高小濤， 盛昌棟

( 1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103；2. 東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

為了達到日益嚴格的污染物排放限制要求，我國大型燃煤電廠普遍采用低NOx燃燒和選擇性催化還原(selective catalytic reduction, SCR)煙氣脫硝技術控制氮氧化物(NOx)的排放。鍋爐燃燒系統(tǒng)采用低NOx燃燒器結合大量燃盡風的爐內(nèi)分級燃燒技術[1-5]，將爐內(nèi)主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)控制在較低水平(一般在0.95以下)，以抑制NOx的生成[5-10]，從而降低SCR系統(tǒng)的脫硝成本。通常，在機組滿負荷工況運行時，鍋爐NOx排放可達到設計水平[6-8]。近年來因我國發(fā)電裝機容量特別是火電機組裝機總量的迅速增加和可再生能源發(fā)電(如水電、風電)的競爭，大型燃煤發(fā)電機組常常運行在較低的負荷下，受限于低NOx燃燒鍋爐的運行特性，鍋爐燃燒NOx排放濃度隨運行負荷的降低明顯增加的現(xiàn)象較常見。雖然低負荷運行時SCR需處理的煙氣量減少，但鍋爐NOx生成濃度的明顯升高增加了SCR的運行成本，影響機組低負荷運行的經(jīng)濟性。

目前，部分燃煤電廠一方面為了保持煤質(zhì)穩(wěn)定、改善煤質(zhì)某方面的特性而主動進行配煤，另一方面通過采用摻燒劣質(zhì)煤方式以達到降低燃料成本提高機組運行經(jīng)濟性的目的[11-12]。摻燒劣質(zhì)煤往往會影響鍋爐運行的經(jīng)濟性、安全性和NOx排放特性[11-12]，采用分磨制粉摻燒有利于優(yōu)化混煤燃燒特性和減少污染物排放[12]。某電廠1臺1000 MW超超臨界直流塔式鍋爐設計燃用煙煤，但為節(jié)約燃料成本，日常運行時還部分摻燒廉價優(yōu)質(zhì)(高熱值、低硫)的貧煤，造成鍋爐SCR入口NOx排放濃度明顯升高(特別是低負荷運行時)[13-17]。本文基于該電廠鍋爐運行的分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)歷史數(shù)據(jù)，對其低負荷運行特性特別是燃燒NOx排放特性進行系統(tǒng)的分析，開展鍋爐摻燒貧煤的燃燒優(yōu)化運行試驗研究，探討NOx排放高的主要原因及摻燒貧煤的影響，為鍋爐NOx排放的燃燒優(yōu)化運行控制提供依據(jù)。

1 設備簡介

該1000 MW機組鍋爐為3049 t/h超超臨界參數(shù)、變壓運行、螺旋管圈直流鍋爐，采用單爐膛塔式，一次中間再熱，四角切圓燃燒，平衡通風，固態(tài)排渣，設計燃用煤種為煙煤，主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)設計為0.92[5-6]。該鍋爐采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)，燃燒系統(tǒng)主要包括：12層強化著火煤粉噴嘴(四角共有48只煤粉噴嘴)，每兩層連接1臺磨煤機，從下往上分別為A、B、C、D、E和F磨，滿負荷時5臺運行1臺備用；預置水平偏角的輔助風(二次風)噴嘴(CFS)；緊湊燃盡風(CCOFA)；在主燃燒器風箱上部布置分離燃盡風(SOFA)噴嘴，包括6層可水平擺動的SOFA噴嘴。鍋爐設計采用燃燒器垂直方向的擺動作為再熱汽溫的主要調(diào)節(jié)方式，煤粉噴嘴垂直擺動范圍為±30。

2 煤質(zhì)特性和試驗工況

2.1 煤質(zhì)特性分析

試驗期間鍋爐燃煤的煤質(zhì)特性綜合在表1中，為了比較，表1中也給出了鍋爐設計煤種和校核煤種的特性。

表1 試驗期間燃煤及鍋爐設計和校核煤的煤質(zhì)特性Tab.1 Properties of the as-fired coals compared to those for boiler design

鍋爐燃用煤種的發(fā)熱量和揮發(fā)分含量是與煤的燃燒特性、NOx生成特性密切相關的主要煤質(zhì)特性參數(shù)。從表1中燃煤的揮發(fā)分含量和發(fā)熱量來看，試驗期間燃用的3種煙煤的特性很相似。三者主要的差異是灰分含量，但都在設計和校核煤種確定的灰分范圍內(nèi),灰分含量的差異導致發(fā)熱量略有不同。因此，從燃燒特性和NOx生成特性的角度看，可以認為試驗期間燃用的3種煙煤特性是很相似的。相比起來，貧煤的特性與3種煙煤及設計、校核煤都有顯著的差異，主要表現(xiàn)為揮發(fā)分含量很低、發(fā)熱量高和水分含量低。因此，從與燃燒和NOx生成特性有關的煤質(zhì)特性的比較來看，本次試驗過程中，鍋爐摻燒貧煤與單燒煙煤試驗時，入爐燃料特性的差異主要是由摻燒貧煤引起的。

2.2 試驗工況安排情況

以鍋爐習慣的運行控制方式為基礎，參照蒸汽鍋爐性能試驗規(guī)程[18]進行該鍋爐摻燒貧煤NOx排放的燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗，燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗工況見表2。本次試驗除了比較燃煤的影響之外，還考察兩種負荷下磨煤機組合方式、爐膛氧量、CCOFA及SOFA風門開度等運行條件的變化對鍋爐NOx排放濃度及運行性能的影響。

表2 燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗工況Tab.2 Test cases for optimizing combustion

3 鍋爐燃燒優(yōu)化試驗結果及其分析

3.1 試驗期間數(shù)據(jù)和歷史運行數(shù)據(jù)對比

為了便于分析鍋爐燃燒主要運行因素改變對鍋爐NOx排放濃度的影響，將試驗期間DCS記錄的SCR入口NOx濃度與鍋爐日常運行時的NOx濃度水平進行比較，如圖1所示。其中，機組日常運行時的NOx濃度水平以DCS系統(tǒng)試驗前后一周時間的全部歷史記錄數(shù)據(jù)值來反映。此外，鍋爐燃燒運行工況條件變化也會帶來鍋爐主要運行參數(shù)的變化，為此，將試驗期間DCS記錄的過熱汽溫、再熱汽溫與試驗前后一周時間全部歷史記錄值進行比較，其結果如圖2所示。

圖1 鍋爐NOx排放濃度隨機組負荷變化的情況Fig.1 NOx emissions from the furnace varying with unit operation load

圖2 過熱汽溫和再熱汽溫隨機組負荷變化的情況Fig.2 Main steam temperature and reheat steam temperature varying with unit operation load

3.2 鍋爐摻燒貧煤NOx排放的優(yōu)化調(diào)整試驗

3.2.1 習慣性工況試驗

在900 MW機組負荷下，進行了鍋爐習慣性運行控制方式時的摻燒貧煤試驗(工況1)，試驗主要結果如表3所示。

表3 習慣性運行摻燒貧煤工況試驗結果Tab.3 Results under co-firing lean coal with bituminous coal during usual operation and testing

從表3可見，鍋爐在習慣性運行條件(其中磨組運行方式為上五層即對應B-F 磨組合方式運行)下?lián)綗毭哼\行，高負荷(900 MW，工況1)時測量的鍋爐NOx排放濃度為365 mg/m3(SCR入口處，折算到6%O2；下同)，接近于相同負荷水平下機組日常運行時的平均水平，但略高于鍋爐的設計保證值(350 mg/m3)。

3.2.2 燃燒調(diào)整試驗結果

分別在900 MW，700 MW兩種機組負荷下，進行變磨煤機組合方式、變爐膛氧量、變CCOFA及SOFA風門開度等運行控制方式改變的鍋爐摻燒貧煤運行優(yōu)化調(diào)整試驗，試驗結果如表4所示。

工況2試驗結果表明：在相同的燃燒氧量水平下，采用A-E磨組合運行方式運行時鍋爐NOx排放濃度可降至246 mg/m3，與習慣性運行控制工況(工況1)相比降低了近120 mg/m3；即使是在燃燒氧量提高0.5%的條件下(工況3)，鍋爐NOx排放濃度仍比習慣運行工況低近80 mg/m3。出現(xiàn)這樣的結果是符合預期的，因為與B-F 磨組合方式運行控制方式相比，A-E磨組合運行控制方式會導致爐內(nèi)主燃燒區(qū)域的下移，顯著增加了主燃燒區(qū)與SOFA風之間的還原區(qū)范圍，其間煙氣流動時間的延長有利于主燃燒區(qū)生成的NOx的還原。因此，最終NOx排放濃度顯著降低。當采用A-E磨組合運行方式運行時(工況2)，鍋爐效率有一定程度的提高。

從工況4試驗結果看出，在機組負荷為700 MW時，采用下5臺磨組合運行方式摻燒貧煤運行，鍋爐NOx排放濃度仍然高達404 mg/m3。工況9試驗結果表明：當采用中間4臺磨(B、C、D、E磨)組合運行控制方式時，可實現(xiàn)較低NOx排放濃度(335 mg/m3，工況9)。

3.2.3 低NOx排放燃燒優(yōu)化控制分析

表4 鍋爐摻燒貧煤運行優(yōu)化調(diào)整試驗結果Tab.4 Results for optimizing the operations tests under co-firing lean coal with bituminous coal

從表3可看出，當調(diào)整小風門的開度和降低燃燒氧量時(工況5)，NOx排放濃度顯著降低至362 mg/m3；這時再調(diào)整燃料分配即提高中間3層磨的燃料量(工況6)雖可降低NOx排放濃度，但作用并不明顯。值得指出的是，降低C磨燃料量(工況7)，即降低摻燒的貧煤量，可進一步顯著降低NOx排放濃度至313 mg/m3，顯示出貧煤摻燒對NOx排放濃度的顯著影響。而此時增加燃燒氧量(工況8)也導致NOx排放濃度的顯著增加，其變化幅度進一步表明低負荷時運行氧量的控制對鍋爐NOx排放濃度控制的重要性。圖3中所示的試驗結果表明：通過進行燃燒調(diào)整，能在降低NOx排放濃度的同時提高鍋爐熱效率，這主要是由于運行氧量水平適當降低減少了排煙熱損失。

圖3 鍋爐NOx濃度隨運行氧量變化情況Fig.3 NOx emissions from the furnace varying with combustion excess O2 level

從表2、表3所示試驗結果可以看出，該鍋爐在低負荷(700 MW)摻燒貧煤的條件下，采用下5臺磨(A、B、C、D、E磨)組合運行方式下的NOx排放濃度范圍為310 ～ 410 mg/m3，遠低于日常采用上5臺磨(B、C、D、E、F 磨)組合方式運行控制方式時的平均水平，且通過燃燒優(yōu)化可實現(xiàn)較低的NOx排放濃度目標；但是，此時鍋爐的過、再熱汽溫均明顯低于日常運行水平。當采用中間4臺磨(B、C、D、E磨)組合運行控制方式時(工況9、10)，也可實現(xiàn)與下4臺磨組合運行方式(A-E磨組合運行方式)時相當?shù)妮^低NOx排放濃度(335 mg/m3，工況9)，在燃燒氧量控制較低時可達305 mg/m3(工況10)，而且過、再熱汽溫都可接近于鍋爐日常運行(上5臺磨運行)時的平均水平。這是因為，與下5臺運行相比，中間4臺磨運行時雖然火焰中心上移，但還原區(qū)范圍并沒有明顯變化，且燃燒集中而燃燒區(qū)域氧量相對低還可能導致主燃燒區(qū)的NOx生成量減少，所以NOx排放濃度也較低，但火焰中心的上移顯然有利于維持較高的過、再熱汽溫。此外，與采用A-E磨組合運行方式下相比較，工況9、工況10的鍋爐效率也有所提高。這主要得益于燃燒集中，火焰溫度相對較高，爐膛輻射放熱顯著加強，不但有利于維持過、再熱汽溫，而且也導致排煙溫度的顯著降低，從而提高了鍋爐熱效率。因此，在低負荷(700 MW)摻燒貧煤的條件下，推薦采用中間4臺磨(B、C、D、E磨)組合運行控制方式。

3.3 單燒煙煤的運行優(yōu)化試驗

3.3.1 慣性工況試驗

分別在900 MW，700 MW兩種機組負荷下，進行鍋爐習慣性運行控制方式時的單燒煙煤試驗(工況13、工況14)，試驗主要結果如表5所示。從表5可見，鍋爐在習慣運行條件(其中磨組運行方式為上5層即B 、C、D、E、F 磨組合運行方式，工況11)下單燒煙煤運行，鍋爐NOx排放濃度為310 mg/m3，比摻燒貧煤時低近50 mg/m3。從鍋爐的效率來看，習慣運行條件下(工況11)效率為94.36%，與摻燒貧煤時(工況1)幾乎一致。

3.3.2 燃燒調(diào)整試驗結果

表5 單燒煙煤習慣性運行工況試驗結果Tab.5 Results under firing bituminous coal during usual operation and testing

分別在900 MW，700 MW兩種機組負荷下，進行變磨煤機組合方式、變爐膛氧量、變CCOFA及SOFA風門開度等運行控制方式改變的鍋爐單燒煙煤運行優(yōu)化調(diào)整試驗，試驗結果如表6所示。工況12試驗結果表明，通過降低燃燒運行氧量，可進一步再降低NOx排放濃度約50 mg/m3。在機組負荷為700 MW負荷下，即使采用上5臺磨組合方式(即B、C、D、E、F 磨組合運行方式)運行，鍋爐NOx排放濃度也可控制在300 mg/m3左右(工況14—16)，處于相同負荷水平時日常習慣性運行方式下的下限水平，而蒸汽參數(shù)則基本保持在額定值，特別是再熱汽溫可達到日常習慣性運行方式下的上限處。

表6 鍋爐單燒煙煤運行優(yōu)化調(diào)整試驗結果Tab.6 Results for optimizing the operations tests under firing bituminous coal

3.3.3 低NOx排放燃燒優(yōu)化控制分析

表5中，在機組負荷為900 MW下，當降低運行氧量后(工況12)鍋爐效率略升高至94.52%，這主要是因為煙氣量減少導致排煙損失減少；而下5臺磨組合運行時鍋爐效率則可以提高至94.72%，這是爐內(nèi)燃燒區(qū)域降低最終導致鍋爐排煙溫度明顯降低因而排煙損失小的結果。因此，單燒煙煤條件下，高負荷時推薦采用下5臺磨組合運行方式，不僅可顯著降低鍋爐的NOx排放濃度，還可實現(xiàn)更高的鍋爐效率。

試驗結果表明：在機組負荷為700 MW下，鍋爐單燒煙煤采用下五磨組合運行方式(工況13)，NOx排放濃度可降至200 mg/m3以下(183 mg/m3，工況13)，并且下5臺磨組合運行方式對蒸汽參數(shù)的影響較小(見圖2)，鍋爐效率則能提高至94.72%。通過調(diào)整各磨的燃料量分配一定程度上還可實現(xiàn)較低的NOx排放濃度(工況16)，而鍋爐效率與相同負荷水平下?lián)綗毭哼\行時基本一致。當采用中間4臺磨(B、C、D、E磨)運行時(工況17)，實測鍋爐NOx排放濃度為187 mg/m3。與上5臺磨運行方式相比，這顯然是火焰中心下移、爐內(nèi)還原區(qū)域顯著擴大的結果，而這種運行方式對蒸汽參數(shù)影響也很小。此外，與摻燒貧煤時一樣，中間4臺磨組合運行方式時鍋爐效率也較高。因此，在機組負荷為700 MW下，采用中間4臺磨(B、C、D、E磨)運行方式是值得推薦的磨煤機組合運行方式。

3.4 摻燒貧煤試驗與單燒煙煤試驗比較分析

從表2—5可以看出，在機組負荷為900 MW下，該1000 MW鍋爐單燒煙煤在習慣運行條件下(工況11)NOx排放濃度為310 mg/m3，鍋爐效率為94.44%。與相近條件下鍋爐摻燒貧煤試驗工況(工況1)相比，鍋爐效率相近，但NOx排放濃度低近50 mg/m3。鍋爐單燒煙煤試驗工況13，采用下5臺磨組合運行方式， NOx排放濃度為183 mg/m3；而摻燒貧煤時工況2鍋爐NOx排放濃度為246 mg/m3，比單燒煙煤時高得多。工況2與工況13的主要差異是前者的燃燒氧量高近0.5%，這意味著在與工況13相同氧量水平下，工況2對應的NOx排放濃度會有所降低。但根據(jù)工況2與工況3的比較來看，在工況2基礎上降低燃燒氧量0.5%可導致NOx排放降低約40～50 mg/m3，這與工況13相比NOx排放濃度仍然較高。因此在高負荷(900 MW)運行時，在相同條件下?lián)綗毭簳rNOx排放濃度比單燒煙煤時高，只是在下5臺磨組合運行方式時二者的差異相對較小。

對于機組負荷為700 MW時，單燒煙煤的工況17與摻燒貧煤的工況10燃燒運行條件相近，二者均采用中間4臺磨運行，燃燒氧量水平接近。結果顯示，雖然二者的鍋爐效率一致，但摻燒貧煤時NOx排放濃度比單燒煙煤時高近120 mg/m3。因此，在機組低負荷運行時，鍋爐采用單燒煙煤運行對于控制低NOx排放具有明顯的優(yōu)勢。

3.5 燃燒運行氧量及其對NOx排放濃度的影響

燃燒運行氧量顯著影響鍋爐NOx排放濃度，氧量越高一般生成NOx也越多[5-7]，試驗過程中燃燒氧量調(diào)整時的結果充分體現(xiàn)出這一影響，因此運行氧量的合理控制十分重要[18-20]。

根據(jù)試驗時DCS數(shù)據(jù)和鍋爐日常運行數(shù)據(jù)，圖3給出了在SCR入口處鍋爐NOx排放濃度隨SCR入口煙氣氧量變化情況。相同氧量時，摻燒貧煤時鍋爐NOx排放濃度比日常運行的平均值約低100 mg/m3。一個重要的原因是，除工況1之外，試驗都是在停上層F磨條件下進行的，這與日常磨煤機組合運行控制方式不同。停F磨時火焰中心的降低和爐內(nèi)還原區(qū)的擴大是導致鍋爐NOx排放濃度降低的主要原因。另外，單燒煙煤試驗時NOx排放濃度比摻燒貧煤時明顯低，其中一個原因是試驗過程中采用的燃燒氧量水平較低，但低負荷時相同氧量水平下單燒煙煤NOx排放濃度明顯低，這顯然是燃煤煤質(zhì)差異導致的。

4 結論

基于機組DCS系統(tǒng)中歷史運行數(shù)據(jù)分析，對某電廠1000 MW 超超臨界機組鍋爐開展摻燒貧煤NOx排放的燃燒優(yōu)化試驗研究，得到以下結論：

(1) 試驗結果與歷史運行數(shù)據(jù)比較分析發(fā)現(xiàn)，運行氧量偏高是鍋爐低負荷運行時NOx排放濃度偏高的主要原因之一。另外，適當降低氧量運行，將能降低鍋爐NOx排放濃度的同時，提高鍋爐熱效率，同時也能降低廠用電率。

(2) 在鍋爐低負荷運行時，無論是單燒煙煤還是摻燒貧煤，采用中間4臺磨(B、C、D、E磨)運行的磨組運行方式代替習慣5臺磨組合運行方式，均可實現(xiàn)較低的NOx排放濃度目標和較高的鍋爐效率。

(3) 鍋爐在采用合理磨組運行方式和運行氧量下，對于單燒煙煤，無論是在高負荷還是低負荷運行時，鍋爐NOx排放濃度均可能控制在200 mg/m3以下；對于摻燒貧煤，高負荷時可實現(xiàn)在250 mg/m3以下的NOx排放濃度水平，低負荷時鍋爐NOx排放濃度控制到300 mg/m3，鍋爐效率也較高。

(4) 在低負荷工況下，鍋爐摻燒貧煤運行時，通過適當減少摻燒的貧煤量，能夠達到進一步降低鍋爐NOx排放濃度的目的。

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