锅炉燃烧优化对降低NOx生成浓度的影响研究—戴金彪

1、锅炉燃烧优化对降低NOx排放的影响研究戴金彪（马鞍山当涂发电有限公司， 243102）摘要电站锅炉是一个复杂的多输入多输出系统，影响电站锅炉运行的因素比较多。本文以某电厂660MW超临界机组为研究对象，通过大量的实验及DCS数据，研究各段负荷下相关运行参数的变化对NOx的生成、锅炉热经济性的影响。实验表明，锅炉的热经济性以环保性能为代价，不同运行参数的调整对SCR可靠性的影响不同，实际运行时应平衡环保与效率考虑各种运行参数的变化对锅炉的影响。关键词燃烧 NOx 效率实验Research on the influences of reducing NOx emissions on boiler

2、combustion optimizationAbstractPower plant boiler is a complexmulti-input and multi-output system, with many affecting factors. This paper focus on a 660MW supercritical unitas the research object, probe into the influences of relevant operating parameter variation on the generation of NOx,boiler th

3、ermo-economy, through a lot of experiments and DCS data. Experiments show that the boiler increases thermo-efficiency at the expense of environmental performance. Different operating parameters have differenteffects on the reliability of SCR system. There should be a balance between environmental pe

4、rformance and efficiency to consider the influences on boiler of all kinds of operating parameters in actual operation.key wordscombustion NOx efficiency experiment 1前言随着我国经济飞速发展，燃煤造成的大气污染物排放日趋严重，火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011，对NOx的排放提出了新的要求，该标准规定NOx排放浓度的极限值为100mg/m3，相比GB13223-2003中的规定更加严格。然而低NOX的控制原理却与煤粉

5、燃烬的原则有所背离，易出现飞灰可燃物及烟气CO浓度上升的现象1-2，使得经济运行与环保达标不能同时满足。为使排放达标，有必要对火电厂燃烧系统与SCR脱硝系统进行优化，同时兼顾考虑对锅炉效率的影响。燃烧过程中，NOx的生成方式包括：热力型 NOx（约占20%左右）、燃料型NOx（约占75%80%左右）和快速型NOx（约占5%以下）。研究表明，运行过程中有效控制热力型NOx生成的措施是避免炉内同时出现高温和高氧浓度，而在燃烧初始阶段控制煤粉气流中的氧含量则能降低燃料型NOx的生成，通过燃烧调整其生成量最多可降低20%以上，这为本次试验调整提供了降低NOx排放的理论依据3。本文针对660MW超临界燃

6、煤锅炉，进行了不同负荷下锅炉燃烧的专项试验研究，以分析不同参数对炉效、NOx排放的影响规律，并制定相关运行策略。2概况马鞍山当涂发电有限公司#1机组为660MW超临界燃煤机组，锅炉由上海锅炉厂有限公司制造，其型号为SG-2090/25.4-M975，为超临界参数变压运行直流炉，一次中间再热，四角切圆燃烧，单炉膛，固态排渣，全钢构架，全悬吊结构，平衡通风，露天布置，型锅炉。主要设计参数、设计煤种分别如表21、表22所示。表21 主要设计参数参数名称连续蒸发量过热蒸汽压力再热蒸汽压力过热蒸汽温度再热蒸汽温度省煤器出口烟温空预器出口烟温单位t/hMPaMPa参数198825.284.19571569

7、364126表22 煤质分析数据元素分析工业分析项目CarHarOarNarSarAarMtVdafQnet,ar单位%MJ/kg数据52.653.46.170.920.3229.447.136.620.44燃烧系统为低NOx同轴燃烧系统（LNCFSTM），24只直流式燃烧器分6层布置于炉膛下部4角，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈四角切圆方式燃烧，而主燃烧器之上设置有5层分离燃尽风（SOFA），由一台气动执行器集中带动SOFA作上下摆动。3试验内容本项试验在不同机组负荷下进行，分别对运行氧量、SOFA开度、SOFA上下摆角、主燃烧器二次风门开度及SOFA投运层数进行了逐项调整，以了解不同负荷

8、下单一参数对炉效与NOx排放的关系及规律特性。试验中，每个工况均对多个重要参数与指标进行了测试及计算，其中包括SCR进口烟气成分、空预器出口烟气成分、排烟温度及环境参数的测量；煤粉、飞灰及炉渣的取样及分析；修正炉效、各项热损失、脱硝效率、烟气总量、燃煤量及尿素量等性能指标的计算。4 试验研究4.1 负荷660MW下单一运行因素分析4.1.1 运行氧量锅炉效率与 NOx 排放平衡点（如图41、42）：1）运行氧量升高（2.0%4.0%），干烟气热损失有所上升，未燃烬碳及未燃烬CO热损失却有明显下降，锅炉效率呈上升趋势，但当氧量上升至3%以上时，上升幅度明显变缓；2）运行氧量升高（2.0%4.0%

9、），未燃烬碳热损失、未燃烬CO热损失有明显下降，其降幅分别为 0.7%、0.9%，使得锅炉效率明显上升。但是，氧量增至3.0%以上，锅炉效率变化趋于平缓，CO排放控制在400ppm以内；3）运行氧量升高（2.0%4.0%），修正后SCR进口 NOx上升约60mg/Nm3 ，且NOx与氧量呈现明显的线性关系。 图41 图42高负荷试验条件下，运行氧量保持在3.0%以上时，锅炉效率较高，但NOx排放也较高。鉴于运行氧量3.0%时，锅炉效率较高，而NOx相对较低，因此不应建议低于3.0%，否则会导致CO含量及飞灰含碳量明显增加。4.1.2 SOFA风门开度锅炉效率与 NOx 排放平衡点（如图43、4

10、4）：1）SOFA风门开度的增加（40%100%），干烟气、未燃烬碳及未燃烬CO三项热损失并未呈现明显的、线性的规律变化，因此锅炉效率变化较小；锅炉效率在 40%60%变化相对明显，在60%100%变化则较小；2）SOFA风门开度的增加（40%100%），使得进入燃烧器区域的空气量减少，CO排放呈现增加趋势；3）SOFA风门开度的增加（40%100%），修正后SCR进口NOx呈下降趋势，降幅约 49mg/Nm3，但在60%100%范围，变化相对较小，这与锅炉效率变化规律较为一致。 图43 图44 通过SOFA风门开度的调整，可有效降低NOx排放，但对锅炉效率的影响相对较小。高负荷运行时为保持较

11、低的NOx排放，SOFA风门开度可保持在大开度下运行，且应避免低于60%，否则会导致NOx排放上升幅度较大。4.1.3 SOFA风门层数锅炉效率与 NOx 排放平衡点（如图45、46）：1）SOFA 层数增加（3层增至5层），修正后SCR 进口NOx呈下降趋势，最终下降约 3060mg/Nm3。2）SOFA 层数增加（4层增至5层），修正后 SCR 进口NOx呈下降趋势，最终下降约 30mg/Nm3。3）当投运3层SOFA 风时，投运上3层与投运下3层对NOx排放的影响较大，其中前者降幅可多出20 mg/Nm3。 图45 图46高负荷试验条件下，SOFA 风投运层数对NOx的影响较大。同时，上

12、层SOFA 风与主燃烧器的距离相对较大，因此其降NOx的效果更为明显。4.1.4 SOFA上下摆角锅炉效率与 NOx 排放平衡点（如图47、48）：1）SOFA上下摆角增加（25%90%），干烟气热损失、未燃尽碳热损失及未燃尽CO热损失之和有所下降，导致锅炉效率呈上升趋势； 2）SOFA上下摆角增加（25%90%），修正后SCR进口NOx呈下降趋势，最终下降约 32mg/Nm3。 图47 图48高负荷试验条件下，SOFA 风摆角由25%开至83%，NOx还原区高度加大，降氮较为明显；高负荷下炉内温度相对较高，飞灰含碳量变化较小，然而上摆有利于炉渣含碳量及CO排放的降低，导致炉效有所上升。4.2

13、 负荷550MW下单一运行因素分析4.2.1 运行氧量锅炉效率与 NOx 排放平衡点（如图4-9、4-10）：1）运行氧量升高（2.1%3.1%），干烟气热损失上升、未燃烬碳和CO热损失下降，但未燃烬碳和CO热损失的降低大于干烟气热损失的升高，因此锅炉效率升高；2）运行氧量继续升高（3.1%4.8%），CO热损失已降至最低，再无下降空间，而干烟气热损失却继续上升，进而锅炉效率开始下降；3）运行氧量升高（2.1%3.1%），化学未完全燃烧热损失变化相对较大，降幅达 0.47%，氧量在 3.0%以上时 CO排放浓度在 100ppm 以下；4）运行氧量升高（2.1%4.8%），修正后SCR进口NOx

14、线性上升，升幅达86mg/Nm3 ，上升幅度较大。 图4-9 图4-10试验条件下，从经济性考虑，中负荷运行氧量应保持 在3.0%左右，锅炉效率较高，NOx 排放较低。 然而，运行 氧量不应低于 3.0%，否 则会导致未 燃尽CO 热损失迅速上升。4.2.2 SOFA风门开度锅炉效率与 NOx 排放平衡点（如图4-11、4-12）：1）SOFA风门开度的增加（30%100%），未燃烬碳损失呈上升趋势，锅炉效率呈现下降趋势，但是大开度下锅炉效率整体变化较为平缓；2）SOFA风门开度的增加（30%100%），CO排放始终很低，但未燃烬碳热损失的增幅约为0.5%；3）SOFA 风门开度的增加（30%

15、100%），修正后SCR进口NOx降，最终下降约 58mg/Nm3。 图4-11 图4-12通过 SOFA 风门开度的调整，可有效降低 NOx排放，但是以锅炉效率的降低（约 0.4%）为代价。数据表明，SOFA 风 在较大的开度范围内（45%100%），锅炉效率 较为平稳，SCR 进口 NOx 的调节范 围较大，SOFA风门开度可保持在大开度下运行。4.2.3 SOFA风门层数锅炉效率与 NOx 排放平衡点（如图4-13、4-14）1）SOFA层数增加（4层增至5层），修正后SCR进口NOx呈下降趋势，但下降幅度很有限，下降仅5mg/Nm3 ；2）SOFA层数增加（3层增至、4或5层），修正后

16、SCR进口 NOx呈下降趋势，最终下降约2035mg/Nm3 如图4-13 图4-14中负荷试验条件下，停运1层SOFA风对NOx排放的影响较小，但继续停运则效果较为明显。投5或4层SOFA后NOx排放较低、锅炉效率变化不大，若投运一层SOFA风 ，可首先考虑停运SOFA或SOFA。4.2.4 SOFA上下摆角锅炉效率与NOx排放平衡点（图4-15、4-16）：1）SOFA上下摆角的增加（0%70%），各项热损 失及锅炉效率 变化较小 ；2）SOFA上下摆角的增加（0%70%），修正后 SCR 进口NOx呈下降趋势，最终下降约14mg/Nm3，变化并不明显。 图4-15 图4-16在不改变其它

17、运行参数的情 况下，SOFA风摆角由 0%开至70%，虽然NOx还原区高度加大，但降氮不是很明显。4.3 负荷420MW下单一运行因素分析4.3.1 运行氧量锅炉效率与NOx排放平衡点（图4-17、4-18）：1）运行氧量升高（3.0%5.0%），干烟气热损失上升、未燃烬碳热损失下降，两者基本抵消，因此低负荷运行时运行氧量对锅炉效率的影响很小；2）运行氧量 升高（3.0%5.0%）， 化学未 完全燃烧热损失变化很小，3.0%以上时该损失应控制在 0.1%以内，其对应的CO排放约为 250ppm；3）运行氧量升高（3.0%5.0%），修正后SCR 进口 NOx 上升约65mg/Nm3，上升幅度较

18、大。 图4-17 图4-18从经济性考虑，低负荷运行氧量应保持在低水平，其对锅炉效率影响较小，但NOx排放较低。然而，运行氧量不应低于 3.0%，否则会影响低负荷安全运行，并导致CO迅速上升。 4.3.2 SOFA风门开度锅炉效率与NOx排放平衡点（图4-19、4-20）：1）二次风门开度的增加（27%42%），锅炉效率变化不大，总体来看低开度，会导致主燃烧器缺氧，锅炉效率有所降低；2）二次风门开度的增加（27%42%），修正后SCR进口NOx上升约23mg/Nm3，对 NOx 排放有一定影响。 图4-19 图4-20试验条件下，二次风门保持小开度， 锅炉效率及NOx排放均会有所下降，可见 N

19、Ox 排放的降低是以牺牲锅炉效率为代价的。4.3.3 SOFA风门层数锅炉效率与 NOx 排放平衡点（图4-21）：1）SOFA 层数增加（3层增至5层），修正后 SCR 进口NOx呈下降趋势，最终下降约 100mg/Nm3 ；2）SOFA 层数增加（4层增至5层），修正后 SCR 进口NOx呈下降趋势，最终下降约 10mg/Nm3；3）当投运3层SOFA 风时，投运上3层与投运下3层，对NOx排放的影响几乎没有区别。 图4-214.3.4 SOFA上下摆角锅炉效率与 NOx 排放平衡点（图4-22、423）：1）SOFA上下摆角的增加（0%90%），干烟气热损失及未燃尽CO损失几乎没有变化，

20、但未燃烬碳热损失呈上升趋势，上升约0.42%，导致锅炉效率逐渐降低，降幅达 0.46%，可见锅炉效率下降是未燃烬碳热损失所决定； 2）SOFA上下摆角的增加（0%90%），修正后SCR进口NOx呈下降趋势，最终下降约60mg/Nm3。 图4-22 图423试验条件下，在不改变其它运行参数的情况下，SOFA风摆角由0%开至90%，NOx还原区高度加大，降氮 较为明显，但由于炉 内火焰中心上移，导致机械不完全燃烧损失增加。由此可见，通过SOFA 风上下摆角可降低NOx排放，但对锅炉效率的影响较大。5 结论通过本项燃烧系统及SCR系统的联合优化，从炉效与NOx排放的角度出发，建议运行中应遵循如下原则：1）在炉效与低NOx排放的联合优化中，炉效应为调整的主导因素，也即在满足SCR进口NOx不超设计值、SCR出口NOx达标及生产安全的情况下，运行调整应以炉效为主导；2）高负荷运行时，炉效相对较低，上升空间较大，运行中应通过燃烧调整进行优化，以保证NOx排放不超标的情况下，尽可能高效运行；3）低负荷正常运行时，为保持SCR退停前NOx排放较低，给SCR退停后留有一定的操作空间，因此可维持较低的运行氧量（如3.%3.5%）；4）对于运行氧量与SOFA系统的调整，其对炉效及NOx排放的影响较大，