300MW机组低氮燃烧改造后燃烧调整方式的优化

300MW机组低氮燃烧改造后燃烧调整方式的优化

【摘要】随着国家环保要求的越来越严格，电厂需要采取有效措施降低氮氧化物的排放浓度。增加SCR脱销改造和低氮燃烧改造成为电厂发展的必要趋势。本文结合包头第一热电厂#1机组低氮燃烧改造后的实际燃烧调整经验，对300MW机组低氮燃烧改造后燃烧调整方式提出相应建议。

【关键词】低氮燃烧；燃烧调整；优化

一、引言

包头第一热电厂#1炉为东方锅炉（集团）股份有限公司生产的DG1065/18.2-Ⅱ6型锅炉，为亚临界自然循环汽包炉。一次中间再热，四角切圆燃烧，平衡通风。锅炉设计煤种为烟煤，配套采用五套中速磨煤机正压冷一次风直吹式制粉系统[1]。设计初锅炉燃烧系统没有采取深度空气分级燃烧技术，NOx排放浓度在300～500mg/ Nm3，个别时段最高约600mg/ Nm3。为经济有效地控制NOx排放浓度在100mg/Nm3以内，进行SCR烟气脱硝改造和低氮燃烧改造。

包头第一热电厂#1炉低氮燃烧改造采用的是直流浓淡分离燃烧器及分离燃尽风（SOFA）型式。燃尽风布置在远离燃烧器的位置，与主燃烧器拉开一定距离。直流浓淡燃烧器不仅有助于控制NOx，同时能起到稳燃作用。其构造原理是，在煤粉喷嘴前，通过偏流装置，使煤粉浓缩分离成浓淡两股，喷嘴设扰流钝体，一方面可卷吸高温烟气回流，另一方面使浓相煤粉在绕流时偏离空气，射入高温回流烟气区域。这样，在燃烧器钝体下游，可形成高浓度煤粉在高温烟气中的浓淡偏差欠氧燃烧，从而有效控制燃烧初期的NOx生成量。

二、改造方案

改造时SCR系统考虑一定的NOx浓度裕量，按入口500mg/ Nm3、出口不大于100mg/ Nm3，脱硝效率不低于80%进行设计；低氮燃烧改造时按炉膛出口NOx浓度不大于300mg/Nm3进行控制[2]。低氮燃烧改造后，为了控制炉膛出口NOx浓度不大于300mg/Nm3，并保证燃烧的安全性与经济性，使得燃烧调整方式在原来改造前的基础上发生了很大改变。

主要有以下几个方面的改变：

1、炉膛出口氧量的优化

炉膛出口氧量直接反应了炉膛内部实际空气量的多少。锅炉燃烧调整中其他燃烧参数保持不变，通过调整送风机和引风机的出力大小，改变炉膛出口氧量。由于在氧化条件下，氧气与燃料中的氮生成氮氧化物。因此，炉膛出口氧量对氮氧化物的生成有直接的影响。从氮氧化物生成的原理可知，炉膛内部的氧量高，可增加燃料氮与氧反应的可能性，进而增加了燃料型氮氧化物的生成量。因此在

低氮燃烧改造后，相同燃烧工况下，控制炉膛出口氧量小于改造前。但是炉膛出口氧量的变化明显引起锅炉效率变化[3]。

炉膛出口氧量对锅炉效率的影响主要表现在两方面。一方面氧量增加有利于煤粉的完全燃烧，使飞灰可燃物含量下降，但过量空气系数过大会使烟气量增加，排烟热损失q2增加，风机的电耗也相应增加。另一方面炉膛氧量过小会增加固体和气体不完全燃烧热损失q3+q4增大，因此锅炉燃烧调整中应控制一个合适的炉膛出口氧量。

在平日运行中总结到，调整炉膛出口氧量在4.5%、3.5%、2.5%，一般得到炉膛出口氮氧化物浓度分别为380mg/ Nm3、210 mg/ Nm3、180mg/ Nm3，而且随着过量空气系数增加，氮氧化物排放浓度单调增加，飞灰含碳量显著降低，排烟损失逐渐增加。通过对锅炉效率的监视，在满足控制炉膛出口NOx浓度不大于300mg/ Nm3，包头第一热电厂#1锅炉运行中230MW以上负荷时，控制氧量在3.5%以获得最佳效果。

2、燃尽风（SOFA）的影响

此次低氮燃烧改造原理是：通过空气分级燃烧来控制NOx的生成。与主燃烧区域分离的燃尽风大小通过燃尽风率来表示。

燃尽风率是指燃尽风量占总风量的百分比，是空气分级燃烧技术的关键控制参数[4]。燃尽风率大，上层送入的氧量充足，空气分级效果好，可以有效地降低NOx的排放量。但燃尽风率太大，则会导致下部主燃烧区域氧量不足，主燃烧区域氧量不足造成低负荷时燃烧不稳，而且主燃烧区域严重缺氧会导致炉膛结焦，同时增加飞灰中未燃尽碳的含量，因此锅炉运行中应该控制一个合适的燃尽风率。

包头第一热电厂#1机组在低氮燃烧器改造试运初期，因为对燃尽风率控制不当，过度的减少下层燃烧区域的空气量，导致炉膛结焦严重，被迫减负荷掉焦，并且无法接带大负荷。在改变燃尽风率，适当增加了下层燃烧区的空气量之后，炉膛没有再发生大面积严重结焦问题。随着燃尽风率的增加，炉膛出口NOx的排放量线性减小。

3、二次风配风方式的优化

主燃烧区域的二次风配风方式一般分为均等、束腰、倒塔和正塔四种方式[5]。即在相同负荷时，通过维持总空气量不变的前提下，通过调整二次风小风门挡板开度，可以相应改变二次风配风方式。

倒塔型配风方式通过开大主燃烧区域上层二次小风门，相应关小下层二次小风门。这种配风方式增加了上层燃烧区域的空气量同时减小下层燃烧区域的空气量，可以使主燃烧区域成为缺氧气氛，从而能减少燃料型NOx的生成量。

四种配风方式中，通过运行观察：在相同负荷，相同总空气量时炉膛出口NOx排放浓度依次顺序为倒塔< 均等<束腰<正塔。而且负荷越小二次风配风方式影响越明显。但是考虑到低负荷炉膛稳燃的基础上，一般低负荷采取均等或者正塔型配风方式。

4、制粉系统运行方式优化

制粉系统运行方式影响煤粉燃烧位置，在煤量相同的情况下，改变制粉系统的运行方式直接影响炉膛出口NOx的排放。通过试验，在200MW负荷情况下，保持其他参数不变的条件，通过改变制粉系统运行方式发现，A、B、C、D磨煤机运行方式氮氧化物排放在210 mg/ Nm3，而A、B、C、E磨煤机运行方式氮氧化物排放在300 mg/ Nm3。在160MW负荷情况下，保持其他参数不变的条件下，改变制粉系统运行方式发现，A、B、C、D磨煤机运行方式氮氧化物排放在350 mg/ Nm3，而A、B、C、磨煤机运行方式氮氧化物排放在180 mg/ Nm3。

通过几次试验，可以明显得出，在磨煤机出力允许的情况下，尽量保持下层制粉系统运行能有效减少炉膛出口NOx的排放。

三、结论

经统计，包头第一热电厂#1机组原始NOx排放浓度约500mg/Nm3，#1机组年排放NOx总量约2772吨（机组年利用小时按5000h计）。采取SCR改造和低氮燃烧改造措施将NOx控制到100mg/Nm3后，年减排NOx总量将约2217吨，对改善当地的大气环境质量有着重要作用，其环境与社会效益显著。

参考文献：

[1]包头第一热电厂运行规程.

[2]北方联合电力有限责任公司包头第一热电厂2×300MW机组脱硝改造工程可行性研究报告.

[3]肖海平，张千，王磊，等.燃烧调整对NOx排放及锅炉效率的影响[J].中国电机工程学报，2011，31（8）：1-6.

[4]杨扬. 600MW 超临界机组低NOx燃烧协调优化研究[D].浙江大学，2013.

[5]吕玉坤，彭鑫.300MW燃煤锅炉NOx排放特性试验研究[J].华北电力大学学报，2010，37（5）：78-82.