火电厂锅炉炉内低氮燃烧运行优化试验研究

火电厂锅炉炉内低氮燃烧运行优化试验研究

赵阳

河北大唐国际王滩发电有限责任公司      河北省唐山市    063611

摘要：实施超低排放改造后，燃煤发电机组要求炉内低氮燃烧，同时结合SCR降低氮氧化合物排放。虽然炉内低氮燃烧的减排效率不如SCR，但其成本远低于SCR，所以在当今火电燃煤发电机组中仍被广泛使用。但是，实施炉内低氮燃烧存在一些问题，如锅炉燃烧稳定性变差、不完全燃烧损失增加、过热器和再热器减温水量增加、水冷壁易腐蚀等。这些问题最终会导致锅炉热效率的降低，甚至影响锅炉的安全运行。从燃烧的角度来看，提高燃烧效率和控制氮氧化合物排放是相互制约的。如何在提高锅炉燃烧效率的基础上降低氮氧化合物排放是当前研究的一个焦点。

关键词：火电厂锅炉；燃烧效率；NOx排放浓度；运行方案；能耗；

一、火电机组概况

1.机组运行方式。某火电厂共有4台335 MW的燃煤发电机组，现已完成超低排放改造，为了实现环保目标，机组锅炉采用了低氮燃烧的运行方式，再通过烟气SCR脱硝工艺措施来降低排放烟气中的NOx含量，同时机组通过“静电除尘+湿式静电除尘”的复合除尘技术来降低烟气中的烟尘含量，机组通过“石灰石－石膏湿法”的脱硫工艺来降低烟气中的SO2含量。

2.锅炉设备型号参数。以其中一台机组锅炉为研究对象，锅炉为亚临界自然循环汽包炉，采用“单炉膛平衡通风+四角切圆燃烧+固态湿排渣”的燃烧运行方式，同时配备了4台钢球磨和排粉机，锅炉的额定蒸发量为1 000 t/h，过热器出口蒸汽压力为16.7 MPa，过热器出口蒸汽温度为545℃，再热蒸汽流量为854 t/h，再热器入/出口蒸汽压力为3.5/3.3 MPa，再热器入/出口蒸汽温度为335/545℃，给水温度为260℃，排烟温度为134℃。一次风占比为32%，二次风占比为36%，燃尽风占比为20%，其余为周界风和锅炉漏风；燃尽风分4层布置，其中第3/4层燃尽风门采用联合式布置。锅炉燃煤采用混合煤。

二、锅炉运行优化试验

1.试验方案。为了兼顾锅炉效率和出口处NOx含量情况，需充分考虑煤质（煤种1、2）、负荷（230 MW、260 MW）、省煤器出口氧设定值（3.2%、3.7%）、第2层SOFA开度（60%、100%）以及第3/4层SOFA开度（60%、100%）等5种因素的综合影响。试验方案采用正交设计方法，共设计了8种工况，煤质1属于中高硫煤，煤质2属于低硫煤。

2.参数测试、计算方法。（1）锅炉效率计算方法：通过测算不同工况下锅炉的各项热损失，来计算锅炉的燃烧效率，具体计算公式为：

式中：η表示锅炉燃烧效率，%；q2、q3、q4、q5、q6分别表示排烟热损失、气体不完全燃烧热损失、固体不完全燃烧热损失、散热损失及灰渣物理热损失，%；qo表示其他热损失，%；qex表示外来热量与燃料低位发热量的比值，%。（2）烟气成分采集：利用等截面网格法对锅炉燃烧的烟气成分和排烟温度进行测试，排烟温度需在空气预热器出口处进行测试，烟气成分在空预器进出口处进行采样测量，每次测试的时间间隔为15 min。

三、试验结果分析

1.锅炉燃烧效率。不同工况下，排烟热损失和固体不完全燃烧热损失的变化幅度相对较大，对于外来热量与燃料低位发热量的比值也有较大影响，气体不完全燃烧热损失和其他热损失均为0，散热损失、灰渣物理热损失的变化幅度相对较小；在8种工况下，工况5的排烟热损失最大，其次为工况1，排烟损失最小的为工况7；工况4的固体不完全燃烧热损失最大，其次为工况3，最小的为工况5，采用煤质2的固体不完全燃烧热损失相比采用煤质1时，明显减小，表明低硫煤能明显减小锅炉的固体不完全燃烧热损失；工况3的外来热量与燃料低位发热量的比值（绝对值）最大，其次为工况5，最小的为工况7。按照上式计算得到不同工况下锅炉燃烧效率结果。8种工况下的锅炉燃烧效率排序情况为：工况7＞工况6＞工况8＞工况1＞工况5＞工况2＞工况4＞工况3。工况7的锅炉燃烧效率达到94.06%，相比工况3的燃烧效率提升了0.85%，相比同煤质2的其他3种工况，燃烧效率也平均增大了0.32%。利用极差分析法，对8种工况下的锅炉效率进行极差分析，采用中高硫煤的试验工况锅炉燃烧效率明显低于采用低硫煤的试验工况，后者比前者的燃烧效率平均高出0.44%，含硫量每增加1%，锅炉效率降低约0.38%，供电标煤耗率将增加约1.32 g/（kW·h）；增大机组负荷对于提高燃烧效率也有一定效果，但并不明显；省煤器出口氧设定值越大，燃烧效率越低，氧量设定值每增大0.5%，锅炉平均燃烧效率将降低0.23%，供电标煤耗率将增加约0.8 g/（kW·h）；第2层SOFA开度对于燃烧效率为副作用，但影响也较小，每增大40%的开度，锅炉平均燃烧效率将降低0.08%，供电标煤耗率将增加约0.28 g/（kW·h）；第3/4层SOFA开度对于燃烧效率为正作用，但影响也较小，每增大40%开度，平均燃烧效率将提高0.06%，供电标煤耗率将减少约0.21 g/（kW·h）。综上分析可知，5种影响因素对于锅炉燃烧效率的影响排序为：煤质>省煤器出口氧设定值>第2层SOFA开度>第3/4层SOFA开度>负荷。

2.炉膛出口NOx浓度。在8种工况中，工况7的NOx浓度最大，达到344.57 mg/m3，其次为工况4，NOx浓度为343.93 mg/m3，工况8的NOx浓度最小，仅为309.78mg/m3，与最大工况下的NOx浓度相差34.79 mg/m3。同样利用极差分析法，对8种工况下的炉膛出口NOx浓度进行极差分析，低硫煤相比中高硫煤，NOx浓度有所降低，含硫量每降低1%，NOx浓度将降低2.87 mg/m3；机组负荷每增大30 MW，NOx浓度将升高8.7 mg/m3；省煤器出口氧设定值每增大0.5%，NOx浓度将升高6.41mg/m3；当第2层SOFA开度减小40%时，NOx浓度也随之减小3.52 mg/m3；当第3/4层SOFA开度增大40%时，NOx浓度将减小15.35 mg/m3。综上分析可知：5种影响因素对于炉膛出口NOx浓度的影响排序为：第3/4层SOFA开度>负荷>省煤器出口氧设定值>第2层SOFA开度>煤质。

3.综合分析。不同工况下锅炉燃烧效率和炉膛出口NOx浓度试验结果。优化运行的目的，就是要在锅炉效率提升的前提下，尽量减少NOx浓度，从而完成超低排放改造目标。工况7虽然燃烧效率最高，但NOx浓度也相对最大，不符合超低排放的要求；工况6和工况8虽然燃烧效率不及工况7，在8种工况中燃烧效率分列二、三位，但NOx浓度也相对较低，尤其是在工况8下，NOx浓度在8种工况中最小，故将工况6或者8的运行参数视为优选工况，即机组宜选用低硫煤，第2层SOFA开度宜设置为60%，第3/4层SOFA开度以设置为100%开度，负荷和省煤器出口氧设定值则可以根据运行需要，进行合理设置。在优选工况下，锅炉平均燃烧效率将比非优选工况提高约0.39%，可节约供电标煤耗约1.38 g/（kW·h），炉膛出口NOx浓度平均可降低14.49 mg/m3。

总之，根据试验和分析结果，从中优选了两种炉内低氮燃烧运行工况参数：即宜选用低硫煤，第2层SOFA开度宜设置为60%，第3/4层SOFA开度宜设置为100%开度，而负荷和省煤器出口氧设定值则可以根据运行需要进行适当合理的调整。在优选运行工况参数下，锅炉平均燃烧效率将提升0.39%，可节约供电标煤耗约1.38 g/（kW·h），炉膛出口NOx浓度平均可降低14.49 mg/m3。

参考文献：

[1]张锋.火电厂锅炉炉内低氮燃烧运行优化试验探讨.2022.

[2]赵克磊，300 MW级超低排放燃煤机组电袋复合器性能及能效分析.2021.