宋大勇，张家维，吴 炬，张振杰，吴景兴

(辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

300 MW亚临界锅炉NOx排放量和机组经济性的综合治理

宋大勇，张家维，吴 炬，张振杰，吴景兴

(辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

分析了燃煤火力发电厂NOx产生机理及影响因素，指出煤质、炉内燃烧温度、氧浓度及分布状况是影响NOx生成量最直接因素。对于已投产机组，控制运行氧量、实现空气分级燃烧、优化磨煤机组合方式是降低NOx排放量的主要措施。通过降低运行氧量1% ～1.5%，NOx排放量可下降10% ～40%，供电煤耗下降1～2 g/kWh;通过加强空气分级燃烧，NOx排放量可下降10%～40%，供电煤耗变化不大。采用下4台磨煤机组合方式，NOx排放量可下降50～100 mg/Nm3。

NOx经济性;氧量;空气分级;磨煤机组合方式

火力发电厂氮氧化物排放控制问题已越来越受到我国政府的关注和重视GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》规定，2014年7月1日起，2003年12月31日后建成投产的火力发电厂 (W型火焰锅炉、循环流化床锅炉除外)执行氮氧化物排放浓度限值为100 mg/Nm3的标准［1］。为此，火力发电厂正积极开展降低氮氧化物 (NOx)排放量工作，其中，锅炉运行参数调整是降低NOx排放量的有效手段之一，并为其他降低NOx排放量方案，如锅炉燃烧器改造、增设二次脱硝设备等，提供较强的科学指导。但运行调整采取的措施可能对机组经济性产生一定影响。因此，以300 MW亚临界锅炉为例，就锅炉部分运行参数调整对NOx排放量和机组经济性的综合影响进行了研究。

1 设备概述

某电厂1号锅炉为HG-1025/17.5-HM35型自然循环汽包锅炉，采用单炉膛、平衡通风、四角切圆燃烧方式，设计燃料为褐煤。锅炉以最大连续负荷 (BMCR工况)为设计参数，在机组电负荷为335 MW时锅炉的最大连续蒸发量为1 035 t/h，机组电负荷为300 MW(BRL工况)时锅炉额定蒸发量为960.0 t/h。炉膛出口依次布置:墙式再热器、分隔屏过热器、后屏过热器、后屏再热器、末级再热器、末级过热器、低温过热器、省煤器、空气预热器等受热面。每台炉配5台中速磨煤机，4投1备，A磨为最下层磨，E磨为最上层磨，每层燃烧器喷口垂直距离为1.67 m，距E磨3.5 m处布置了3层SOFA风。燃烧器可上下摆动，最大摆动角度为±30°。

2 NOx生成量的影响因素分析［2-5］

在煤燃烧过程中，生成NOx的途径有:热力型NOx、燃料型NOx、快速型NOx。

2.1 热力型NOx的生成

在高温环境下，由燃烧用空气中的氮氧化物而生成的NOx，称为热力型NOx。影响热力型NOx生成量的主要因素有燃烧反应温度、氧气浓度和反应时间，主要控制因素是温度，温度对热力型NOx生成速率的影响呈指数函数关系。在1 350℃以下时，热力型NOx生成量很少，但随着温度的升高，NOx生成量迅速增加;当温度达到1 600℃时，热力型NOx的生成量可占炉内NO生成总量的25%～30%。影响热力型NOx生成的主要因素是反应环境中的氧浓度，NOx生成速率与氧浓度的平方根成正比。因此，控制热力型NOx生成量的方法是:降低燃烧温度水平，避免局部高温;降低氧气浓度;缩短燃烧产物在高温区内的停留时间。

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烧过程中发生热解，并进一步氧化生成的，由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600～800℃时就会生成，燃料型NOx占煤粉锅炉NOx生成总量的70%～80%。由于煤的燃烧过程由挥发分燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型NOx的形成也由气相氮的氧化 (挥发分)和焦炭中剩余氮的氧化 (焦炭)两部分组成。挥发分氮占主要比例，而且析出速度很快，因此，控制着火初期NOx生成量是控制燃料型NOx的主要方式，降低着火初期氧浓度，即空气分级是控制NOx生成非常有效的措施之一。

2.3 快速型NOx生成

快速型NOx是通过燃料生成CH原子团撞击N2分子，生成CN类化合物，再进一步氧化生成NO，这个反应进行很快，因此称之为快速型NOx。温度对快速型NOx的生成影响很小，与热力型NOx和燃料型NOx生成量相比，快速型NOx的生成量要小很多。

由以上分析可见，影响NOx生成量直接因素是煤质、炉内燃烧温度、氧浓度及分布状况。而锅炉的容量大小、锅炉结构、燃烧器形式、煤种、运行氧量、运行方式 (二次风门开度配比、制粉系统配比等)是决定炉内燃烧温度、煤质、氧浓度及分布状况等的直接因素。但对已投产的锅炉来说，锅炉型号、煤质已确定，运行过程只能通过氧量、二次风门开度配比、制粉系统配比的优化来降低NOx生成量。

3 运行调整优化

3.1 空气分级对NOx排放量和机组经济性的影响［6］

在60%负荷工况1下，NOx排放量为846.9 mg/Nm3以上，通过将SOFA风门从10%开到40%(工况1调整到工况3)，NOx排放量下降了135 mg/Nm3，灰渣可燃物含量变化不大，锅炉热效率和供电煤耗变化不大。

在80%负荷工况1下，NOx排放量为460.4 mg/Nm3，通过将SOFA风门从10%开到40%(工况1调整到工况2)，NOx排放量下降了137.7 mg/Nm3，灰渣可燃物含量变化不大，但受运行氧量和辅机电耗变化的影响，供电煤耗下降了0.6 g/kWh。开到70%后，工况3与工况1相比，NOx排放量下降了173.8 mg/Nm3，受辅机电耗和排烟温度等其他因素的影响，供电煤耗升高了0.3 g/kWh。

在100%负荷工况1下，NOx排放量为433.8 mg/Nm3，通过将SOFA风门从50%开到70%(工况1调整到工况2)，NOx排放量下降了48.1 mg/Nm3。开到 90%后，NOx排放量下降了58.1 mg/Nm3，灰渣可燃物含量变化不大，锅炉热效率和供电煤耗变化不大。

由60%、80%、100%负荷下二次风优化试验可见，SOFA风门开大后，加强了空气分级燃烧，NOx排放量下降比例可达到10% ～40%。虽然个别工况出现炉渣可燃物含量略有增加现象，但总体上，过燃风开大后，灰渣可燃物含量变化不明显，证明在一定程度上分级燃烧，对褐煤的燃烧效率影响不大。通过计算，二次风优化后，供电煤耗变化不大。不同负荷下空气分级对NOx排放量和经济性的影响如表1所示。

3.2 运行氧量对NOx排放量和机组经济性的影响

在60%负荷下，SOFA风门开度在40%左右时，从工况1变化到工况3，虽然灰渣可燃物含量略有升高，但排烟热损失下降明显，锅炉热效率升高了0.48%，同时引风机和送风机等辅机电耗下降174 kW，供电煤耗下降1.7 g/kWh，NOx排放量下降128.9 mg/Nm3，下降比例为21%。

在80%负荷下，SOFA风门开度在70%左右时，运行氧量从4.6%下降到4.1%(从工况1变化到工况2)，灰渣可燃物含量略有升高，但排烟热损失下降明显，锅炉热效率升高了0.22%，同时引风机和送风机等辅机电耗下降77 kW，供电煤耗下降0.9 g/kWh。NOx排放量下降55.4 mg/Nm3。当运行氧量降到3.4%，工况3与工况1对比，灰渣可燃物含量略有升高，但排烟热损失下降明显，锅炉热效率升高了0.36%，同时引风机和送风机等辅机电耗下降189 kW，供电煤耗下降1.6 g/kWh，NOx排放量下降148.6 mg/Nm3，下降比例为34%。

在100%负荷下，SOFA风门开度在50%左右时，将运行氧量从4.2%降到3.7%(从工况1变化到工况2)，灰渣可燃物含量略有升高，但排烟热损失下降明显，锅炉热效率升高了0.04%，同时引风机和送风机等辅机电耗下降125 kW，供电煤耗下降 0.3 g/kWh，NOx排放量下降 57.7 mg/Nm3。当运行氧量降到3.2%，工况3与工况1对比，灰渣可燃物含量略有升高，但排烟热损失下降明显，锅炉热效率升高了0.20%，同时引风机和送风机等辅机电耗下降272 kW，供电煤耗下降1.1 g/kWh，NOx排放量下降 110.7 mg/Nm3，下降比例为20%。

由60%、80%、100%负荷下氧量优化试验可见，过高的运行氧量不但造成NOx排放量增加，而且造成锅炉热效率下降、辅机电耗增加，进而造成供电煤耗增加。在60%负荷下，6.0%左右的运行氧量下降1.5%，NOx排放量下降20%左右，供电煤耗下降 1.7 g/kWh左右。在 80%负荷下，4.5%左右的运行氧量下降1.0%，NOx排放量下降34%左右，供电煤耗下降1.6 g/kWh。在100%负荷下，4.0%左右的运行氧量下降1.0%，NOx排放量下降20%左右，供电煤耗下降1.1 g/kWh。不同负荷下运行氧量对NOx排放量和经济性的影响如表2所示。

在不同负荷下，在一定范围内，随着氧量降低，灰渣可燃物含量有增加的趋势，但受排烟热损失下降幅度较大的影响，锅炉热效率呈升高之势。可见，对于燃用褐煤锅炉，低氧运行不但有利于降低NOx排放量，而且还有利于降低供电煤耗。

3.3 制粉系统运行方式对NOx排放量和机组经济性的影响

在70%负荷下，当由上4台磨煤机运行切换到下4台磨煤机运行后，过热系统减温水量下降1.2 t/h，再热汽温下降4.3℃，综合对比，供电煤耗升高0.36 g/kWh，NOx排放量下降99 mg/Nm3。

表2 不同负荷下运行氧量对NOx排放量和经济性的影响

表3 不同负荷下制粉系统运行方式对NOx排放量和机组经济性的影响

在100%负荷下，当由上4台磨煤机运行切换到下4台磨煤机运行后，过热系统减温水量下降2 t/h，再热系统减温水流量下降4 t/h，综合对比，供电煤耗下降0.31 g/kWh，NOx排放量下降60 mg/Nm3。不同负荷下粉系统运行方式对NOx排放量和机组经济性的影响如表3所示。

当由上4台磨煤机运行切换到下4台磨煤机运行后，火焰中心下移，炉内水冷壁吸热量增加，炉膛出口烟温下降，炉膛出口以后的受热面吸热量减少，使过热系统减温水流量下降，再热系统吸热量下降［7］。另外，由上4台磨煤机运行切换到下4台磨煤机运行拉大了燃尽风和主燃烧器区域的距离，增强了空气分级作用，降低了NOx排放量。对于HG-1025/17.5-HM35型锅炉，存在低负荷再热汽温不足，高负荷汽温过高的问题。因此，制粉系统运行方式不但要考虑对NOx排放量的影响，而且还要考虑到对再热汽温的影响［8］。当低负荷采用下4台磨运行方式时，虽然有利于降低NOx排放量，但不利于提高再热汽温，高负荷采用下4台磨运行方式时，不但有利于降低NOx排放量，而且还有利于降低再热系统事故喷水量，提高机组经济性。

4 结论

a. 影响NOx生成量的直接因素是煤质、炉内燃烧温度、氧浓度及分布状况等。对于已投产机组，降低运行氧量、实现空气分级燃烧、合理优化磨煤机组合方式是降低NOx生成量的主要调整手段。

b. 通过开大 SOFA风门，实现空气分级，NOx排放量下降比例最大可达到40%左右，对于褐煤锅炉来说，在一定程度上空气分级燃烧对机组经济性影响不大。

c. 通过降低运行氧量1% ～1.5%，NOx排放量可下降10% ～40%，供电煤耗下降1～2 g/kWh。

d. 当低负荷采用下4台磨运行方式时，虽然有利于降低NOx排放量，但不利于提高再热汽温，高负荷采用下4台磨运行方式时，不但有利于降低NOx排放量，而且还有利于降低再热系统事故喷水量，提高机组经济性。

［1］ GB13223—2011.火电厂大气污染物排放标准［S］.

［2］ 岑可法，姚 强，骆仲泱，等.燃烧理论与污染控制［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［3］ 孙锦余.利用氮氧化物控制技术治理大气污染［J］.节能，2004，24(5):41-44.

［4］ 应凌俏，曹欣玉，牛志刚.烟煤热解过程中氮的释放特性研究 ［J］.煤炭学报，2004，29(1):101-04.

［5］ 周国民.燃煤锅炉NOx排放特性及其燃烧优化 ［J］.锅炉技术，2006，37(3):77-80.

［6］ 张成恩.分级燃烧技术的应用 ［J］.锅炉技术，1998，29(6):23-23.

［7］ 冯俊凯，沈幼庭.锅炉原理及计算［M］.北京:科学出版社，1992.

［8］ 张文景，黄郁明，张书谨.大型机组再热汽温调节手段研究［J］.热能动力工程，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，硕士，工程师，从事电站锅炉的性能试验、故障诊断和设备改造等工作。

2012-12-05)