湄洲湾电厂降低NOx的策略探讨
摘要：通过整理分析湄洲湾电厂NOx排放试验数据，得出NOX和内外调风器、燃烬风开度、磨组合、过剩空气系数的关系，找出降低NOX的主要运行调整手段，以期对同类锅炉运行调整有所借鉴。
关键词：NOx排放指标、锅炉负荷、燃烬风、变氧量
湄洲湾电厂1、2号锅炉均是由美国福斯特·惠勒能源公司与西班牙福斯特·惠勒分公司联合，西班牙制造的亚临界压力、自然循环、平衡通风燃煤汽包炉，实际运行中，由于过剩空气系数、煤质等变化，锅炉NOX排放也有较大幅度的变化。NOX是燃煤电厂排放的主要气体污染物，能直接危害人体健康、破坏臭氧层、破坏环境、形成酸雨和造成温室效应，因此运行中必须对NOX的排放进行及时合理控制。
1、锅炉燃烧技术特点：
1、锅炉在不同的负荷下主要设计参数和煤质特征：
表1 锅炉燃烧主要设计参数
项 目
单位
40%
50%
100%
BMCR
蒸发量
t/h
403.6
505.4
1122
1189.3
汽包压力
MPa
11.17
11.20
18.25
18.25
冷风温度
℃
21
21
21
21
热一次风温度
℃
230
259
315
334
热二次风温度
℃
233
262
318
337
过剩空气系数
1.35
1.30
1.20
1.20
炉膛出口烟温
℃
807
866
1082
1118
排烟温度
℃
94
101
129
131
锅炉效率
%
92.05
92.20
93.16
93.22
电厂设计煤种是印尼平南煤，现改烧成份接近的国产山西烟煤，煤质特征如下：
表2 设计煤种主要参数
内 容
符 号
单 位
设计范围
数值
收到基碳
Car %
60~66
62.8
收到基氢
Har
%
3.5~4.5
4.16
收到基氧
Oar
%
不同
11.4
收到基氮
Nar
%
0.5~1.6
1.20
收到基硫
Sar
%
0.4~0.67
0.44
收到基灰分
Aar
%
4~12
6.0
收到基水分
Mt
%
8~16
14
收到基高位发热量Qgr,arKCAL/KG
Cl
%
0.01~0.04
2、炉膛、燃烧器结构和布置
锅炉炉膛的前后墙共布置了16只低NOX可控流(CF)燃烧器，前后墙各8只，并沿炉膛高度分为上下两排布置，前后墙水平方向上每排共布置4只燃烧器。燃烧器的结构如下图所示：
燃烧器的出口端都装有内、外两级调风器，燃烧用二次风通过这两级调风器进入炉膛。调风器内装有可调叶片用于改变气流的方向和大小。调风器的叶片设计成能使流过的气流产生旋转。火焰峰面位置及火焰形状均可通过调节内外两级调风器来控制。
内调风器可调节燃料与空气的混合气流在靠近燃烧器喷口区域的旋转强度，还可调节该处混合气流的氧量，以及与一次风气流一起来控制混合气流的着火点。外调风器的布置使得通过燃烧器的二次风分成了两股同心的气流。对于这两股气流可分别独立地改变其旋流度。其中一股二次风流经内调风器，其作用如前所述；另一股气流经分流器引导沿轴向进入炉膛。这股气流在炉膛内进入还原性气氛火焰图1 可控流（CF）燃烧器结构图
区，为火焰的完全燃烧提供必要的空气。二次风的旋转运动使火焰和二次风能充分混合，以确保碳在火焰燃烧区内完全燃尽。外调风器叶片的逐渐打开，燃烧器射出的整个射流的旋转强度将减弱，气流拉长，内回流区变小，炉内火焰的形状将会由短而粗变为长而窄的形状。
为了控制NOx的排放水平以及为了煤粉颗粒的充分燃尽，在燃烧器的上方布置有燃尽风(OFA)风口，前后墙各6只，共12只。此外，为了避免水冷壁局部存在还原性气氛造成结焦，在炉膛下部(指燃烧器下面的炉膛区域)的四个角上各装有一个空气入口(边界风)，位置在最下排燃烧器的下面，冷灰斗拐角上面，并与侧墙相邻。
3、制粉系统：
制粉系统为中速磨直吹型式，磨煤机为FWEC提供的MBF23型垂直式中速磨煤机。每台磨煤机对应同层的4只燃烧器。额定负荷时3台磨煤机运行，一台备用。
2、影响NOX排放的主要因素：
电厂锅炉NOX生成主要有两种型式：一个是燃料型 NOX，另一个是温度型NOX。而湄洲湾电厂双调风燃烧器的主要优点正是由于空气的分级送入，只要进行合理调节，既能有效地控制温度型NOx；又能限制燃料型NOx。该燃烧器的基本设计思想是：形成缺氧富燃区和设法降低局部高温区的燃烧温度以抑制NOx的生成，并使温度和氧浓度的高点不同时存在
循着以上思路，湄洲湾电厂从燃烧器内外调风器、磨组合、变氧量、OFA不同方式进行了NOX排放试验。得到以下结果：
2.1、变内外调风器开度：
在保持机组#1负荷350MW稳定、煤质基本不变、ABD磨组合、燃烬风开度50%、空预器入口氧量3.8%情况下。测得数据如下表3：
表3 1炉变内外调风器开度试验数据
工况
T-1
T-2
T-3
T-4
T-5
T-6
负荷MW
350
350
350
350
350
350
投运磨
ABD
ABD
ABD
ACD
ACD
ACD
风煤比kg/kg
1.78
1.77
1.76
1.68
1.69
1.7
外调风％
25
50
60
60
50
25
内调风％
50
50
50
25
25
25
套筒风门开度％
70
70
70
70
70
70
预热器入口氧量％
4.1
3.6
3.8
3.6
3.5
3.5
NOx排放量mg/m3
554.3
580.7
584.5
465.4
438
391.3
从表中数据明显可以看出，外调风器和内调风器同时影响着NOX的生成。内调风器对NOX生成影响会更多一些，这从燃烧器结构可以得到解释,因为内调风基本控制着燃料的着火点，该部分空气量的大小也直接影响到NOX生成。同样进行2号炉的变内外调风器开度试验，测得NOX随内外调风器变化趋势如下：图2 NO2炉NOX随内外调风器开度变化趋势
2.2变磨组合：
湄洲湾电厂C、D磨是下层磨，A、B磨是上层磨。不同组合后测得的结果如下表4：
表4 1炉变磨组合试验数据
工况
T-1
T-2
T-3
T-4
负荷MW
350
350
350
350
投运磨
ACD
ABD
BCD
ABC
风煤比kg/kg
1.7
1.74
1.78
1.76
外调风％
25
25
25
25
内调风％
25
25
25
25
燃烬风％
50
50
50
50
边界风％
100
100
100
100
二次风套筒挡板％
80
70
70
70
预热器入口氧量％
3.4
4
4.2
3.5
NOx排放量mg/m3
374.3
643.8
512.5
549.3
ACD、BCD磨组合可得到较低NOX值，这在后来的2号炉试验中得到相似的结果。也就是说下层磨的组合所形成的燃烧区域氧量场助于降低NOX的形成。
2.3变氧量：
同样在#1机组350MW工况，变氧量后锅炉NOX试验数据如下表5：
表5 1炉变氧量试验数据
工况
T-1
T-2
T-3
负荷MW
350
350
350
投运磨
ABC
ABC
ABC
磨煤机挡板开度％
80/80/80
80/80/80
80/80/80
风煤比kg/kg
1.8
1.81
1.82
外调风％
25
25
25
内调风％
50
50
50
燃烬风％
50
50
50
边界风％
100
100
100
二次风套筒挡板％
70
70
70
预热器入口氧量％
3.8
2.8
2
NOx排放量mg/m3
497.7
434.4
379.6
#2炉的一次测试结果如下表6：
表6 2炉变氧量试验数据
工况
T-1
T-2
负荷MW
360
360
投运磨
ABC
ABC
磨煤机挡板开度％
80/80/80
80/80/80
风煤比kg/kg
1.73
1.73
外调风％
30
30
内调风％
25
25
燃烬风％
100
100
边界风％
0
0
二次风套筒挡板％
50
50
预热器入口氧量％
3.2
2.3
NOx排放量mg/m3
304
230.5
#1、2炉氧量降低都明显降低了燃料型和温度型NOX的生成。
2.4变燃烬风（OFA）开度：
燃烬风的设计目的就是为减少NOX排放的，#1炉变燃烬风开度数据结果如下表7：
表7 1炉变燃烬风开度试验数据
工况
T-1
T-2
T-3
负荷MW
350
350
350
投运磨
ABC
ABC
ABC
磨煤机挡板开度％
80
80
80
风煤比kg/kg
1.9
1.88
1.88
外调风％
25
25
25
内调风％
50
50
50
燃烬风％
10
50
100
边界风％
100
100
100
二次风套筒挡板％
70
70
70
预热器入口氧量％
3.3
3.1
3.2
NOx排放量mg/m3
505.1
442.5
454.0
同样进行2号炉试验，结果如下表8：
表8 2炉变燃烬风开度试验数据
工况
T-1
T-2
负荷MW
360
360
投运磨
ABC
ABC
磨煤机挡板开度％
80/80/80
80/80/80
风煤比kg/kg
1.73
1.73
外调风％
30
30
内调风％
25
25
燃烬风％
0
100
边界风％
0
0
二次风套筒挡板％
50
50
预热器入口氧量％
3.2
3.2
NOx排放量mg/m3
338
304
结果显示，#1炉燃烬风从10%开至50%，NOx有约50的降幅，但从50%到100%则降幅不明显。#2炉燃烬风从0%开至100%，NOx降低34。可见燃烬风对NOX下降有一定帮助。但不需要开度太大。
3、结论：
以上试验数据只是针对NOX指标的单变量试验数据，实际上燃烧器内外调风器开度、OFA开度、变锅炉氧量、磨组合四种降低NOX的调整还不同程度的影响到锅炉CO、飞灰含碳量排放，也影响到锅炉性能和效率。经过结合其它的锅炉试验调整，我们最后找到了具有NOX较低排放水平，又保证锅炉有较高效率的最佳运行方式：磨煤机ACD运行方式、内外调风器开度25%、燃烬风门45%开度、350MW以上负荷氧量保持3.5%以上运行。
参考文献：
1.范从振主编.锅炉原理.水利电力出版社,1986.5
2.尹世安主编.电厂燃料.中国电力出版社,1991.10
3.唐博.燃煤电厂氮氧化物控制技术与应用.环境污染与防治.2003.8(2)