，煤粉喷嘴垂直摆动范围为±30。

2 煤质特性和试验工况

2.1 煤质特性分析

试验期间锅炉燃煤的煤质特性综合在表1中，为了比较，表1中也给出了锅炉设计煤种和校核煤种的特性。

表1 试验期间燃煤及锅炉设计和校核煤的煤质特性Tab.1 Properties of the as-fired coals compared to those for boiler design

锅炉燃用煤种的发热量和挥发分含量是与煤的燃烧特性、NOx生成特性密切相关的主要煤质特性参数。从表1中燃煤的挥发分含量和发热量来看，试验期间燃用的3种烟煤的特性很相似。三者主要的差异是灰分含量，但都在设计和校核煤种确定的灰分范围内,灰分含量的差异导致发热量略有不同。因此，从燃烧特性和NOx生成特性的角度看，可以认为试验期间燃用的3种烟煤特性是很相似的。相比起来，贫煤的特性与3种烟煤及设计、校核煤都有显著的差异，主要表现为挥发分含量很低、发热量高和水分含量低。因此，从与燃烧和NOx生成特性有关的煤质特性的比较来看，本次试验过程中，锅炉掺烧贫煤与单烧烟煤试验时，入炉燃料特性的差异主要是由掺烧贫煤引起的。

2.2 试验工况安排情况

以锅炉习惯的运行控制方式为基础，参照蒸汽锅炉性能试验规程[18]进行该锅炉掺烧贫煤NOx排放的燃烧优化调整试验，燃烧优化调整试验工况见表2。本次试验除了比较燃煤的影响之外，还考察两种负荷下磨煤机组合方式、炉膛氧量、CCOFA及SOFA风门开度等运行条件的变化对锅炉NOx排放浓度及运行性能的影响。

表2 燃烧优化调整试验工况Tab.2 Test cases for optimizing combustion

3 锅炉燃烧优化试验结果及其分析

3.1 试验期间数据和历史运行数据对比

为了便于分析锅炉燃烧主要运行因素改变对锅炉NOx排放浓度的影响，将试验期间DCS记录的SCR入口NOx浓度与锅炉日常运行时的NOx浓度水平进行比较，如图1所示。其中，机组日常运行时的NOx浓度水平以DCS系统试验前后一周时间的全部历史记录数据值来反映。此外，锅炉燃烧运行工况条件变化也会带来锅炉主要运行参数的变化，为此，将试验期间DCS记录的过热汽温、再热汽温与试验前后一周时间全部历史记录值进行比较，其结果如图2所示。

图1 锅炉NOx排放浓度随机组负荷变化的情况Fig.1 NOx emissions from the furnace varying with unit operation load

图2 过热汽温和再热汽温随机组负荷变化的情况Fig.2 Main steam temperature and reheat steam temperature varying with unit operation load

3.2 锅炉掺烧贫煤NOx排放的优化调整试验

3.2.1 习惯性工况试验

在900 MW机组负荷下，进行了锅炉习惯性运行控制方式时的掺烧贫煤试验(工况1)，试验主要结果如表3所示。

表3 习惯性运行掺烧贫煤工况试验结果Tab.3 Results under co-firing lean coal with bituminous coal during usual operation and testing

从表3可见，锅炉在习惯性运行条件(其中磨组运行方式为上五层即对应B-F 磨组合方式运行)下掺烧贫煤运行，高负荷(900 MW，工况1)时测量的锅炉NOx排放浓度为365 mg/m3(SCR入口处，折算到6%O2；下同)，接近于相同负荷水平下机组日常运行时的平均水平，但略高于锅炉的设计保证值(350 mg/m3)。

3.2.2 燃烧调整试验结果

分别在900 MW，700 MW两种机组负荷下，进行变磨煤机组合方式、变炉膛氧量、变CCOFA及SOFA风门开度等运行控制方式改变的锅炉掺烧贫煤运行优化调整试验，试验结果如表4所示。

工况2试验结果表明：在相同的燃烧氧量水平下，采用A-E磨组合运行方式运行时锅炉NOx排放浓度可降至246 mg/m3，与习惯性运行控制工况(工况1)相比降低了近120 mg/m3；即使是在燃烧氧量提高0.5%的条件下(工况3)，锅炉NOx排放浓度仍比习惯运行工况低近80 mg/m3。出现这样的结果是符合预期的，因为与B-F 磨组合方式运行控制方式相比，A-E磨组合运行控制方式会导致炉内主燃烧区域的下移，显著增加了主燃烧区与SOFA风之间的还原区范围，其间烟气流动时间的延长有利于主燃烧区生成的NOx的还原。因此，最终NOx排放浓度显著降低。当采用A-E磨组合运行方式运行时(工况2)，锅炉效率有一定程度的提高。

从工况4试验结果看出，在机组负荷为700 MW时，采用下5台磨组合运行方式掺烧贫煤运行，锅炉NOx排放浓度仍然高达404 mg/m3。工况9试验结果表明：当采用中间4台磨(B、C、D、E磨)组合运行控制方式时，可实现较低NOx排放浓度(335 mg/m3，工况9)。

3.2.3 低NOx排放燃烧优化控制分析

表4 锅炉掺烧贫煤运行优化调整试验结果Tab.4 Results for optimizing the operations tests under co-firing lean coal with bituminous coal

从表3可看出，当调整小风门的开度和降低燃烧氧量时(工况5)，NOx排放浓度显著降低至362 mg/m3；这时再调整燃料分配即提高中间3层磨的燃料量(工况6)虽可降低NOx排放浓度，但作用并不明显。值得指出的是，降低C磨燃料量(工况7)，即降低掺烧的贫煤量，可进一步显著降低NOx排放浓度至313 mg/m3，显示出贫煤掺烧对NOx排放浓度的显著影响。而此时增加燃烧氧量(工况8)也导致NOx排放浓度的显著增加，其变化幅度进一步表明低负荷时运行氧量的控制对锅炉NOx排放浓度控制的重要性。图3中所示的试验结果表明：通过进行燃烧调整，能在降低NOx排放浓度的同时提高锅炉热效率，这主要是由于运行氧量水平适当降低减少了排烟热损失。

图3 锅炉NOx浓度随运行氧量变化情况Fig.3 NOx emissions from the furnace varying with combustion excess O2 level

从表2、表3所示试验结果可以看出，该锅炉在低负荷(700 MW)掺烧贫煤的条件下，采用下5台磨(A、B、C、D、E磨)组合运行方式下的NOx排放浓度范围为310 ～ 410 mg/m3，远低于日常采用上5台磨(B、C、D、E、F 磨)组合方式运行控制方式时的平均水平，且通过燃烧优化可实现较低的NOx排放浓度目标；但是，此时锅炉的过、再热汽温均明显低于日常运行水平。当采用中间4台磨(B、C、D、E磨)组合运行控制方式时(工况9、10)，也可实现与下4台磨组合运行方式(A-E磨组合运行方式)时相当的较低NOx排放浓度(335 mg/m3，工况9)，在燃烧氧量控制较低时可达305 mg/m3(工况10)，而且过、再热汽温都可接近于锅炉日常运行(上5台磨运行)时的平均水平。这是因为，与下5台运行相比，中间4台磨运行时虽然火焰中心上移，但还原区范围并没有明显变化，且燃烧集中而燃烧区域氧量相对低还可能导致主燃烧区的NOx生成量减少，所以NOx排放浓度也较低，但火焰中心的上移显然有利于维持较高的过、再热汽温。此外，与采用A-E磨组合运行方式下相比较，工况9、工况10的锅炉效率也有所提高。这主要得益于燃烧集中，火焰温度相对较高，炉膛辐射放热显著加强，不但有利于维持过、再热汽温，而且也导致排烟温度的显著降低，从而提高了锅炉热效率。因此，在低负荷(700 MW)掺烧贫煤的条件下，推荐采用中间4台磨(B、C、D、E磨)组合运行控制方式。

3.3 单烧烟煤的运行优化试验

3.3.1 惯性工况试验

分别在900 MW，700 MW两种机组负荷下，进行锅炉习惯性运行控制方式时的单烧烟煤试验(工况13、工况14)，试验主要结果如表5所示。从表5可见，锅炉在习惯运行条件(其中磨组运行方式为上5层即B 、C、D、E、F 磨组合运行方式，工况11)下单烧烟煤运行，锅炉NOx排放浓度为310 mg/m3，比掺烧贫煤时低近50 mg/m3。从锅炉的效率来看，习惯运行条件下(工况11)效率为94.36%，与掺烧贫煤时(工况1)几乎一致。

3.3.2 燃烧调整试验结果

表5 单烧烟煤习惯性运行工况试验结果Tab.5 Results under firing bituminous coal during usual operation and testing

分别在900 MW，700 MW两种机组负荷下，进行变磨煤机组合方式、变炉膛氧量、变CCOFA及SOFA风门开度等运行控制方式改变的锅炉单烧烟煤运行优化调整试验，试验结果如表6所示。工况12试验结果表明，通过降低燃烧运行氧量，可进一步再降低NOx排放浓度约50 mg/m3。在机组负荷为700 MW负荷下，即使采用上5台磨组合方式(即B、C、D、E、F 磨组合运行方式)运行，锅炉NOx排放浓度也可控制在300 mg/m3左右(工况14—16)，处于相同负荷水平时日常习惯性运行方式下的下限水平，而蒸汽参数则基本保持在额定值，特别是再热汽温可达到日常习惯性运行方式下的上限处。

表6 锅炉单烧烟煤运行优化调整试验结果Tab.6 Results for optimizing the operations tests under firing bituminous coal

3.3.3 低NOx排放燃烧优化控制分析

表5中，在机组负荷为900 MW下，当降低运行氧量后(工况12)锅炉效率略升高至94.52%，这主要是因为烟气量减少导致排烟损失减少；而下5台磨组合运行时锅炉效率则可以提高至94.72%，这是炉内燃烧区域降低最终导致锅炉排烟温度明显降低因而排烟损失小的结果。因此，单烧烟煤条件下，高负荷时推荐采用下5台磨组合运行方式，不仅可显著降低锅炉的NOx排放浓度，还可实现更高的锅炉效率。

试验结果表明：在机组负荷为700 MW下，锅炉单烧烟煤采用下五磨组合运行方式(工况13)，NOx排放浓度可降至200 mg/m3以下(183 mg/m3，工况13)，并且下5台磨组合运行方式对蒸汽参数的影响较小(见图2)，锅炉效率则能提高至94.72%。通过调整各磨的燃料量分配一定程度上还可实现较低的NOx排放浓度(工况16)，而锅炉效率与相同负荷水平下掺烧贫煤运行时基本一致。当采用中间4台磨(B、C、D、E磨)运行时(工况17)，实测锅炉NOx排放浓度为187 mg/m3。与上5台磨运行方式相比，这显然是火焰中心下移、炉内还原区域显著扩大的结果，而这种运行方式对蒸汽参数影响也很小。此外，与掺烧贫煤时一样，中间4台磨组合运行方式时锅炉效率也较高。因此，在机组负荷为700 MW下，采用中间4台磨(B、C、D、E磨)运行方式是值得推荐的磨煤机组合运行方式。

3.4 掺烧贫煤试验与单烧烟煤试验比较分析

从表2—5可以看出，在机组负荷为900 MW下，该1000 MW锅炉单烧烟煤在习惯运行条件下(工况11)NOx排放浓度为310 mg/m3，锅炉效率为94.44%。与相近条件下锅炉掺烧贫煤试验工况(工况1)相比，锅炉效率相近，但NOx排放浓度低近50 mg/m3。锅炉单烧烟煤试验工况13，采用下5台磨组合运行方式， NOx排放浓度为183 mg/m3；而掺烧贫煤时工况2锅炉NOx排放浓度为246 mg/m3，比单烧烟煤时高得多。工况2与工况13的主要差异是前者的燃烧氧量高近0.5%，这意味着在与工况13相同氧量水平下，工况2对应的NOx排放浓度会有所降低。但根据工况2与工况3的比较来看，在工况2基础上降低燃烧氧量0.5%可导致NOx排放降低约40～50 mg/m3，这与工况13相比NOx排放浓度仍然较高。因此在高负荷(900 MW)运行时，在相同条件下掺烧贫煤时NOx排放浓度比单烧烟煤时高，只是在下5台磨组合运行方式时二者的差异相对较小。

对于机组负荷为700 MW时，单烧烟煤的工况17与掺烧贫煤的工况10燃烧运行条件相近，二者均采用中间4台磨运行，燃烧氧量水平接近。结果显示，虽然二者的锅炉效率一致，但掺烧贫煤时NOx排放浓度比单烧烟煤时高近120 mg/m3。因此，在机组低负荷运行时，锅炉采用单烧烟煤运行对于控制低NOx排放具有明显的优势。

3.5 燃烧运行氧量及其对NOx排放浓度的影响

燃烧运行氧量显著影响锅炉NOx排放浓度，氧量越高一般生成NOx也越多[5-7]，试验过程中燃烧氧量调整时的结果充分体现出这一影响，因此运行氧量的合理控制十分重要[18-20]。

根据试验时DCS数据和锅炉日常运行数据，图3给出了在SCR入口处锅炉NOx排放浓度随SCR入口烟气氧量变化情况。相同氧量时，掺烧贫煤时锅炉NOx排放浓度比日常运行的平均值约低100 mg/m3。一个重要的原因是，除工况1之外，试验都是在停上层F磨条件下进行的，这与日常磨煤机组合运行控制方式不同。停F磨时火焰中心的降低和炉内还原区的扩大是导致锅炉NOx排放浓度降低的主要原因。另外，单烧烟煤试验时NOx排放浓度比掺烧贫煤时明显低，其中一个原因是试验过程中采用的燃烧氧量水平较低，但低负荷时相同氧量水平下单烧烟煤NOx排放浓度明显低，这显然是燃煤煤质差异导致的。

4 结论

基于机组DCS系统中历史运行数据分析，对某电厂1000 MW 超超临界机组锅炉开展掺烧贫煤NOx排放的燃烧优化试验研究，得到以下结论：

(1) 试验结果与历史运行数据比较分析发现，运行氧量偏高是锅炉低负荷运行时NOx排放浓度偏高的主要原因之一。另外，适当降低氧量运行，将能降低锅炉NOx排放浓度的同时，提高锅炉热效率，同时也能降低厂用电率。

(2) 在锅炉低负荷运行时，无论是单烧烟煤还是掺烧贫煤，采用中间4台磨(B、C、D、E磨)运行的磨组运行方式代替习惯5台磨组合运行方式，均可实现较低的NOx排放浓度目标和较高的锅炉效率。

(3) 锅炉在采用合理磨组运行方式和运行氧量下，对于单烧烟煤，无论是在高负荷还是低负荷运行时，锅炉NOx排放浓度均可能控制在200 mg/m3以下；对于掺烧贫煤，高负荷时可实现在250 mg/m3以下的NOx排放浓度水平，低负荷时锅炉NOx排放浓度控制到300 mg/m3，锅炉效率也较高。

(4) 在低负荷工况下，锅炉掺烧贫煤运行时，通过适当减少掺烧的贫煤量，能够达到进一步降低锅炉NOx排放浓度的目的。

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