低灰熔点煤质锅炉燃烧调整降低NOx排放试验研究

　　低灰熔点煤质锅炉燃烧调整降低NOx排放试验研究华北电力科学研究院有限责任公司孙亦鹏程亮朱宪然张清峰方式、燃尽风开度、锅炉负荷等因素，研究不同工况下NOX排放浓度变化规律，并最终确定了燃用低灰熔点煤质时锅炉安全经济运行工况。试验表明，对于燃用低灰熔点煤质的锅炉，在保证锅炉安全性和保持锅炉效率的前提下，通过燃烧调整可降低NOX排放浓度15%. NOx是主要的大气污染之一，大气中NOx对人体健康、森林和作物生长都是有害的，而且会引起温室效应和气候异常。我国电站锅炉燃煤产生的NOx是目前氮氧化物污染的主要来源。为了控制电站锅炉NOx排放浓度，我国于2012年开始实施新的更加严格的分时段NOx排放控制标准，电厂随即开始大规模为锅炉机组增加脱硝设备，主要是选用选择性催化还原（Selectivecatalyticreduction，SCR）技术，虽然该技术脱销率高，但成本也较高，大量电厂也开始进行低氮燃烧器改造，采用浓淡燃烧、分级燃烧、低氧燃烧等技术实现燃烧过程脱硝，但有的燃烧器改造厂家为了控制NOx浓度达到合同值，采用一些极端的燃烧控制方式，虽然降低了NOx排放浓度，但造成了锅炉结渣、锅炉效率降低等后果，影响了锅炉安全经济运行，特别是针对燃用低灰熔点煤质的锅炉。因此采用合理的燃烧调整方式，探索锅炉安全、经济、低NOx运行的合理方式是非常有必要的。

　　利用燃烧调整降低锅炉NOx排放的研究自20世纪90年就已经开始，很多学者分析了分级燃烧、浓淡燃烧以及锅炉运行参数等对NOx排放的影响。近年来，随着更加成熟的低氮燃烧技术的发展以及更加严格的NOx排放标准的实施，利用燃烧调整降低锅炉NOx排放的研究更加深入，针对不同炉型、不同容量、不同燃烧方式的锅炉都进行了试验分析，但燃煤锅炉NOx生成机制非常复杂，不仅与锅炉形式、燃煤特性、燃烧器结构等有关，而且与炉内温度、过量空气系数、煤粉细度、配风方式等有关，因此针对不同锅炉的降低NOx的燃烧调整都要全面合理，探索适合该锅炉的合理调整方式。本文针对某电厂420偷燃用低灰熔点孙亦鹏（1985-），男，工程师，博士。北京，100045煤质锅炉开展燃烧调整降低NOx的试验研究，分析不同氧量、燃尽风开度、二次风配风方式、磨煤机运行方式、锅炉负荷等因素对NOx排放的影响，并确定燃用低灰熔点煤质时锅炉安全经济运行工况。

　　1试验方法1.1设备介绍某电厂锅炉选用DG420/9.8-型褐煤锅炉，为高压、自然循环、平衡通风、固态排渣汽包炉。锅炉采用四角切圆燃烧，一次风为水平浓淡燃烧器，每角燃烧器为4层一次风喷口，5层二次风喷口，1层顶二次风（Overfireair，OFA）喷口，其中两层二次风喷口中间布置有点火油枪，共8只油枪。

　　2011年锅炉进行了燃烧器改造，在OFA喷口上部增加一层燃尽风，记为SOFA0，喷口可以分别水平和上下摆动±10°，但该层燃尽风对降低NOx效果很小，此时满负荷工况下NOx排放浓度最高可达1200mg/Nm3（标准状态，6%O2）。2012年为了降低NOx排放，锅炉进行第二次燃烧器改造，在SOFA0喷口上部增加两层8只燃尽风口，记为SOFA1和SOFA2，燃尽风喷口可以垂直和水平方向摆动，垂直摆动0 15°，水平摆动±10°，同时采用先进的水平浓淡煤粉燃烧技术和高浓缩比、低阻力新一代煤粉浓缩技术。改造后燃烧器设计参数如下表1所示。

　　表1燃烧器改造后的主要设计参数名称一次风二次风周界风风率/%制粉系统采用中速磨煤机冷一次风机正压直吹式制粉系统，磨煤机为ZGM123型中速辊式磨煤机，锅炉配备4台中速磨煤机，正常情况下3台运行，1台备用。

　　1.2测试方法及数据处理试验按GB10184-88电站锅炉性能试验规程和GB13223-2011火电厂大气污染排放标准进行。烟气成分利用德国MRU生产的NOVA4000便携式烟气分析仪在空气预热器的进口和出口按照网格法检测得到，烟气温度利表2试验煤种的煤用标定过的热电偶同样按照网格法进行测量；飞灰在空气预热器出口烟道上进行等速取样；炉渣在碎渣机出口取样；原煤在给煤机处进行人工取样，试验煤种的煤质及灰熔融性分析报告见表2，从表中可以看出该煤种属于高挥发份、高水分的褐煤，而且根据灰熔融性特征温度显示该煤种为严重结渣煤种。

　　工业分析/%元素分析/%灰熔融性/°c表3试验期间各工况的锅炉主要参数序号蒸汽量总风量麻煤机投运方式二次m及燃尽风门开度/%工况1工况2工况工况5工况6工况7工况8工况9试验期间保证锅炉稳定运行，定时记录电厂DCS上的锅炉运行参数，以不同工况间的参数平均值作为该工况的特征运行参数，利用网格法测量的烟气成分及温度数据同样取平均值，NOx排放量折算到标准状态、6%2条件下的质量浓度。

　　1.3试验工况安排根据对锅炉的分析，首先进行了两个摸底工况，分别按照燃烧器改造厂家和电厂运行人员习惯运行方式检测锅炉的NOX排放，然后进行了磨煤机运行方式、氧量、二次风配风方式、燃尽风挡板开度和机组负荷等因素对NOX排放的影响，各工况的内容如下表3所示，其中SOFA0风门由于无法调整，始终处于100%全开状态，表中SOFA开度代表SOFA1和SOFA2风门开度，各层燃烧器的周界风也都是100%全开。

　　2试验结果及分析不同工况下，在空气预热器入口检测到烟气成分如下表4所示，下面将结合锅炉运行参数对结果进行分析。

　　表4试验不同工况的烟气成分检测结果序号A侧B侧工况1工况2工况工况6工况工况8工况9 2.1摸底工况工况1时，锅炉按照燃烧器厂家设定的方式运行，从表4中可以看出，锅炉空气预热器入口两侧的NOX浓度都小于400mg/Nm3，此时空气预热器入口的氧量平均值为4.94%，二次配风采用均等配风，但二次风门开度只有20%，炉膛出口的烟气温度达到1000°C，通过炉膛四周观火孔在屏式过热器底部发现轻微结焦现象，经过长时间运行，在碎渣机中发现有较大硬质焦块，说明该运行方式对锅炉的安全性是有严重影响的，特别是对于燃用这种严重结渣倾向的煤种。

　　工况2时，锅炉按照电厂运行人员的习惯控制方式运行，从表4中可以看出，电厂运行人员在日常操作中，以锅炉的安全运行为重点，炉内氧量水平控制得较高，空气预热器入口烟气含氧量达到6.4%，DCS表盘参数也显示该工况下4台磨煤机出口风粉温度都超过55C，炉膛出口烟温为965C，二次风仍然采用均等配风，风门开度都在50%左右，这都保证了锅炉运行的安全性，但空气预热器入口NOX浓度达到626mg/Nm3，说明该运行方式对于降低锅炉氮氧化物排放是不利的，因此在保证锅炉运行安全性的基础上通过对磨煤机运行方式、风量、二次风配风方式、燃尽风开度等进行调整来实现降低氮氧化物排放的目的。

　　2.2磨煤机运行方式调整在工况3中，在360t/h蒸汽流量下，采用下3层磨煤机A、B、C运行，从表4中检测结果可以看出，配风方式与工况2相同，烟气含氧量与工况2也接近的情况下，采用下面3层磨煤机ABC运行时锅炉NOX排放与工况2相比明显减少，这是因为在D磨煤机停止的情况下，虽然其燃料风关闭，但其对于的辅助风CD和DD仍然打开，成为了事实上的燃尽风，形成了分级燃烧，有效降低了NOX排放，可见改变磨煤机运行方式对NOX排放是有影响的，在锅炉日常运行中，在保证运行安全性的前提下可以尽量采用下层磨煤机运行。

　　2.3氧量调整工况4和工况5进行减少送风量，降低炉内氧量的对比测试，从检测结果可以看出，工况5对比工况4，其在锅炉负荷、燃煤量和配风方式都相同，仅减少风量50t/h左右，两侧空气预热器入口处烟气中含氧量都有明显减少，A侧NOx排放浓度减小51mg/Nm3，B侧NOx排放浓度减小110mg/Nm3，这说明通过减小风量，对于减少锅炉氮氧化物排放有明显的效果，这是因为随着送风量减少，炉内氧量逐渐减少，燃烧区域呈现低氧燃烧的状态，抑制了燃料型NOx的生成。在工况5中氧量水平已经很低，再进一步减小风量可能会造成炉内结焦严重、飞灰含碳量较高、锅炉机组热效率降低等不良后果，对锅炉的安全经济运行都不利。

　　2.4二次风配方方式调整工况6在工况5调整的基础上，改变了二次风门的配风方式，由原来的均等配风改为正塔配风，对比两个工况的检测数据可以看出，工况6中的NOX排放浓度与工况5相比略有下降，但幅度很小，这说明对于该锅炉来说，单纯改变二次风门的配风方式对于NOX排放的影响较小，在以后锅炉运行过程中二次风可以采用均等配风方式。

　　2.5燃尽风开度调整工况7在工况6调整的基础上，把最上面两层燃尽风开度由80%减小到50%，从检测数据可以看出，工况7中NOX排放浓度与工况6相比有明显升高，两侧平均升高约80mg/Nm3，这说明减小燃尽风开度对于减小NOX排放是很不利的，这是因为燃尽风开度的改变，会使燃烧器区域的二次风量发生变化，造成燃烧区域氧量和火焰温度的变化，影响燃料型NOX和热力型NOX的改变，在日常的锅炉运行过程中可以保持燃尽风处于100%开度。

　　2.6负荷调整为观察锅炉在高负荷情况下的运行情况，特别对锅炉在高负荷下的结渣情况进行了关注，在工况8中锅炉蒸汽量为400t/h，配风方式为均等配风，此时空气预热器入口两侧的氧量为5.70%，NOX排放浓度平均为480mg/Nm3，与工况5或工况6相比，NOX排放浓度下降了20%左右，这主要是由于工况8中SOFA开度增大到了100%，导致燃烧区域的氧量降低，而下面二次风门开度减小到30%左右进一步加剧了这一趋势，造成燃烧区域的低氧燃烧，抑制了燃料型NOX的产生。

　　表5工况9锅炉热效率计算数据汇总进风温度修正后锅炉灰渣物理热损失g/1/% 0.136经过对锅炉燃烧器改造后运行状况的摸索以及不同运行条件下锅炉NOX排放浓度的检测对比，最终确定工况8是满足锅炉运行安全性和经济性的工况，为观察锅炉在该工况下运行的安全性和稳定性，锅炉进行了连续高负荷、长时间运行考核试验，同时为了对锅炉运行状况进行更全面的分析，进行了锅炉热效率检测试验，在此记为工况9.通过对该工况下锅炉飞灰和大渣进行分析显示，飞灰和大渣含碳量分别为1.26和1.20，而该工况下的锅炉效率计算数据见表5.从表5中可以看出，该工况下锅炉热效率（进风温度修正后）为91.00%，超过了锅炉的设计热效率（89.5%），这说明在此工况下不但在保证锅炉安全性的情况下实现了低NOx（488mg/Nm3）排放，比改造前的850mg/Nm3降低了42%，也比改造后电厂运行人员的习惯控制方式下的NOX排放降低了15%，锅炉热效率也达到91.00%，保证了锅炉运行的良好经济性。

　　3结论锅炉在按照燃烧器厂家的设定工况运行时，空气预热器入口的NOX排放浓度为341mg/Nm3，优于低氮改造要求的NOX指标400mg/Nm3，达到此次改造的NOX减排指标，通过运行观察，锅炉在长时间高负荷运行下出现明显结焦现象，此工况不适合燃用灰熔点较低的煤种运行；在按照运行人员习惯操控方式的情况下，虽然锅炉的安全性得到保证，但锅炉NOX排放浓度较大，80%负荷时空气预热器入口的NOX排放浓度超过600mg/Nm3，因此锅炉需要进行燃烧调整。

　　燃烧调整分析了磨煤机运行方式、氧量、二次风配风方式、燃尽风开度和负荷对NOX排放的影响，结果表明：锅炉负荷低于80%时，尽量采用下3层磨运行，能有效降低NOX排放；适当降低炉内氧量对降低NOX排放是有效的；对于该锅炉来说，均等配风和正塔配风对NOX排放的影响很小，日常运行时采用均等配风就可以；降低燃尽风开度会使氮氧化物排放浓度明显上升，日常运行时最好保持100%开度。

　　由于试验期间燃用煤质灰熔点较低，锅炉容易结焦，通过对多个工况下锅炉NOX排放浓度的检测对比以及锅炉运行参数的分析，工况9满足锅炉运行安全性和经济性的要求，在此工况下空气预热器入口检测的NOX浓度平均为488mg/Nm3，飞灰和大渣含碳量分别为1.26和1.20，锅炉热效率（进风温度修正后）为91.00%.口