0 引 言

我国资源秉性决定了我国中长期以煤为主的能源结构特点[1]，2017年我国煤炭消耗量已超过38亿t，其中燃煤火力发电是我国煤炭资源的主要利用形式，也是我国当前的主要发电形式。

研究表明，燃烧1 t煤可产生8～9 kg的NOx[2-3]，由于NOx对人体和全球生态环境危害甚大，环保排放日益引起重视。2014年出台的《煤电节能减排升级与改造行动计划》要求燃煤机组的排放标准达到燃气的排放标准[4]，其中NOx排放要低于50 mg/m3，但NOx的浓度和锅炉效率有着相互矛盾的关系。为追求高效的燃烧效率和较低的NOx排放，各大电厂进行了系统的机组优化试验，因此，燃煤机组的燃烧优化调整已成为研究的重点和热点[5-6]。

燃煤电厂NOx的生成主要分为热力型(thermal NOx)、燃料型(fuel NOx)、快速型(prompt NOx)，其中燃料型NOx占电站锅炉NOx生成的75%～90%[7]。学者们根据不同NOx生成机理开发了不同降低NOx生成和排放的方法，主要有选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)、空气分级、燃料分级以及烟气再循环[8-10]。

对于已投运的机组，降低NOx最直接、最快捷的的方法是通过燃烧优化调整实现减排的目的。岳峻峰等[11]对某电厂600 MW超超临界机组墙式切圆燃烧系统进行分析，说明油枪风对NOx的排放影响最大。尚达等[12]对1 000 MW超超临界机组进行燃烧调整，发现倒塔配风的锅炉效率最高，炉膛出口NOx排放量最低。李德育等[13]研究了炉内配风对NOx排放特性的影响，发现合理的炉内配风可使NOx炉膛出口浓度降低15%左右。杨玮等[14]对330 MW贫煤机组进行调整，认为对于燃用贫煤的机组采用SNCR+SCR的方式可提高脱硝效率。

对于不同机组其燃烧的最优方式存在较大差异，本文根据已有的工程经验，结合不同大机组的燃烧调整方案，针对330 MW典型机组进行系统性的燃烧调整优化，并得到详细的现场试验比较结果，以分析燃烧优化调整对NOx排放和锅炉效率的影响。

1 试 验

1.1 试验机组概况

本文试验对象是上锅生产的SG-1151/17.5-M4008亚临界参数汽包炉，采用自然循环、四角切向燃烧，单炉膛，一次再热，平衡通风，锅炉紧身封闭，室内布置，固态排渣，为全钢架悬吊结构π型汽包锅炉，锅炉最大连续蒸发量1 151 t/h。制粉系统采用中速磨煤机直吹式制粉系统，共设5台中速磨煤机，其中4台运行，1台备用。空气预热器进风加热方式、一次风和二次风系统均采用暖风器加热系统，锅炉主要设计参数(设计煤种)见表1。

表1 锅炉主要参数
Table 1 Main design parameters of boiler

1.2 试验煤样及试验设备

试验煤样的工业分析和元素分析见表2。试验所用的测量仪器主要有K型热电偶、EIC数据采集系统、testo350、顺磁氧传感器、温湿度计、气流筛分仪，靠背管、电子微压计等。

表2 试验煤样的工业分析和元素分析
Table 2 Proximate and ultimate analyses of coal sample

试验中将热电偶和烟枪捆绑插入炉膛尾部烟道中，分别测量空气预热器入口和出口的温度，测试期间用testo350与烟枪管道相连测量NO、O2、CO的含量，其测量精度分别可达到±5×10-6、±0.2%、±10×10-6。

1.3 试验内容

对于已投运的电站机组，影响其高效稳定燃烧和NOx生成的因素众多，主要有：① 煤种基本特性，主要指燃用煤的挥发分、含碳量、含氮量、发热量等燃料的基本特性[15-16]。② 运行参数，主要指运行过程中，一次风、二次风、燃尽风的配比关系与风速参数，以及煤粉粒度、燃烧器的摆动角度等运行中的可控参数[15-17]。③ 锅炉的结构参数，主要指机组设计的结构特性，燃烧器类型和燃烧方式以及炉膛设计的基本参数，如截面热负荷、排渣方式[18]。

本文针对以上影响因素，进行了NOx排放和机组效率的耦合试验。试验前保证机组的主、副机能够正常运转，检查整个机组的严密性，保证不泄露。试验前进行炉膛及受热面的吹扫作业并对试验所用的测量仪器、仪表等进行校核和标定。

1)首先进行氧含量优化调整试验，试验时保持机组负荷稳定在330 MW，维持一次风压、二次风配风方式、周界风开度、SOFA风配风方式、燃烧器摆角、磨煤机组合等不变，改变氧含量，实测排烟温度、氧含量、NOx、CO排放浓度、大气参数，采集原煤、飞灰、大渣，并记录相关DCS数据，煤粉燃烧器布置及平面示意如图1所示。

2)SOFA(分离燃尽风)风优化调整试验时保持机组负荷稳定，维持运行氧含量、二次风配风方式、周界风开度、磨通风量、燃烧器摆角、磨煤机组合等不变，研究SOFA风配风，对锅炉主要运行参数及性能的影响。试验中实测排烟温度、炉膛温度、氧含量、NOx和CO排放浓度、大气参数，采集原煤、飞灰、大渣，并记录相关DCS数据。

3)周界风开度优化调整试验时，保持机组负荷稳定，维持运行氧含量、SOFA配风，二次风配风方式、磨通风量、燃烧器摆角、磨煤机组合等不变，研究周界风开度对锅炉主要运行参数及性能的影响。试验中进行锅炉效率测试，实测排烟温度、炉膛温度、氧含量、NOx和CO排放浓度、大气参数，采集原煤、飞灰、大渣，并记录相关DCS数据。

4)燃烧器摆角优化调整试验时，保持机组负荷稳定，维持运行氧含量、二次风配风方式、SOFA风配风、磨通风量、周界风开度、磨煤机组合等不变，研究燃烧器摆角对锅炉主要运行参数及性能的影响。试验中进行锅炉效率测试，实测排烟温度、炉膛温度、氧含量、NOx和CO排放浓度、大气参数，采集原煤、飞灰、大渣，并记录相关DCS数据。

2 试验结果与讨论

2.1 过量空气系数对NOx排放和锅炉效率的影响

炉膛过量空气系数是影响燃烧过程中热力型NOx和燃料型NOx生成量的主要因素。燃料型NOx的生成机机理十分复杂，目前已知有超过250种反应形式，燃料型NOx的转化率与过量空气系数和温度成正比[7,10]。温度超过1 500 K后产生热力型NOx，空气中N2氧化转化为NOx，热力型NOx随着过量空气系数的增加而增加。为确定合适的运行氧含量，测试了不同运行氧含量下的机组效率和SCR入口A、B两侧的NOx浓度，如图2所示。

由图2可知，锅炉效率随试验运行氧含量的增加呈下降趋势，而NOx随试验运行氧含量的增加而增加。由于煤粉细度偏粗，氧含量变化时，飞灰含碳量变化不明显。因此确定试验的最佳运行氧含量为2.5%，此时锅炉效率为92.94%，A侧和B侧NOx质量浓度分别为310和314 mg/Nm3。

2.2 配风对NOx排放和锅炉效率的影响

配风是组织好炉内燃烧的关键，合理的配风是实现机组安全高效低排放运行的重要手段。配风降低NOx排放是基于分级燃烧的原理，通过控制不同高度不同类别风量大小，在相同负荷下，保证总的过量空气系数不变的前提下，减少下层主燃区氧含量，同时增加上部燃烧区的氧含量[8]。下部的缺氧气氛可减少燃料型NOx的生成，上部的富氧气氛可降低炉膛上部的温度，从而减少热力型NOx的生成。为寻找合理配风方案，在330 MW负荷工况和最佳运行氧含量时，分别进行了SOFA风开度、二次风配风和周界风开度调整试验。

2.2.1 SOFA风开度的影响

SOFA风率大小是通过燃尽风控制NOx生成浓度的关键[17]，在最佳运行氧含量2.5%时进行了3个SOFA风开度工况(SOFA I层开度99%、SOFA II层开度99%)：工况1(SOFA III层开度70%)、工况2(SOFA III层开度99%)、工况3(SOFA III层开度40%)，各工况下计算得到的锅炉效率、NOx变化如图3所示，计算结果见表3。

由图3可知，锅炉效率随顶层SOFA风开度的减小呈先上升后下降趋势，NOx浓度呈增加趋势。说明运行氧含量不变时，SOFA风开度的增加会造成主燃烧器区域氧含量减少，煤粉燃烧变差，锅炉效率下降，但有利于降低NOx浓度。

由表3和图3可知，SOFA III层开度由99%变成40%时，飞灰含碳量和锅炉效率变化不大，但NOx质量浓度增加约20 mg/Nm3。SOFA III层开度为70%时，虽然NOx浓度较开度40%时降低了约40 mg/Nm3，但锅炉效率也降低约0.22%。综合锅炉效率和环保要求，最佳SOFA风开度为工况2。

2.2.2 二次风配风的影响

在最佳运行含氧量和SOFA风开度条件下进行3个二次风配风工况：工况1(倒塔配风，AA层80%、AB层35%、BC层42%、CD层45%、DE层50%)、工况2(均等配风，AA层90%、AB层45%、BC层45%、CD层45%、DE层45%)、工况3(正塔配风，AA层90%、AB层50%、BC层45%、CD层42%、DE层35%)。各工况下的锅炉效率、NOx变化如图4所示，计算结果见表4。

表3 SOFA风开度调整试验工况及计算参数
Table 3 Adjustment test conditions and calculation parameters of SOFA wind opening

由图4和表4可知，倒塔配风时锅炉效率为93.53%，A、B侧NOx质量浓度分别为370 和375 mg/Nm3;均等配风时锅炉效率为93.70%，A、B侧NOx质量浓度分别为400和403 mg/Nm3;正塔配风时锅炉效率最高为93.74%，A、B侧NOx质量浓度分别为405和408 mg/Nm3。均等配风和正塔配风时的锅炉效率较倒塔配风时高约0.2%，NOx质量浓度提高约35 mg/Nm3，由于SCR喷氨量大且不均会造成空预器堵灰严重，应尽量降低NOx减少喷氨量，减缓空预器堵灰。此外，为了提高再热汽温，机组满负荷时，磨煤机的煤量采用倒塔配风，尽量维持再热汽温在540 ℃左右。而均等配风和正塔配风方式下，再热汽温均低于535 ℃，再热汽温降低对机组经济性不利。从锅炉效率、NOx综合考虑，最佳二次风配风方式为工况1(倒塔配风)，此时的锅炉效率为93.53%、A、B侧NOx质量浓度分别为370和375 mg/Nm3。

表4 二次风配风优化工况及计算参数
Table 4 Optimized working conditions and calculation parameters of secondary air distribution

2.2.3 周界风开度的影响

330 MW负荷工况下，在试验最佳运行氧含量、SOFA风开度和二次风配风方式条件下进行3个变周界风开度工况(13%、16%和20%)，周界风开度对NOx排放和锅炉效率的影响如图5所示，计算参数见表5。

由图5可知，随着周界风开度增加，锅炉效率和NOx浓度整体呈上升趋势。试验结果数据表明周界风开度变化7%，锅炉效率变化了1%左右。在周界风开度20%时，锅炉效率最高为93.20%，A、B侧NOx质量浓度分别为352和356 mg/Nm3，较其他开度下高约25 mg/Nm3，但也接近设计保证值(350 mg/Nm3)。综合考虑锅炉效率和NOx浓度，最佳周界风开度为20%，此时锅炉效率为93.20%，A、B侧NOx质量浓度分别为352和356 mg/Nm3。

2.3 燃烧器摆角对NOx排放和锅炉效率的影响

燃烧器摆角是影响炉内温度场分布的主要参数[16]，设置合理的燃烧器摆角是为了控制锅炉再热器出口汽温。但实际运行中，燃烧器摆角设置不当造成的机组汽温、汽压异常也时有发生，通过合理优化调整方案，控制燃烧器摆角从而改变火焰中心高度，进而直接影响主汽的温度和压力，同时影响锅炉的送煤量和风量。330 MW负荷工况下，最佳运行氧含量、最佳SOFA风开度、二次风配风方式和最佳周界风开度条件下进行了3个变燃烧器摆角工况(33%、37%和40%)，摆角越大，表明摆角越低，45%表示水平。试验中将摆角放在50%时，再热汽温降至525 ℃，低温过热器出口温度由420 ℃降至412 ℃，该工况再热汽温下降较多，且长期运行对机组不利，试验无法进行。各工况下的锅炉效率、NOx浓度变化如图6所示。

由图6可知，锅炉效率随燃烧器摆角的增加呈先上升后下降趋势，NOx浓度呈下降趋势，燃烧器摆角37%时，锅炉效率最高为93.20%，A、B侧NOx质量浓度分别为352和356 mg/Nm3，较摆角40%下高约25 mg/Nm3，但锅炉效率高约0.2%。综合考虑锅炉效率、NOx浓度，确定试验最佳燃烧器摆角为37%，此时锅炉效率为93.20%，A侧和B侧NOx质量浓度分别为352和356 mg/Nm3。

3 结 论

1)通过优化调整炉内的过量空气系数可降低SCR进口NOx浓度，并保证较高的锅炉效率。

2)依据分级燃烧原理降低NOx浓度的3种二次风配风方案试验中，倒塔配风的NOx排放浓度比正塔配风和均等配风分别低约9.1%和7.8%，其浓度在倒塔配风时最低，正塔配风时最高。

3)SOFA风开度可有效控制煤粉的燃尽和火焰中心位置，并延长煤粉在炉内还原区的停留时间，降低NOx浓度。随着顶层周界风开度的逐渐增大，锅炉效率先减小后增加，NOx排放浓度呈逐渐增大的趋势。周界风开度变化7%，锅炉效率变化了1%左右。

4)燃烧器摆角可有效控制炉膛内火焰中心点，从而控制炉内的温度场和出口烟温，显著影响锅炉效率和NOx排放浓度，试验发现随燃烧器摆角的增加，锅炉效率先呈上升后下降趋势，NOx排放浓度呈下降趋势。

参考文献(References):

[1] 王娟,苗韧,周伏秋.“十三五”能源与煤炭市场化改革与发展[J].煤炭经济研究,2015,35(1):9-13.

WANG Juan,MIAO Ren,ZHOU Fuqiu.Reform and development of energy and coal market in the 13th Five Year Plan[J].Coal Economic Research,2015,35(1):9-13.

[2] 张晓辉,孙锐,孙绍增,等.200 MW锅炉空气分级低NOx燃烧改造实验研究[J].热能动力工程,2008,23(6):676-681.

ZHANG Xiaohui,SUN Rui,SUN Shaozeng,et al.Experimental study of an air-staged andlow NOx emission based combustion modification to a 200 MW boiler[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2008,23(6):676-681.

[3] 吕玉坤,彭鑫.300 MW燃煤锅炉NOx排放特性试验研究[J].华北电力大学学报(自然科学版),2010,37(5):78-82.

LYU Yukun,PENG Xin.Experimental study on the characteristics of NOx emission with 300 MW coal-fired boiler[J].Journal of North China Electric Power University(Natural Science Edition),2010,37(5):78-82.

[4] 张晓宇.600 MW低NOx切圆炉膛燃烧优化分析[J].中国电机工程学报,2016,36(S1):140-146.

ZhANG Xiaoyu.Analysis of combustion optimization on 600 MW low nitrogen tangentially coal-fired boiler[J].Proceeding of the CSEE,2016,36(S1):140-146.

[5] 石践,陈玉忠,侯玉波,等.W火焰锅炉燃烧优化与改造技术研究和工程应用[J].中国电机工程学报,2016,36(22):6187-6192.

SHI Jian,CHEN Yuzhong,HOU Yubo,et al.Investigations on the combustion optimization & modification of w-flame boilers and engineering applications[J].Proceeding of the CSEE,2016,36(22):6187-6192.

[6] 周建新,樊征兵,司风琪,等.电站锅炉燃烧优化技术研究发展综述[J].锅炉技术,2008,39(5):33-36.

ZhOU Jianxin,FAN Zhengbing,SI Fengqi,et al.A review about the development of boiler combustion optimization technology[J].Boiler Technology,2008,39(5):33-36.

[7] 梁绍华,李秋白,黄磊,等.锅炉在线燃烧优化技术的开发及应用[J].动力工程学报,2008,28(1):33-35.

LIANG Shaohua,LI Qiubai,HUANG Lei,et al.Development and application of the on-line boiler bombustion optimization technology[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering,2008,28(1):33-35.

[8] 李素芬,刘丽萍,陈贵军,等.配风方式对四角切圆煤粉锅炉燃烧特性影响数值分析[J].大连理工大学学报,2010,50(4):491-496.

LI Sufen,LIU Liping,CHEN Guijun,et al.Numerical analyses of effect of air distribution on combustion characteristics of tangentially pulverized coal-fired boiler[J].Journal of Dalian University of Technology,2010,50(4):491-496.

[9] 李建强,汪安明,潘文凯,等.燃煤电站锅炉低NOx燃烧运行参数优化[J].动力工程学报,2016,36(5):337-342.

LI Jianqiang,WANG Anming,PAN Wenkai,et al.Operating parameter optimization for Low NOxcombustion of coal-fired boiler[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering,2016,36(5):337-342.

[10] 陈冬林,叶托,李恒.低NOx燃烧技术研究现状及进展[J].热力发电,2017,46(3):1-6.

CHEN Donglin,YE Tuo,LI Heng.Review on low NOx combustion techniques[J].Thermal Power Generation,2017,46(3):1-6.

[11] 岳峻峰,梁绍华,宁新宇,等.600 MW超超临界锅炉墙式切圆燃烧系统的特点及性能分析[J].动力工程学报,2011,31(8):598-604.

YUE Junfeng,LIANG Shaohua,NING Xinyu,et al.Structural features and performance analysis of wall-arrangement tangential firing system for a 600 MW ultra supercritical boiler[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering,2011,31(8):598-604.

[12] 尚达,李宝宽,李永福,等.1 000 MW超超临界锅炉燃烧优化调整对NOx排放及锅炉热效率的影响[J].热能动力工程,2017,32(3):61-68.

SHANG Da,LI Baokuan,Li Yongfu,et al.Effect of combustion optimization adjustment of 1 000 MW ultra supercritical boilers on NOx emission and boiler efficiency[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2017,32(3):61-68.

[13] 李德育,姚季.炉内配风方式对锅炉NOx排放影响的试验研究[J].现代电力,2010,27(4):69-72.

LI Deyu,YAO Ji.Experimental study on the influence of air distribution in furnace on the NOx emissions in a boiler[J].Modern Electric Power,2010,27(4):69-72.

[14] 杨玮,李文秀,郭富德,等.330 MW发电机组贫煤燃烧NOx排放特性及控制[J].洁净煤技术,2017，23(6):107-112.

YANG Wei,LI Wenxiu,GUO Fude,et al.Emission characteristics and controlling of NOx in lean coal-fired boiler of the 330 MW unit[J].Clean Coal Technology,2017,23(6):107-112.

[15] 黄天旭,王聪玲,谭厚章.燃烧器配风方式对NOx排放影响的试验研究[J].热力发电,2008,37(5):36-39.

HUANG Tianxu,WANG Congling,TAN Houzhang.Test study on influence air-distributing mode for burners upon low emission of NOx[J].Thermal Power Generation,2008,37(5):36-39.

[16] 周光宇,胡安,谭云松.燃烧器摆角对锅炉安全经济运行的影响[J].电站系统工程,2011,27(5):65-66.

ZHOU Guangyu,HU An,TAN Yunsong.Impact of burner tilt angle on secure & economic operation of boiler[J].Power System Engineering,2011,27(5):65-66.

[17] 李代力,王智化,许岩韦,等.燃尽风配风比例对1 000 MW 超超临界锅炉炉内燃烧过程影响的数值模拟[J].能源工程,2012(4):1-5.

LI Daili,WANG Zhihua,XU Yanwei,et al.Numerical simulation of combustion process for an 1 000 MW ultra-supercritical boiler at different air distribution proportions[J].Energy Engineering,2012(4):1-5.

[18] 许昌,吕剑虹,郑源,等.以效率和低NOx排放为目标的锅炉燃烧整体优化[J].中国电机工程学报,2006,26(4):46-50.

XU Chang,LYU Jianhong,ZHENG Yuan,et al.A boiler combustion global optimization on efficiency and low NOx emissions object[J].Proceeding of the CSEE,2006,26(4):46-50.