宋大勇，張家維，吳 炬，張振杰，吳景興

(遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

300 MW亞臨界鍋爐NOx排放量和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的綜合治理

宋大勇，張家維，吳 炬，張振杰，吳景興

(遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

分析了燃煤火力發(fā)電廠NOx產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，指出煤質(zhì)、爐內(nèi)燃燒溫度、氧濃度及分布狀況是影響NOx生成量最直接因素。對(duì)于已投產(chǎn)機(jī)組，控制運(yùn)行氧量、實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí)燃燒、優(yōu)化磨煤機(jī)組合方式是降低NOx排放量的主要措施。通過(guò)降低運(yùn)行氧量1% ～1.5%，NOx排放量可下降10% ～40%，供電煤耗下降1～2 g/kWh;通過(guò)加強(qiáng)空氣分級(jí)燃燒，NOx排放量可下降10%～40%，供電煤耗變化不大。采用下4臺(tái)磨煤機(jī)組合方式，NOx排放量可下降50～100 mg/Nm3。

NOx經(jīng)濟(jì)性;氧量;空氣分級(jí);磨煤機(jī)組合方式

火力發(fā)電廠氮氧化物排放控制問(wèn)題已越來(lái)越受到我國(guó)政府的關(guān)注和重視GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，2014年7月1日起，2003年12月31日后建成投產(chǎn)的火力發(fā)電廠 (W型火焰鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐除外)執(zhí)行氮氧化物排放濃度限值為100 mg/Nm3的標(biāo)準(zhǔn)［1］。為此，火力發(fā)電廠正積極開(kāi)展降低氮氧化物 (NOx)排放量工作，其中，鍋爐運(yùn)行參數(shù)調(diào)整是降低NOx排放量的有效手段之一，并為其他降低NOx排放量方案，如鍋爐燃燒器改造、增設(shè)二次脫硝設(shè)備等，提供較強(qiáng)的科學(xué)指導(dǎo)。但運(yùn)行調(diào)整采取的措施可能對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生一定影響。因此，以300 MW亞臨界鍋爐為例，就鍋爐部分運(yùn)行參數(shù)調(diào)整對(duì)NOx排放量和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的綜合影響進(jìn)行了研究。

1 設(shè)備概述

某電廠1號(hào)鍋爐為HG-1025/17.5-HM35型自然循環(huán)汽包鍋爐，采用單爐膛、平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)燃料為褐煤。鍋爐以最大連續(xù)負(fù)荷 (BMCR工況)為設(shè)計(jì)參數(shù)，在機(jī)組電負(fù)荷為335 MW時(shí)鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 035 t/h，機(jī)組電負(fù)荷為300 MW(BRL工況)時(shí)鍋爐額定蒸發(fā)量為960.0 t/h。爐膛出口依次布置:墻式再熱器、分隔屏過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器、后屏再熱器、末級(jí)再熱器、末級(jí)過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器等受熱面。每臺(tái)爐配5臺(tái)中速磨煤機(jī)，4投1備，A磨為最下層磨，E磨為最上層磨，每層燃燒器噴口垂直距離為1.67 m，距E磨3.5 m處布置了3層SOFA風(fēng)。燃燒器可上下擺動(dòng)，最大擺動(dòng)角度為±30°。

2 NOx生成量的影響因素分析［2-5］

在煤燃燒過(guò)程中，生成NOx的途徑有:熱力型NOx、燃料型NOx、快速型NOx。

2.1 熱力型NOx的生成

在高溫環(huán)境下，由燃燒用空氣中的氮氧化物而生成的NOx，稱為熱力型NOx。影響熱力型NOx生成量的主要因素有燃燒反應(yīng)溫度、氧氣濃度和反應(yīng)時(shí)間，主要控制因素是溫度，溫度對(duì)熱力型NOx生成速率的影響呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。在1 350℃以下時(shí)，熱力型NOx生成量很少，但隨著溫度的升高，NOx生成量迅速增加;當(dāng)溫度達(dá)到1 600℃時(shí)，熱力型NOx的生成量可占爐內(nèi)NO生成總量的25%～30%。影響熱力型NOx生成的主要因素是反應(yīng)環(huán)境中的氧濃度，NOx生成速率與氧濃度的平方根成正比。因此，控制熱力型NOx生成量的方法是:降低燃燒溫度水平，避免局部高溫;降低氧氣濃度;縮短燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間。

2.2 燃料型NOx的生成

燃料型NOx是燃料中含有的氮化合物在燃燒過(guò)程中發(fā)生熱解，并進(jìn)一步氧化生成的，由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600～800℃時(shí)就會(huì)生成，燃料型NOx占煤粉鍋爐NOx生成總量的70%～80%。由于煤的燃燒過(guò)程由揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒兩個(gè)階段組成，故燃料型NOx的形成也由氣相氮的氧化 (揮發(fā)分)和焦炭中剩余氮的氧化 (焦炭)兩部分組成。揮發(fā)分氮占主要比例，而且析出速度很快，因此，控制著火初期NOx生成量是控制燃料型NOx的主要方式，降低著火初期氧濃度，即空氣分級(jí)是控制NOx生成非常有效的措施之一。

2.3 快速型NOx生成

快速型NOx是通過(guò)燃料生成CH原子團(tuán)撞擊N2分子，生成CN類化合物，再進(jìn)一步氧化生成NO，這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行很快，因此稱之為快速型NOx。溫度對(duì)快速型NOx的生成影響很小，與熱力型NOx和燃料型NOx生成量相比，快速型NOx的生成量要小很多。

由以上分析可見(jiàn)，影響NOx生成量直接因素是煤質(zhì)、爐內(nèi)燃燒溫度、氧濃度及分布狀況。而鍋爐的容量大小、鍋爐結(jié)構(gòu)、燃燒器形式、煤種、運(yùn)行氧量、運(yùn)行方式 (二次風(fēng)門開(kāi)度配比、制粉系統(tǒng)配比等)是決定爐內(nèi)燃燒溫度、煤質(zhì)、氧濃度及分布狀況等的直接因素。但對(duì)已投產(chǎn)的鍋爐來(lái)說(shuō)，鍋爐型號(hào)、煤質(zhì)已確定，運(yùn)行過(guò)程只能通過(guò)氧量、二次風(fēng)門開(kāi)度配比、制粉系統(tǒng)配比的優(yōu)化來(lái)降低NOx生成量。

3 運(yùn)行調(diào)整優(yōu)化

3.1 空氣分級(jí)對(duì)NOx排放量和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響［6］

在60%負(fù)荷工況1下，NOx排放量為846.9 mg/Nm3以上，通過(guò)將SOFA風(fēng)門從10%開(kāi)到40%(工況1調(diào)整到工況3)，NOx排放量下降了135 mg/Nm3，灰渣可燃物含量變化不大，鍋爐熱效率和供電煤耗變化不大。

在80%負(fù)荷工況1下，NOx排放量為460.4 mg/Nm3，通過(guò)將SOFA風(fēng)門從10%開(kāi)到40%(工況1調(diào)整到工況2)，NOx排放量下降了137.7 mg/Nm3，灰渣可燃物含量變化不大，但受運(yùn)行氧量和輔機(jī)電耗變化的影響，供電煤耗下降了0.6 g/kWh。開(kāi)到70%后，工況3與工況1相比，NOx排放量下降了173.8 mg/Nm3，受輔機(jī)電耗和排煙溫度等其他因素的影響，供電煤耗升高了0.3 g/kWh。

在100%負(fù)荷工況1下，NOx排放量為433.8 mg/Nm3，通過(guò)將SOFA風(fēng)門從50%開(kāi)到70%(工況1調(diào)整到工況2)，NOx排放量下降了48.1 mg/Nm3。開(kāi)到 90%后，NOx排放量下降了58.1 mg/Nm3，灰渣可燃物含量變化不大，鍋爐熱效率和供電煤耗變化不大。

由60%、80%、100%負(fù)荷下二次風(fēng)優(yōu)化試驗(yàn)可見(jiàn)，SOFA風(fēng)門開(kāi)大后，加強(qiáng)了空氣分級(jí)燃燒，NOx排放量下降比例可達(dá)到10% ～40%。雖然個(gè)別工況出現(xiàn)爐渣可燃物含量略有增加現(xiàn)象，但總體上，過(guò)燃風(fēng)開(kāi)大后，灰渣可燃物含量變化不明顯，證明在一定程度上分級(jí)燃燒，對(duì)褐煤的燃燒效率影響不大。通過(guò)計(jì)算，二次風(fēng)優(yōu)化后，供電煤耗變化不大。不同負(fù)荷下空氣分級(jí)對(duì)NOx排放量和經(jīng)濟(jì)性的影響如表1所示。

3.2 運(yùn)行氧量對(duì)NOx排放量和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

在60%負(fù)荷下，SOFA風(fēng)門開(kāi)度在40%左右時(shí)，從工況1變化到工況3，雖然灰渣可燃物含量略有升高，但排煙熱損失下降明顯，鍋爐熱效率升高了0.48%，同時(shí)引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)等輔機(jī)電耗下降174 kW，供電煤耗下降1.7 g/kWh，NOx排放量下降128.9 mg/Nm3，下降比例為21%。

在80%負(fù)荷下，SOFA風(fēng)門開(kāi)度在70%左右時(shí)，運(yùn)行氧量從4.6%下降到4.1%(從工況1變化到工況2)，灰渣可燃物含量略有升高，但排煙熱損失下降明顯，鍋爐熱效率升高了0.22%，同時(shí)引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)等輔機(jī)電耗下降77 kW，供電煤耗下降0.9 g/kWh。NOx排放量下降55.4 mg/Nm3。當(dāng)運(yùn)行氧量降到3.4%，工況3與工況1對(duì)比，灰渣可燃物含量略有升高，但排煙熱損失下降明顯，鍋爐熱效率升高了0.36%，同時(shí)引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)等輔機(jī)電耗下降189 kW，供電煤耗下降1.6 g/kWh，NOx排放量下降148.6 mg/Nm3，下降比例為34%。

在100%負(fù)荷下，SOFA風(fēng)門開(kāi)度在50%左右時(shí)，將運(yùn)行氧量從4.2%降到3.7%(從工況1變化到工況2)，灰渣可燃物含量略有升高，但排煙熱損失下降明顯，鍋爐熱效率升高了0.04%，同時(shí)引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)等輔機(jī)電耗下降125 kW，供電煤耗下降 0.3 g/kWh，NOx排放量下降 57.7 mg/Nm3。當(dāng)運(yùn)行氧量降到3.2%，工況3與工況1對(duì)比，灰渣可燃物含量略有升高，但排煙熱損失下降明顯，鍋爐熱效率升高了0.20%，同時(shí)引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)等輔機(jī)電耗下降272 kW，供電煤耗下降1.1 g/kWh，NOx排放量下降 110.7 mg/Nm3，下降比例為20%。

由60%、80%、100%負(fù)荷下氧量?jī)?yōu)化試驗(yàn)可見(jiàn)，過(guò)高的運(yùn)行氧量不但造成NOx排放量增加，而且造成鍋爐熱效率下降、輔機(jī)電耗增加，進(jìn)而造成供電煤耗增加。在60%負(fù)荷下，6.0%左右的運(yùn)行氧量下降1.5%，NOx排放量下降20%左右，供電煤耗下降 1.7 g/kWh左右。在 80%負(fù)荷下，4.5%左右的運(yùn)行氧量下降1.0%，NOx排放量下降34%左右，供電煤耗下降1.6 g/kWh。在100%負(fù)荷下，4.0%左右的運(yùn)行氧量下降1.0%，NOx排放量下降20%左右，供電煤耗下降1.1 g/kWh。不同負(fù)荷下運(yùn)行氧量對(duì)NOx排放量和經(jīng)濟(jì)性的影響如表2所示。

在不同負(fù)荷下，在一定范圍內(nèi)，隨著氧量降低，灰渣可燃物含量有增加的趨勢(shì)，但受排煙熱損失下降幅度較大的影響，鍋爐熱效率呈升高之勢(shì)?？梢?jiàn)，對(duì)于燃用褐煤鍋爐，低氧運(yùn)行不但有利于降低NOx排放量，而且還有利于降低供電煤耗。

3.3 制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式對(duì)NOx排放量和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

在70%負(fù)荷下，當(dāng)由上4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行切換到下4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行后，過(guò)熱系統(tǒng)減溫水量下降1.2 t/h，再熱汽溫下降4.3℃，綜合對(duì)比，供電煤耗升高0.36 g/kWh，NOx排放量下降99 mg/Nm3。

表2 不同負(fù)荷下運(yùn)行氧量對(duì)NOx排放量和經(jīng)濟(jì)性的影響

表3 不同負(fù)荷下制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式對(duì)NOx排放量和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響

在100%負(fù)荷下，當(dāng)由上4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行切換到下4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行后，過(guò)熱系統(tǒng)減溫水量下降2 t/h，再熱系統(tǒng)減溫水流量下降4 t/h，綜合對(duì)比，供電煤耗下降0.31 g/kWh，NOx排放量下降60 mg/Nm3。不同負(fù)荷下粉系統(tǒng)運(yùn)行方式對(duì)NOx排放量和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響如表3所示。

當(dāng)由上4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行切換到下4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行后，火焰中心下移，爐內(nèi)水冷壁吸熱量增加，爐膛出口煙溫下降，爐膛出口以后的受熱面吸熱量減少，使過(guò)熱系統(tǒng)減溫水流量下降，再熱系統(tǒng)吸熱量下降［7］。另外，由上4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行切換到下4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行拉大了燃盡風(fēng)和主燃燒器區(qū)域的距離，增強(qiáng)了空氣分級(jí)作用，降低了NOx排放量。對(duì)于HG-1025/17.5-HM35型鍋爐，存在低負(fù)荷再熱汽溫不足，高負(fù)荷汽溫過(guò)高的問(wèn)題。因此，制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式不但要考慮對(duì)NOx排放量的影響，而且還要考慮到對(duì)再熱汽溫的影響［8］。當(dāng)?shù)拓?fù)荷采用下4臺(tái)磨運(yùn)行方式時(shí)，雖然有利于降低NOx排放量，但不利于提高再熱汽溫，高負(fù)荷采用下4臺(tái)磨運(yùn)行方式時(shí)，不但有利于降低NOx排放量，而且還有利于降低再熱系統(tǒng)事故噴水量，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

a. 影響NOx生成量的直接因素是煤質(zhì)、爐內(nèi)燃燒溫度、氧濃度及分布狀況等。對(duì)于已投產(chǎn)機(jī)組，降低運(yùn)行氧量、實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí)燃燒、合理優(yōu)化磨煤機(jī)組合方式是降低NOx生成量的主要調(diào)整手段。

b. 通過(guò)開(kāi)大 SOFA風(fēng)門，實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí)，NOx排放量下降比例最大可達(dá)到40%左右，對(duì)于褐煤鍋爐來(lái)說(shuō)，在一定程度上空氣分級(jí)燃燒對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響不大。

c. 通過(guò)降低運(yùn)行氧量1% ～1.5%，NOx排放量可下降10% ～40%，供電煤耗下降1～2 g/kWh。

d. 當(dāng)?shù)拓?fù)荷采用下4臺(tái)磨運(yùn)行方式時(shí)，雖然有利于降低NOx排放量，但不利于提高再熱汽溫，高負(fù)荷采用下4臺(tái)磨運(yùn)行方式時(shí)，不但有利于降低NOx排放量，而且還有利于降低再熱系統(tǒng)事故噴水量，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

［1］ GB13223—2011.火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］ 岑可法，姚 強(qiáng)，駱仲泱，等.燃燒理論與污染控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

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［4］ 應(yīng)凌俏，曹欣玉，牛志剛.煙煤熱解過(guò)程中氮的釋放特性研究 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2004，29(1):101-04.

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［8］ 張文景，黃郁明，張書謹(jǐn).大型機(jī)組再熱汽溫調(diào)節(jié)手段研究［J］.熱能動(dòng)力工程，2002，17(3):195-198.

Comprehensive Management on NOxEmissions and Unit Economics for 300 MW Subcritical Boiler

SONG Da-yong，ZHANG Jia-wei，WU Ju，ZHANG Zhen-jie，WU Jing-xing
(Electric Power Research Institute of Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

The paper analyses NOxgenerating mechanism and the influence factors in the thermal power plant，and points out that the coal，combustion temperature，oxygen concentration and distribution are the direct cause of producing NOxin coal-fired power plants.For operation unit，controlling the oxygen operation，air staging and optimizing coal mill combination are main measures to reduce NOxemissions.By lowering oxygen operation 1% ～1.5%，NOxemissions can drop 10%-40%，The power supply coal consumption can drop 1～2 g/kWh;By strengthening air staging，NOxemissions can drop 10%-40%，the power supply coal consumption change is great.By adopting the lower 4 station coal mill combinations，NOxemissions can drop 50 ～100 mg/Nm3.

NOxEconomics;Oxygen;Air staging;Coal mill combinations

TM621.2

A

1004-7913(2013)03-0019-04

宋大勇 (1977—)，男，碩士，工程師，從事電站鍋爐的性能試驗(yàn)、故障診斷和設(shè)備改造等工作。

2012-12-05)