燃尽风对锅炉效率与NOx生成的耦合影响特性研究

周 林，程 建，刘胜利，严共安，周琳刚，任强强，江 龙，向 军*

（1.国能长源汉川发电有限公司，湖北 汉川 431614；2.国家能源集团长源电力股份有限公司，湖北 武汉 430077；3.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

0 引言

在电厂锅炉的实际运行中，燃尽风调节是一种重要的调节方式，对锅炉的效率以及NOx生成均有较大的影响［1-2］。燃尽风调节通过改变炉膛内的温度场、组分场，影响排烟温度、烟气CO含量、飞灰含碳量、炉渣含碳量等参数，进而影响锅炉的燃烧效率［3-4］；炉膛内温度场、组分场的改变也会对NOx的生成特性产生影响，因此燃尽风量的调节将对NOx的排放产生影响［5-9］。此外，低NOx燃烧技术成熟可靠，能有效减小锅炉内NOx排放，降低电厂对脱硝装置的要求，进而减少了脱硝成本［10］。而在锅炉实际运行中，提高锅炉效率所需的高温高氧等条件与降低NOx生成所需的低温低氧条件在一定程度上相矛盾，当NOx的生成量降低时，锅炉效率也会降低［11］，因此，深入研究燃尽风调节对锅炉效率以及NOx生成特性的影响规律，对于实现锅炉高效、低污染运行具有重要的理论与实际意义。

江志铭等［12］以一台300 MW四角切圆锅炉为研究对象，对其低负荷下的燃烧特性进行数值模拟研究，结果表明在低负荷条件下增加燃尽风量可以有效降低NOx的生成量。李松等［13］在某300 MW 亚临界墙式布置锅炉上的数值模拟结果表明，在不同的燃尽风率下，燃用低挥发分煤锅炉均能实现稳定燃烧，燃尽风率增加抑制了低挥发分煤燃烧条件下NOx的生成，同时发现，采用CFR燃烧器与提高燃尽区燃尽风率相配合的措施是减少全局NOx生成的合理方案。严杏初［14］等以某660 MW 亚临界四角双切圆锅炉为模型，利用数值模拟和试验相结合的方法研究墙式燃尽风水平摆角及风量偏置对烟温偏差和燃烧效率的影响，研究结果表明采用燃尽风与主气流反切送入炉内既能减小烟温及汽温偏差，又能提高燃烧效率。Chunlin Wang［15］等针对1台330 MW锅炉，研究减少其NOx排放的燃烧优化方案，模拟结果发现燃尽风的风速对NOx生成具有较大影响，且比锅炉过量空气系数的影响更大。Wu Yang［16］等以某600 MW B&W型锅炉为研究对象，研究燃尽风喷口与主燃区的距离对NOx生成的影响，发现随着燃尽风与主燃区距离增大，NOx浓度不断降低，但是距离逐渐增大时，炉膛燃烧高温区上移，飞灰未燃尽碳先减小后增大，这可能会导致锅炉效率的降低。张健［17］等利用CFD方法对一75 t/h容量的四角切圆煤粉锅炉进行了模拟仿真，针对其改造后CO浓度升高的问题提出了解决方案，即提高燃尽风的速度可对CO 和NOx实现协同控制。

现有研究还表明，一定程度的燃尽风可以有效减少锅炉NOx的生成，并且燃尽风在较大程度上影响炉膛的热负荷分布［18-19］。综上，目前研究主要针对燃尽风对NOx生成影响，较少涉及燃尽风对锅炉效率的影响且多采用数值模拟方法，对于两者耦合影响的研究和实验则更是缺乏。本研究针对1 台630 MW 前后墙对冲燃煤锅炉进行了燃尽风量调整实验，详细研究燃尽风调节对锅炉效率以及NOx生成特性的影响，揭示了不同燃尽风调节方式下锅炉效率与NOx生成特性之间的耦合关系；进而建立优化锅炉效率与NOx生成的综合指标，确定了不同负荷下锅炉效率与NOx生成综合效果随燃尽风变化的趋势，可为电厂的实际运行提供参考。

1 研究对象及方法

1.1 锅炉概况

本研究对象为1台630 MW前后墙对冲燃烧锅炉，该锅炉型号为DG2030/17.5-Ⅱ8，露天布置，燃烧方式为前后墙对冲燃烧，采用单炉膛、平衡通风、固体排渣、尾部双烟道，是1台一次中间再热自然循环锅炉，炉膛宽度20 700 mm，深度16 744 mm。如图1 所示为该锅炉燃烧器布置示意图。

图1 实验锅炉燃烧器布置图Fig.1 Experimental boiler burner layout

该锅炉前墙和后墙各布置3层煤粉燃烧器构成主燃烧器区域，每层5只，共计30只；另外，在最上层主燃烧器上方的前、后墙两侧还分别布置有2 层燃尽风燃烧器，每一侧由5 只下层燃尽风和7 只上层燃尽风组成。如图2所示为该锅炉的二次风系统图，2台送风机的二次风混合后分别流入左侧和右侧的二次风风箱，每层主燃烧器和燃尽风燃烧器的供风均来自于各自的子风箱，而子风箱又由左右两侧的二次风风箱供风，通过控制子风箱与二次风风箱间的调门，即调节各层燃烧器的风量，该锅炉的主要设计参数见表1。

表1 锅炉主要设计参数Table Boiler main design parameters

图2 锅炉二次风系统图Fig.2 Boiler secondary air system diagram

1.2 实验过程与方法

为精准测算实验过程中锅炉各关键实验参数，本研究中涉及到的实验仪器、仪表在开展实验前均由专业机构负责校验，且均在校验有效期内，实验中所用仪表的相关参数信息如表2所示。

表2 实验仪器参数Table 2 Experimental instruments and related parameters

对于实验过程中涉及到的取样分析及测量，均严格按照以下的试验标准进行：

1）《GB/T10184-2015 电站锅炉性能试验规程》；2）《GB 13223-2011 火电厂大气污染物排放标准》；3）《ASME PTC 6 锅炉机组性能试验规程》；4）《GB/T 16157-1996 固定污染源排气中颗粒物测定和气态污染物采样方法》。

通过调节图2中各层燃尽风子风箱的调门开度来实现燃尽风量的调整，进行不同燃尽风量条件下锅炉性能试验，不同的负荷工况下燃尽风风箱开度的调节范围如表3所示。

表3 不同负荷下调门开度Table 3 Damper regulation under different loads

1）实验过程中，保持送风机和引风机出力恒定，保持各磨煤机出力不变，不同负荷下投运的磨煤机台数分别为6台（100%负荷）、5台（75%负荷）、4台（50%负荷）。

2）在不同负荷下开展变燃尽风量实验时，通过调节送风机的动叶开度来保持锅炉总风量不变，对应保持锅炉过量空气系数为1.10（100%负荷）、1.20（75%负荷）和1.36（50%负荷），调节各层燃尽风的风门开度，各负荷下风门的具体开度调节参数如表4～表6所示。

表4 锅炉100%负荷的燃尽风门调整工况Table 4 OFA adjustment under boiler 100% load

表5 锅炉75%负荷的燃尽风门调整工况Table 5 OFA adjustment under boiler 75% load

表6 锅炉50%负荷的燃尽风门调整工况Table 6 OFA adjustment under boiler 50% load

3）实验过程中，须注意的是，当锅炉处于实验工况下稳定运行4 h以上时，才开始采集并测定锅炉入炉煤质、飞灰及炉渣含碳量、排烟温度、尾部烟道O2及CO浓度。采用反平衡法，对锅炉在不同工况下的各项热损失、排烟体积等进行计算，进而得出相对应的锅炉效率。

2 结果与讨论

根据实验结果，锅炉在100%、75%和50%负荷条件下稳定运行时，锅炉效率、炉膛NOx排放量随燃尽风风门开度调节的变化规律如图3和图4所示。

图3 燃尽风调节对锅炉效率的影响Fig.3 Effect of OFA regulation on boiler efficiency

图4 燃尽风调节对NOx生成的影响Fig.4 Effect of OFA regulation on NOx generation

2.1 燃尽风对锅炉效率影响分析

图3为不同负荷条件下燃尽风风门开度对锅炉效率的影响，由图3中的结果可以看出，随着锅炉燃尽风门开度（燃尽风量）的增大，100%、75%和50%负荷下的锅炉效率均有所下降，分别降低了0.72%、0.62%和0.55%。这是因为燃尽风门开度增大，燃尽区氧量和过量空气系数增大，但炉膛的总氧量和过量空气系数保持不变，这就导致主燃区的氧量和过量空气系数减小，引起燃烧温度降低，进而飞灰和炉渣中的含碳量也因煤粉未燃尽度的增加而升高，另外CO 排放量也增大，导致机械不完全燃烧热损失和化学不完全燃烧热损失增大，锅炉效率降低。综上，在不同的负荷下，随着燃尽风门开度增大，各工况下的锅炉效率均呈逐渐降低趋势。

2.2 二燃尽风对NOx生成的影响

图4为不同负荷条件下燃尽风风门开度对炉膛出口烟气中NOx浓度排放的影响，由图4中的结果可以看出，随着燃尽风门开度增大，50%负荷下的炉膛出口烟气NOx排放呈现下降趋势。这是因为燃尽风门开度增大后，主燃区的氧量减小，燃烧温度降低，故NOx生成量减小。而随着燃尽风量增大，75%和100%负荷下的炉膛出口烟气NOx浓度先下降后升高。这是因为燃尽风量增大后，主燃区的NOx生成量有所减小，但是当燃尽风量增大到一定程度后，燃尽区过量空气系数较大，主燃区未燃尽的煤粉和CO较多，在燃尽区继续燃烧形成新的高温区，导致燃尽区生成较多的NOx，因此炉膛总的NOx生成量又呈现上升的趋势。

3 低氮高效燃烧指数分析

实验结果表明，燃尽风门开度与锅炉效率和NOx排放特性之间均存在显著相关特性，而在锅炉的实际运行中，锅炉效率的提升和NOx生成量的降低在一定程度上存在着相互制约的关系，若要使锅炉的燃烧性能得到优化，需考虑如何平衡锅炉高效燃烧和低NOx排放两者间的矛盾。参考文献［20-24］中对炉膛CO生成特性与锅炉效率及NOx排放相关特性的研究，为进一步研究燃尽风门开度对锅炉效率和NOx排放特性的综合影响，基于锅炉在不同工况下的实验数据，并考虑到实际运行时对锅炉效率和NOx生成浓度的要求，建立具有通用性的低氮高效燃烧指数D，其定义式如下：

式（1）中，D为低氮高效燃烧指数；η为锅炉在对应工况下的效率，%；ηreq为锅炉实际运行时要求的效率最小值，%（对于本实验锅炉，ηreq取93%）；x为炉膛出口烟气中NOx浓度对锅炉综合性能的影响因子，取值范围为0～1；vreq为锅炉实际运行时要求的NOx生成浓度最大限值，mg/Nm3（对于本实验锅炉，vreq取320 mg/Nm3）；v为对应工况下炉膛出口烟气中NOx的浓度，mg/Nm3。

在x的取值一定时，D的值越大说明锅炉效率和NOx排放综合影响下的锅炉燃烧性能越好。则在固定的负荷和煤质条件下，低氮高效燃烧指数能反映锅炉效率和NOx排放的综合变化情况，利用该指数亦可作为燃尽风门开度调节时，锅炉效率和NOx排放综合效果的评价指标。

图5～图7 为在不同锅炉负荷下，x取不同值时，燃尽风开度与低氮高效燃烧指数之间的关联特性曲线。由图5 可知，在负荷为100%，x取值范围为［0，0.2］时，随上层燃尽风开度的增大，低氮高效燃烧指数呈现下降趋势；而当x的取值范围为［0.4，1］时，随上层燃尽风开度的增大，低氮高效燃烧指数均呈现先升高后降低的趋势，存在着最佳的上层燃尽风开度，使得低氮高效燃烧指数取得最大值。由图6 可知，负荷为75%时的关联特性与负荷为100%时相似，在x取值为0.4 时出现先增后减的趋势，但此时使低氮高效燃烧指数取得最大值的最佳上层燃尽风开度却有所增加。由图7可知，在负荷为50%，x取值范围为［0，0.2］时，随上层燃尽风开度的增大，低氮高效燃烧指数同样呈现下降趋势；在x取值为0.4 时，低氮高效燃烧指数随上层燃尽风开度的变化不大，而当x的取值范围为［0.6，1］时，随上层燃尽风开度的增大，低氮高效燃烧指数呈现升高趋势。

图5 100%负荷时燃尽风开度与低氮高效燃烧指数的关联特性Fig.5 Correlation of OFA opening and low nitrogen efficient combustion index at 100% load

图6 75%负荷时燃尽风开度与低氮高效燃烧指数的关联特性Fig.6 Correlation of OFA opening and low nitrogen efficient combustion index at 75% load

图7 50%负荷时燃尽风开度与低氮高效燃烧指数的关联特性Fig.7 Correlation of OFA opening and low nitrogen efficient combustion index at 50% load

另外，从图5 和图6 还可以看出，在x的取值范围内，最佳燃尽风开度的取值分布在一定的区间内，基于此，提出针对锅炉实际燃烧过程中的调控策略，即调整上层燃尽风开度符合这些最佳值范围内时，既能实现较高的锅炉效率，也能将炉膛出口烟气中的NOx浓度控制在一个较低的值。上述数据表明，针对不同负荷，需要综合考虑氮氧化物对锅炉效率的影响程度来确定燃尽风门开度，可更好实现锅炉的高效低氮燃烧目标。

4 结语

本研究针对燃煤电厂燃尽风量的燃烧优化调整问题，以某630 MW前后墙对冲燃煤锅炉为研究对象，进行了燃尽风量调节试验，并根据燃尽风对锅炉效率以及NOx生成特性的影响，建立了低氮高效燃烧指数以对锅炉的燃烧性能进行评价，得到的结论主要有以下几个方面：

1）随着燃尽风门开度增大，不同负荷下锅炉效率均呈下降趋势，并且负荷越高时锅炉效率下降越快。锅炉高负荷运行时，应控制合理的燃尽风开度，避免大幅调节导致锅炉效率的降低。

2）50%负荷下，炉膛出口NOx浓度随着燃尽风门开度增大而降低；75%和100%负荷下，炉膛出口NOx浓度随燃尽风门开度增大先减小后增加，这是因为燃料型NOx生成量的增大量逐渐超过热力型NOx生成量的减小量；在锅炉低负荷运行时，为控制较低的NOx排放，应保证较大的燃尽风开度，较高负荷下燃尽风开度对减少NOx生成的影响存在最佳值，但需综合考虑锅炉效率。

3）建立的低氮高效燃烧指数可作为锅炉燃烧性能的评价指标，存在最佳的燃尽风开度，使得低氮高效燃烧指数取得最大值，实际运行时应调节燃尽风开度使其位于最佳区间，需根据不同的负荷和氮氧化物情况来综合确定燃尽风开度。