大型电站锅炉高效低NOx燃烧优化运行技术研究

第 4 5 卷第 5期 2 0 1 4年 9月 锅 炉 技 术 B0I I ER TECHN0L0GY Vo L 4 5，NO 5 S e p t ，2 01 4 大型 电站锅炉 高效低 N O 燃烧优化运行技术研究 刘发圣 ，敖 光辉 ，李海 山 ，桂 良明 ，王 潜 ，江卫 国 ，曾过 房。 ( 1 国网江西省 电力科学研究 院 电源技术中心 ，江西 南 昌 3 3 0 0 9 6 ； 2 贵溪发电有限责任公 司 ， 江西贵溪 3 3 5 4 0 0 ； 3 江西 中电投新 昌发 电有限公司 ，江西 南 昌 3 3 0 0 9 6 ) 摘要 ： 介绍了电站锅炉 NO 的生成机理 ， 通过对 贵溪 电厂 6 4 0 Mw 超临界 直流炉 的试验研 究 ， 找 出了炉 膛 出 口氧量 、 二次风配风方式 、 S O F A风控制方式 、 一次风速等对锅炉效率和 N O 排放量 的影响规律 。依据试 验研究 的结果 ， 对锅炉效率和 NO 排放量进行综合优 化 ， 确定 了最佳运行方 案 ， 使 得锅炉效率 提高了0 4 4 ， 脱 硝人 口 NO 排放量 由 5 2 5 mg m。 下降到 3 1 5 mg m 。最后将最终优化工况进行 了数值模拟 ， 数值模 拟的结 果与实测数值非常接近。数值模拟 的准确性 为后期其 它工 况数据模拟提供 了可靠 的依据 。 关键词 ： 锅炉 ；效率 ；优化运行 ；低 NO 燃烧 中图分类号 ： TK 2 2 9 6 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 6 7 2 4 7 6 3 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 5 8 0 6 0 前 言 电站 锅 炉 煤 燃 烧 排 放 的氮 氧 化 物 ( NO ) 是 大 气 的主要污 染 源之 一 ， 每 年消 耗 的 煤量 占全 国 煤 炭销售 的 6 0 以上 ， 燃煤 带来 的污染 物 主要 包 括 氮 氧化物 ( No ) 、 硫 氧 化物 ( S O ) 、 烟尘 等 。近 年 来氮 氧化 物 的危 害 已越来 越 受 到 人们 的关 注 ， 绝 大 多 数 国 家 和 地 区 都 制 定 了 较 严 格 的 限 制 NO 的法规 和标 准 。我 国环 保部 发 布 的 火 电厂 大气 污染物 排 放标 准 ( GB 1 3 2 2 3 2 0 1 1 ) 从 2 0 1 2 年开 始实施 ， 要求 所有 新建 火 电机 组 排 放 的 NO 质量 浓度都 要 达 到 1 0 0 mg m。 。从 2 0 1 4年 7月 1日开始 ， 重点 地 区所有 投运火 电机 组 NO 排放 量都 要 达 到 1 0 0 mg m。 ， 非 重 点 地 区 2 0 0 3年 以 前投 产 的机组 要 达 到 2 0 0 mg m。 。国 家 2 0 0 4年 开始 对 NO 排放 进 行 收费 ， 实行 零排 放 的原则 ， 每排 放 1 k g的 NO 收 费 0 6 3元 。且 多 个 省 份 在研 究 实行对 NO 排放 量 小 于 1 0 0 mg m 的火 电机组 实行 0 0 0 8 0 0 1 2元 ( k W h ) 的电价 优 惠 。控 制燃煤 电厂 NO 排放 的 问题越来 越 急迫 ， 不仅对 国 民经 济 发 展 和 改 善 生 态 环 境 有 着 十分 重要 的现实 意义 ， 同时对 企 业 的经 济 效 益 也将 产 生 明显 影 响 。 1 N O 的生成 机理 燃 煤 锅 炉 生 成 的 NO 主 要 是 NO， 约 占 9 5 ， NO 。 仅 占5 ， NO 等其它形式在 N( ) 排放 中的 比重 则不 高 ， NO 按 其燃 煤锅 炉 形 成 的机 理 分 为 3 种 ： 热 力型 、 快 速 型及燃 料 型 。 热力 型 N ： 它 是 空气 中的 氮气 在 高 温 下 直 接 氧化而生成 的 N O x ， 它 的生成 和温度 密 切相 关 。 当火焰 温 度 1 5 0 0 时 ， 将 会 大量 生成 热 力 型 N ( ) r 。但是煤粉火焰一般达不到这么高的温度 ， 所 以热力型 N( ) 在 燃煤排放 的 N 中含量并不 高 。 快速 型 NO ： 它是 煤粉 燃烧 时燃 料 中 的碳 氢 离子 团与 空气 中 的氮 反应 生成 的 NO ， 它 在 NO 排放 量 中的 比重也不 高 。 燃料型 N( ) ： 它是燃料中的氮化合物在燃烧 过程 中热 分解 后接着 氧化 而生 成 的 NO ， 它 的生 成与温度的关系不大 ， 但是与过量空气系数密切 相关 ； 是 煤 粉 燃 烧 过 程 中生 成 NO 的 最 主 要 途 径 ， 占 NO 总量 的 6 O 8 0 以上 。 2 设 备概 况 江西 贵 溪 发 电厂 有 限责 任 公 司“ 上 大 压 小 ” T程 三 期 1号机 组 锅 炉 系 哈 尔 滨 锅 炉 厂 有 限 责 任公 司 自主开 发研制 的 HG 一 1 9 6 4 2 5 4 - YMI 7型 超 临界锅 炉 。该锅 炉 为一 次 中 间再 热 、 超 临 界 压 力变 压运 行 带 内置 式 再 循 环 泵 启 动 系统 的 直 流 锅炉 、 单 炉膛 、 平 衡 通 风 、 固 态 排 渣 、 尾 部 双 烟 道 结构 ， 利 用挡板 调节 再 热 汽 温 、 全钢 架 、 全 悬 吊结 收稿 日期 ： 2 0 1 31 21 6 ； 修回 日期 ： 2 0 1 4 0 6 l 1 作者简介： 刘发圣( 1 9 8 3 ) ， 男 ， 工学硕 士， 工程师 ， 主要从事电站锅炉的优化运行试验及调试工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 刘发 圣 ， 等 ： 大型电站锅炉高效低 NO 燃烧优化运行技术研究 构 、 露 天布 置 的 兀 型 布置 。采用 中速 磨 直 吹制 粉 系统 ， 每炉 配 6台 HP 1 0 0 3碗 式 中速磨 煤机 ， 燃用 设计煤种时 5台运行 ， 1台备用 。锅 炉主要设计 参 数列 于表 1 。 燃 烧器 共 3组 ， 其 中下 2 组 为煤 粉燃 烧 器 ， 布 置 于 4面 墙 上 ， 最 上组 为 S O F A 燃 烧 器布 置 于 4 个角上， S O F A燃烧器 出口射流中心线和水冷壁 中心 线 的夹 角 分 别 为 4 2 。 和 4 8 。 。S OF A 燃 烧 器 可进 行 1 2 。 的水 平 摆 动 ， 1号 、 3号 角 曲 柄 向上 调 ， 2 号 、 4号 角 曲柄 向下 调 ， 切 圆变 小 ； 反 之 切 圆 变大 。煤 粉燃 烧 器 二 次 风 偏 离 一 次 风 5 。 进 入 炉 膛 ， 形 成 风 包 粉 的 布 置 方 式 ， 一 次 风 、 二 次 风 及 S oF A 风 气 流 均 形 成 逆 时 针 切 圆 ， 见 图 ( 1 、 2 ) 。 燃烧 器采 用 C E传 统 的 大 风箱 结 构 ， 共 设 六 层 水 平浓 淡煤 粉一 次 风 喷 口从 下 往 上 依 次为 A 层 、 B 层 、 C层 、 D层 、 E层 、 F层 ， 四层 分 离 型 S O F A 风 室从 下往 上依 次 为 G层 、 H 层 、 I 层 、 J 层 。 江西 贵 溪 发 电 厂 有 限 责 任 公 司 1号 炉 自 2 0 1 2年 1 2月 投 产运 行 以来 ， 锅 炉一 直 存 在 NO 偏 高 的 问 题 ( 脱 硝 人 口 NO 排 放 量 最 大 超 过 5 0 0 mg m。 ) ， 从 而导 致 该 机 组 脱 硝 出 口 NO 排 放 量 经 常 达 不 到 国 家 最 新 标 准 的 要 求 ( 小 于 1 0 0 mg m。 ) ， 从而 对 环 境 造 成 污染 ， 并 影 响 电 厂 的经 济效 益 。电 厂 委 托 国网 江 西 省 电力 科 学 研 究 院 于 2 0 1 3年 3月对 该 炉进行 调整试 验 ， 来 降低 NO 的排放 量并 提高 机组 经济性 。 表 1 锅 炉 的主要 设计 参数 名 称 负 荷 工 况 B MC R T R L 7 5 THA 高加全切 主蒸 汽流量 ( t h ) 主蒸 汽 出 口压 力 MPa g 主蒸 汽 出 口 温度 再 热 蒸 汽 出 口压 力 MP a g 再 热蒸 汽 出 口温 度 再 热 蒸 汽 进 口压 力 MP a g 再 热蒸 汽进 口温度 c 锅炉计算效率 ( 按低位发热值) 锅炉保证效率 ( 按低位发热值) 1 9 63 98 25 40 571 4 91 5 56 9 5 1 45 3 35 1 9 3 83 1 87 0 45 2 5 2 8 5 71 4 659 5 69 4 87 6 3 28 9 3 9 O 9 3 4 0 1 2 3 37 2 18 6 4 5 71 3 18 5 5 69 3 33 4 31 9 8 9 39 3 1 48 4 21 2 2 47 571 4 5 O2 56 9 4 7 O5 3 35 5 9 4 78 1 号 A 侧 2 号 1前 l墙 l璺 4 号 10 3 e s 图 1 煤粉燃烧器平面 布置 图 3 燃烧调整分析 本次 试 验 是在 6 0 0 MW 负荷 下 ， 燃 用 煤 质 为 江西贵溪 发 电厂有 限 责任公 司常用 煤种 的情 况下 实施 的 ， 设 计煤 种 和试 验 煤种 如 表 2 ， 通过 现 场热 态燃烧调 整试验 ， 找 出 了炉膛 出 口氧量 、 二次 风配 风方式 、 一 次风速 、 煤粉 细度 、 S O F A风控 制方 式对 锅炉 N 排放和 锅 炉效 率等 输 出变 量 的影 响 ， 最 后 综合优化 N 排放 量 和锅 炉 效率 ， 找 出最 佳运 行 方案 。燃 烧调整试验 中 Nq 数值取表 计值 。 表 2锅 炉设计 煤 种及试 验煤 种分 析 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 O 锅 炉 技 术 第 4 5卷 3 1炉 膛 出 口氧 量 对 锅炉 效 率 和 N O 排放 量 的 影响 根据 以往运 行及 燃 烧 调整 经 验 ， 取 表计 氧量 值分 别为 ： 2 4 、 2 8 、 3 5 、 4 1 ， 其 它 主要 运行 参数保 持 如表 3中原 始 工况 数 据 不 变 ， 测 量 灰渣 含 碳 量及 NO 排放 量 ， 同时计 算 锅 炉效 率 。 锅 炉效率 和 NO 排 放量 与炉 膛 出 口氧量 关 系 曲 线 见 图 3 。 由图 3可 见 ， 炉膛 出 口氧 量 对 锅 炉 效 率 和 NO 排 放量 的影 响较大 ， 锅炉 效率 在氧量 为 3 0 左 右 时 较 高 。 随着 锅 炉 氧 量 的降 低 ， 锅 炉 燃 烧不 充分 ， 导 致 效 率 降 低 ； 在 氧 量 过 大 时 烟 气 量 增大 ， 排 烟 损 失 增 大 ， 同时 影 响 了 主 燃 区 的二 次风速 及 动 量 ， 造 成 燃 烧 恶 化 ， 锅 炉 效 率 下 降 。 随着锅 炉 氧量 的增加 ， NO 曲线 为 一单 调 递增 曲 线 。因此 ， 综 合 考虑锅 炉燃烧 的经 济性 和 NO 的 排放量 ， 应该 将 炉膛 出 口氧 量控制 在 2 8 左 右 。 5 30 4 80 4 30 。 3 30 28 0 23 0 z l 8 O 图 3锅炉效率和 NO 排放量与炉膛 出口氧量关系 曲线 3 2 二 次 风 配风 方 式 对 锅 炉效 率 和 N O 排 放量 的影 响 为 了解 二 次风 配 风 方 式 对 锅 炉 效 率 和 NO 排放量 的影 响 ， 进 行 了正塔 、 均 等 、 束 腰 和 倒 塔 配 风方 式下 的试 验 研 究 ， 其 它主 要 运行 参 数 保 持 如 表 3中原 始 工况 数据 不 变 。锅 炉效 率 和 NO 排 放 量 与二 次 风 配 风 方 式 关 系 曲线 见 图 4 ， 由 图 4 可见 ， 二 次风配风 方式对 锅炉 NO 排 放量 有 较大 的影响 ， 在炉膛 出 口氧量 保持一 定 的情况 下 ， 正塔 配风 N O 的排 放量 比倒塔 配风高 3 2 7 ， 可见煤 粉与空气 的早 期 混 合 对 N( ) 的排 放 量 有 较 大 的 影响 ， 改变二次风 的配风方式相当于改变了某一 范 围 内 的风 量 和粉 量 之 比。4种 配 风方 式 下 ， 倒 塔配 风方式 下 的锅 炉效 率 最低 ， 其 它 3种 配 风 方 式下 的飞灰 可燃 物 含 量差 别 不 大 ， 倒 塔 配 风 方 式 下 的飞灰含 碳量 高 一 些 ， 这是 因为 倒塔 配 风 方 式 下煤 粉前期 的燃 烧 处 于 贫氧 燃 烧 ， 不利 于煤 粉 的 燃 尽 ， 导致 效率下 降 。综合 考 虑 锅 炉效 率 和 NO 的排放量 ， 均等或 者束腰 的配 风方式较 优 。 55 0 吕 5 00 45 0 4o 0 35 0 3 0 0 25 0 z 2 0 0 93 6 O 9 3 5 5 93 5 O 93 4 5 9 3 4 0颖 9 3 35 9 3 3 O罪 93_ 25 93 20 正塔 均等 束腰 倒塔 二次风配风方式 图 4 锅炉效率和 N ( 排放量与二次风配风方式关系曲线 3 3 S O F A 风控 制方 式对锅 炉效 率和 N O 排 放量 的影 响 锅 炉效率 和 N0 排 放 量 与 S OF A 风 挡板 开 度 关 系 曲线 见 图 5 ， 在 进行 S O F A 风挡 板 开 度试 验时 ， 其它 主要 运行 参数 保 持 如 表 3中原 始 工况 数据 不变 。 由图 5可 见 ， 随着 S O F A 风挡 板 开度 增加 ， NO 排放 量 单 调 下 降 ； 锅 炉 效 率 虽 有 波 动 但 总体 呈 下 降 的趋 势 ； 优 化 结 果 说 明增 大 S OF A 风可 显著 降低 NO 排放 量 ， 但 同 时影响 了主燃 区 的二 次 风速 及 动 量 ， 造 成燃 烧 状 态 恶 化 ， 降 低 锅 炉效 率 。 S O F A 挡板开度 图 5 锅 炉 效 率 和 NO 排 放 量 与 S OFA 风挡板 开度关 系曲线 5 3 0 g y - 4 8 0 4 3 0 竽 3 8 0 3 3 0 7 - 2 8 0 2 3 0 1 8 0 z 3 4 变 一 次 风 压 对 锅 炉 效 率 和 N0 排 放 量 的 影 响 为 了解 一 次 风 母 管 压 力对 锅 炉 效 率 和 NO 排 放量 的影 响 ， 在 保 持 总一 次 风量 维 持 不 变 的情 况下 进 行 了一 次 风 压 为 ： 7 6 、 8 1 、 8 7 、 9 3 的试 验对 比， 其 它主要 运行 参 数保 持 如表 3 中原 始 工 况数 据 不变 。锅 炉 效 率 和 NO 排 放 量 与一 次风 压关 系 曲线 见 图 6 。 誉 斟 辍 霰 s 嚓 可 雪 皇 血l 枯 Z 图 6 锅炉效率 和 N O 排放量与一次风压关系 曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 刘发圣 ， 等 ： 大型电站锅炉高效低 NO 燃烧 优化运行 技术研究 由 图 6可 见 ， 一 次风 压在 8 0 k P a 左 右时 ， 效 率较高。随着一次风机出 口风压降低 ， 一次风机 电耗降低明显 ， 而 随着一次风压 变化 ， NO 排放 量变化不 明显。建议一次风母 管压力设定 值控 制在 8 5 k P a左右 ， 在 降低一 次 风压 时 ， 运 行人 员 应注意防止磨煤机堵磨 。 3 5 煤粉 细度 对锅 炉效 率和 N O 排 放量 的影 响 为 了解 煤 粉 细度 对 锅 炉 效 率 和 NO 排 放量 的影 响 ， 煤 粉细 度通 过 调 节 磨煤 机 出 口分 离 器挡 板 刻度 来调 整 ， 贵溪 发 电厂 有 限责 任 公 司 磨煤 机 分 离器 挡板 刻 度 量程 为 0 1 0 ， 刻 度 越 大分 离 器 挡 板 开度 越 小 。煤 粉 细 度 试 验 保 持 所 有 磨 煤 机 分 离器 挡板 刻度 分 别 为 3 5 、 4 5 、 5 5 、 6 5 ， 相 应 工 况 下 煤 粉 细 度 R。 。 分 别 为 3 4 、 2 6 、 2 O 、 1 4 ， 其 它 主要 运行参 数 保 持 如 表 3中原 始工 况 数据不变。锅炉效率和 N O 排放量与煤粉细度 关 系 曲线 见 图 7 。 由 图 7可 见 ， 煤 粉 细 度 越 细 ， NO 排 放量 最大 变化 1 8 mg m。 ， 变化 不 明显 ； 锅 炉效率提高 0 2 2 ， 但煤粉越细时磨煤机功耗增 大 ， 综合考虑效率、 NO 排放量和磨煤机功耗， 建 议控制磨煤机出口分离器挡板开度为 4 5 5 5 。 蒸 羹 53 0 48 0目 43 0 3 8 0面 3 30 2 80 2 30 z 1 8O 煤粉细度( 磨煤机 出口分离器挡板刻度) 图 7 锅炉效率和 NO 排放量与煤粉细度关系曲线 4 优化结果分析 燃烧 调整 前期 先 对单 个 因素进 行 试 验 分 析 ， 依据 试验 研 究 结 果 ， 综 合 分 析 兼 顾 锅 炉安 全 性 、 经济 性及 污染 物排放 ， 在 6 0 0 Mw 负 荷 下进 行 优 化工 况试 验 ， 试 验结 果见 表 3 。 表 3优化 效果 对 比 从 表 3可 看 出 ： ( 1 ) 与原始工况相 比较， 单独优化效率 时， 锅 炉 效率 由 9 3 2 上 升到 9 3 8 9 ， 上升 了0 6 9 ， 同时 NO 排放量略有下降， 下降幅度为 1 9 ； 单 独 优 化 NO 排 放 时 ， 脱 硝 入 口 NO 排 放 量 从 5 2 5 mg m。 下降到 2 7 5 mg m。 ， 降低 了 4 7 6 ， 同时效率 也 下 降 了 O 1 8 ， 即在 降 低 N0 排 放 量的同时损失了一定 的锅炉效率 。优化结果说 明 ， 通过增大燃尽风率和降低过氧量可显著降低 NO 的排 放量 ， 同 时影 响了 主燃 区 的二 次 风速 及 动量 ， 造成燃烧状态恶化 ， 降低锅炉效率。 ( 2 ) 从经济性和污染物排放方面综合考虑锅 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 刘发圣 ， 等 ： 大型 电站锅炉高效低 N O 燃烧优化运行技术研究 6 3 R e s e a r ch o n t h e Op e r at i on o f Co mb u s t i o n Op t i mi z a t i o n Te ch n ol o g y f o r L a r g e P o w e r St at i on Boi l er w i t h Hi g h E f f i c i e n c y a n d L ow NO LI U F a - s h e n g ， AO Gu a n g h u i 。 ， u Ha i s h a n ， GUI L i a n g mi n g ， W ANG Qi a n J I ANG W e i g u o ，Z E NG Gu o f a n g 。 ( 1 S t a t e Gr i d j i a n g x i El e c t r i c Po we r Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Na n c h a n g 3 3 0 0 9 6，Ch i n a ； 2 Gui xi P0we r Ge ne r a t i o n Co，Lt d ，Gu i x i 335 4 00，Ch i na； 3 J i a n g x i Xi n c h a n g P 。 we r Ge n e r a t i 。 n P o we r I n v e s t me n t Co ，Lt d ，Na n c h a n g 3 3 0 0 9 6 C h i “ ) Ab s t r a ct ： Powe r p l a nt b oi l e r NO f o r ma t i o n me c ha n i s m ha s b e e n i nt r o d uc e d i n t hi s p a p。 b v me a ns of Gu i xi p owe r p l a nt 6 4 0 mw s up e r c r i t i c a l o nc e t h r o ug h t e s t r e s e a r c h，t i nd i ng o ut ho w t he f ur na c e 。 u t l e t ox y ge n， s e c o nd a r y a i r di s t r i but i o n mod e， t he SOFA wi nd c o n t r ol mo de a n d pr i ma r y a i r v e l oc i t y i nf l u e nc e on t he bo i l e r e f f i c i e nc y a nd t he NOz e mi s s i o ns Ac c o r di n g t o t e s t r e s uI t s ，c o mpr e he ns i v e o pt i m i z a t i on of bo i l e r e f f i c i e n c y a n d NO e mi s s i o ns ， d e t e r mi ne t he o pt i m u m o pe r a t i o n s c he me Ope r a t i n g r e s ul t s s ho w t ha t t he b o l e r e t t c e nc Y i n c r e a s e d b v 0 4 4 ， NO e mi s s i o n s a t t h e d e n i t r a t i o n e n t r a n c e b y 5 2 5 mg m d o w n t o a b o “ 3 1 5 mg ma Fi n a l l y e v e n t u a l l y o p t i mi z e d c o n d i t i o n s a r e s i mu l a t e d ，t h e r e s u l t o t n m。 n s i mu1 a t i on a n d t he m e a s u r e d v a l ue i s v e r y c l o s e The a c c ur a c y o f t he nu me r i c a l s i mu a t o n f or t he I a t e da t a s i mul a t i o n p r ov i d e s a r e l i a b l e ba s i s f or ot h e r c o nd i t i o ns K e y w o r d s： bo i l e r ； e f f i c i e nc y； op t i ma l o p e r a t i on；l ow NOz c o m bu s t i o n ( 上接 第 4 8页) C o n t r o l S t u d i e s o f L o a d R e j e c t i o n T e s t f o r 3 0 0 MW Ci r c ul a t i n g F l u i di z e d Be d Bo i l e r DUA N ( Xi a n Xi n g y i Po we r Ba o， CHEN J u n f e n g ， ZHANG J i g u a n g Ge n e r a t i o n 8 L Co mmi s s i o n i n g Co ，Lt d ，Xi a n 7 1 0 0 6 5 ，Ch i n a ) Ab s t r a