摘 要：对江西贵溪电厂1号炉进行高效低NOx燃烧试验研究，找出了锅炉运行效率和NOx排放量与电厂运行参数的关系。
关键词：NOx；锅炉效率；配风方式；运行参数
随着中国国民经济的增长和电力工业的快速发展，火电装机容量逐年增加，电站锅炉氮氧化物(NOx)的排放总量也日益增加。1993年NOx排放量已超过200万 t。到2000年，电站锅炉排入大气中的氮氧化物将会超过500 万 t，对环境的影响将更加严重。因此，控制煤燃烧过程氮氧化物的生成，降低其放排量，成为迫切的课题。由于NOx在煤的燃烧产物中生成复杂，且其对人类乃至整个生态系统的危害大，对其排放量的控制已引起全球范围内的普遍重视，绝大多数国家和地区都制定了较严格的限制NOx排放的法规和标准，中国也于1996年8月开始实施650 mg/Nm3的排放指标规定。因此控制电站锅炉NOx的排放量势在必行。
锅炉NOx的排放量与燃用的煤种、燃烧工况等因素密切相关，这些因素对锅炉效率有重要影响。通过燃烧控制降低NOx的排放量是目前国内外控制NOx的排放量的主要方法。在保证锅炉高效率的前提下，降低锅炉NOx的生成量，即高效低污染燃烧是电站锅炉燃烧的重要研究方向。
1试验目的
锅炉燃烧NOx的生成量、效率与煤种、燃烧系统和炉膛结构以及运行参数等因素有关。本试验目的是测试贵溪电厂1号锅炉各种工况下锅炉效率及NOx的排放特性，了解该锅炉NOx的排放现状，以便分析研究，提出高效低NOx排放的措施和实际技术改造方案及运行调整原则。
2测试试验因素分析
煤粉燃烧过程中NOx形成的途径主要有三条：一是在高温情况下空气中氮气直接氧化为NOx，即热力型NOx；二是燃料中含有氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而生成NOx，即燃料型NOx；三是燃烧时空气中氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成NOx，即快速型NOx。煤粉燃烧所生成的NOx中，燃料型NOx是最主要的，燃料型NOx的生成机理非常复杂，大致有以下规律：
(1) 在一般的燃烧条件下，燃烧中的氮有机化合物首先被热分解成氰(HCN)、氨(NH3)和CN等中间产物，它们随挥发份一起从燃料中析出，称之为挥发份N。仍残留在焦炭中的氮化合物，称之为焦炭N。
(2) 在通常的煤燃烧温度下，燃料型NOx主要来自挥发份N。煤粉燃烧时由挥发份生成的NOx占燃料型NOx的60%～80%，由焦炭N所生成的NOx占20%～40%。
(3)在氧化性气氛中生成的NOx当遇到还原性气氛(富燃料燃烧或贫氧状态)时，会还原成N2，即NOx的还原或NOx的破坏。
(4)影响燃料型NOx生成浓度和转化率的主要因素是煤种特性、过剩空气系数等。燃料中氮的含量增加时，生成的燃料型NOx量增加，但NOx的转化率减小；煤的燃料比FC／V越高，NOx的转化率越低。炉内过剩空气系数越高，NOx的生成浓度和转化率越高。控制燃料型NOx的转化率和生成浓度的主要措施是减小过剩空气系数，在NOx的生成阶段采用富燃料燃烧(α＜1)。
由此可以看出，生成NOx的最大特点就是与煤的燃烧方式、燃烧工况有关系。NOx生成量强烈地依赖于燃烧的温度水平，此外与风煤比、煤种以及空气和燃烧产物的混合程度有关。低NOx燃烧控制对锅炉运行时的飞灰沉积速率，飞灰可燃物含量和热效率等都有一定的影响。
根据以上分析结合本锅炉燃烧系统特点，可具体确定以下有关影响因素。
(1) 燃料特性：包括燃料成分(元素分析和工业分析成分)和煤粉细度。
(2) 配风方式：包括一、二、三次风的比例和其分布(各一、二、三次风风速)。
主要考虑分级配风方式，分为三种：
① 分级较小：下部二次风风门开度为45%，中部为20%，上部为10%；
② 分级中等：下部二次风风门开度为30%，中部为15%，上部为20%；
③ 分级较大：下部二次风风门开度为20%，中部为20%，上部为30%。
(3) 煤粉的分配。考虑煤粉分级情况，分为三种：
① 上浓下淡，占煤粉总量为：上40%，中30%，下30%；
② 均等，占煤粉总量为：上33%，中33%，下33%；
③ 上淡下浓，占煤粉总量为：上30%，中35%，下35%。
(4) 总风量。过量空气系数分为三种：大(7%)、中(6%)、小(5%)。
(5) 锅炉负荷。主要考虑三种：高(125 MW)，中(100 MW)，低(90 MW)。
3测试试验方案
3.1锅炉概况
锅炉系上海锅炉厂生产的超高压中间再热自然循环锅炉。锅炉采用单炉膛、л型布置、平衡通风、四角切圆燃烧方式。锅炉固态排渣。采用中间储仓式热风送粉系统，设计利用烟道挡板调节再热汽温。
3.2锅炉燃烧系统简介
锅炉采用直流燃烧器，四角切圆布置方式。炉膛横截面尺寸为8 840×9 600 mm，深度比为1.085。采用双切圆布置，大切圆假想直径800 mm，小切圆直径200 mm。
燃烧器原设计喷口布置自上而下分别为三、二、二、一、二、一、一、二次风喷口。后改造为自上而下分别为三、二、一、二、一、一、二、二次风喷口，其下层一次风改为利用弯头分离的浓淡型燃烧器。可根据燃料特性以及运行人员的经验来调整喷咀角度和改变上、中、下二次风速(调节二次风门)，调节负荷一般应通过改变给粉量来达到，不宜轻易停用部分喷咀，即使停用，仍应有一定的风量冷却。喷咀最大可上下摆动±20°，进行过热蒸汽温度调节。但由于燃烧器卡死，现无法摆动。用于再热汽温调节和烟道挡板也已卡死，无法使用。
制粉系统采用中间储仓式热风送粉系统，配两台钢球磨煤机。每台磨煤机的乏气送至对角的两燃烧器三次风喷口作为三次风。
3.3试验工况
根据影响锅炉效率和NOx生成量的影响因素和锅炉的燃烧系统状况提出有关因素的试验要求。
(1) 煤种：每天上午和下午各取一煤样；
(2) 锅炉负荷：考虑3种锅炉负荷，分别为125 MW、100 MW、90 MW；
(3) 二次风配风方式：取五种配风方式进行试验，分别为均等配风、鼓形配风、倒宝塔配风、正宝塔配风、缩腰配风；
(4) 过量空气系数：取三种试验工况，各工况在炉膛出口处剩余氧量分别为4%、6%、7%；
(5) 三次风量：取两种工况，分别为：投用1套、投用2套制粉系统。
3.4测量仪器和测量方法
3.4.1试验方法
试验按GB13223－1996《火电厂大气污染物排放标准》和GB10184－88《电站锅炉性能试验规程》进行。
锅炉效率计算采用反平衡法测定，即测出锅炉各项热损失q2、q3、q4、q5、q6，然后按公式：
η＝100－(q2+q3+q4+q5+q6)
计算出锅炉效率。
3.4.2测量仪器及取样方法
NOx排放量的测定与锅炉燃烧调整试验同步进行。烟气分析同时采用Maester 2000(DH－9112)型烟气分析仪和9003型烟气分析仪。
O2是在炉膛出口和空预器出口烟道测得。考虑到回转式空预器对出口烟气分析和排烟温度的影响，在空气预热器出口左右两个尾部矩形烟道下水平段中进行烟气分析和取样温度的测量，左右两烟道每个烟道中均各设有两个烟气取样和温度测量点，取其平均值。
使用飞灰取样仪确定飞灰含碳量。
从炉底灰池人工采集炉渣并缩分，作为炉渣代表样。
原煤在试验开始前在给煤机出口处进行采样。煤粉在给粉机下的煤粉取样装置进行采样。所取样品立即送到化验室进行分析化验，以保证分析结果的准确性和及时性。另外，留取所有试验工况下原煤的混合样进行全元素分析，为相关计算提供数据。锅炉主要运行参数，采用人工抄表。
4试验结果与分析
试验结果见表1。
(1) 当负荷为90 MW时不同配风、供粉方式对NOx排放的影响
由试验数据16～19可知：在不同配风、供粉方式下NOx排放量变化不大，这是因为在较低的负荷时，燃烧中心温度低热力NOx产生较少。但还是可以看到当分级较大时NOx排放量较低。
(2) 当负荷为100 MW时不同配风、供粉方式对NOx排放的影响
由试验数据1～10可知：当采用均等的缩腰配风，并且剩余氧量大时NOx排放量最高，而采用上淡下浓和分级较大时NOx排放量最低。这是因为在均等的缩腰配风剩余氧量大时燃烧中心温度高并且为氧化性气氛有利于NOx的形成，而采用上淡下浓和分级较大时因燃烧中心为还原性气氛，故而NOx产生较少。
(3) 当负荷为125 MW时不同配风、供粉方式对NOx排放的影响
由试验数据11～15可以看到与负荷为100 MW及负荷为90 MW时类似的情况，分级较大、剩余氧量低时NOx排放量较少。
5结论
综上所述可知：当分级较大时燃烧中心温度较高、煤粉浓度较高、剩余氧量较小，系统处于还原性气氛下，不利于NOx产生，而炉膛上部煤粉浓度较低、剩余氧量较高、有利于煤粉的燃尽，同时温度较低，也不利于NOx产生。所以采用分级燃烧即降低NOx排放量又可保证燃烧效率。
