火電廠鍋爐低氮燃燒改造及運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整

敖光輝，曾紅林，李軍保，李小云

（貴溪發(fā)電有限責(zé)任公司，江西 貴溪 335400）

0 引言

隨著國(guó)家環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，新頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》也在排放總量和排放濃度兩方面提出更高的要求，新的排污收費(fèi)制度的實(shí)施也對(duì)電廠形成了很大的經(jīng)濟(jì)壓力，因此對(duì)鍋爐進(jìn)行低NOx改造己是勢(shì)在必行[1-3]。目前，鍋爐正常負(fù)荷范圍內(nèi)NOx排放濃度約420～600 mg/Nm3，故據(jù)國(guó)家環(huán)保最新政策的要求，貴溪發(fā)電有限責(zé)任公司對(duì)2×300 MW機(jī)組鍋爐進(jìn)行系統(tǒng)脫硝工程改造，工程改造主要分兩部分：一是采用液氨法制備脫硝還原劑，選擇性催化還原法（SCR）作為脫硝裝置，二是對(duì)鍋爐原有燃燒器進(jìn)行更換低氮燃燒器。低氮燃燒器改造的目標(biāo)：在BMCR負(fù)荷下，燃燒器改造后的NOx排放濃度不大于280 mg/Nm3，鍋爐效率維持原設(shè)計(jì)值92.78%。

1 設(shè)備概述

貴溪發(fā)電有限責(zé)任公司2×300 MW機(jī)組鍋爐為東方鍋爐廠制造DG-1025/17.5-Ⅱ4型亞界參數(shù)、自然循環(huán)汽包爐，四角切圓燃燒、切向燃燒，百葉窗式水平濃淡直流擺動(dòng)式燃燒器，每角燃燒器共布置13層噴口，包括有5層一次風(fēng)噴口（其中B層內(nèi)布置微油點(diǎn)火小油槍），1層頂二次風(fēng)(OFA)噴口，7層二次風(fēng)噴口(其中3層布置有油燃燒器)。一次風(fēng)噴口四周布置有可調(diào)節(jié)偏置周界風(fēng)。制粉系統(tǒng)采用中速磨冷一次風(fēng)正壓直吹式，每臺(tái)鍋爐配置5臺(tái)中速磨煤機(jī)；獨(dú)立密封風(fēng)系統(tǒng)，5臺(tái)磨煤機(jī)共用1臺(tái)密封風(fēng)機(jī)，配置兩臺(tái)三分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器。

2 鍋爐改造方案

在不改變?cè)腥紵鳡顟B(tài)布置形式及燃燒方式條件下，更換四層煤粉燃燒器（B層燃燒器帶微油裝置，未進(jìn)行改造），燃燒器采用哈爾濱博深科技發(fā)展有限公司獨(dú)特新型低氮燃燒器，其技術(shù)特點(diǎn)是：“分拉垂直親和濃淡煤粉燃燒”立體分級(jí)低氮燃燒，及垂直煤粉超濃縮分離技術(shù)將同一股煤粉氣流分離成上下布置的濃相和淡相兩股射流，結(jié)合燃燒器頂部大間距布置頂部燃盡風(fēng)，布置四層燃盡風(fēng)燃燒器，提高燃盡風(fēng)率。通過(guò)采用上述技術(shù)，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)降低NOx生成及排放的目的。按照爐膛尺寸的大小選取適當(dāng)?shù)娜紵鞒隹谏淞髦行木€同爐膛截面對(duì)角線的夾角△α，確定的燃燒出口射流中心線和水冷壁中心線的夾角分別為48.5°和44°，在爐膛中心形成逆時(shí)針旋向的兩個(gè)直徑稍不相同的假想切園。為了削弱爐膛出口煙氣的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，減小四角燃燒引起的爐膛出口煙溫偏差，在主燃燒器上方3.63 m處增設(shè)4層16只噴口的可水平上下擺動(dòng)燃燼風(fēng)（SOFA）燃燒器。燃燼風(fēng)（SOFA）風(fēng)室在正常運(yùn)行時(shí)，被設(shè)計(jì)成反切，其目的就是要形成一個(gè)反向動(dòng)量矩，來(lái)平衡主燃燒器的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩，而達(dá)到減少爐膛出口煙溫偏差，為更有效控制NOX排放量及鍋爐效率，采用了較大的燃燼風(fēng)率，燃盡風(fēng)率設(shè)計(jì)為占鍋爐總風(fēng)量24%。燃燼風(fēng)的風(fēng)源取自于熱二次風(fēng)母管。AB側(cè)熱二次風(fēng)母管各設(shè)置了一個(gè)可調(diào)總門。改造布置如圖1所示。

圖1 低氮燃燒器及燃盡風(fēng)的布置

3 改造前試驗(yàn)結(jié)果

在改造前5號(hào)爐脫硝摸底試驗(yàn)中，鍋爐的煙氣NOx排放濃度約430~600 mg/m3（干基、標(biāo)態(tài)、6%O2、5%NO2）。具體情況如見(jiàn)表1所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出：

1）在100%負(fù)荷工況附近，鍋爐NOX排放濃度426~600 mg/m3（干基、標(biāo)態(tài)、6%O2、5%NO2），通過(guò)調(diào)整工況可以看出，NOX排放濃度隨著運(yùn)行氧量的變化而變化；

2）在70%負(fù)荷附近工況下，鍋爐NOX排放濃度約530 mg/m3左右；

3）在45%負(fù)荷附近工況下，鍋爐NOX排放濃度約587 mg/m3左右。

4 改造后考核試驗(yàn)結(jié)果

改造結(jié)束后，在同一煤種下，對(duì)5號(hào)爐進(jìn)行100%、75%和50%負(fù)荷下的考核試驗(yàn)，主要在三個(gè)負(fù)荷段進(jìn)行變氧量、磨煤機(jī)運(yùn)行方式組合變化、二次風(fēng)配風(fēng)方式的變化、四層燃盡風(fēng)（SOFA風(fēng)）、改變煤粉細(xì)度調(diào)整、變一次風(fēng)壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果在300 MW、225 MW負(fù)荷下折算到6%標(biāo)氧下NOx濃度分別為251.38 mg/Nm3、224.01 mg/Nm3，低 于 SCR 入 口NOx濃度目標(biāo)值280 mg/Nm3；在150 MW負(fù)荷下折算到6%標(biāo)氧下NOx濃度為313.21 mg/Nm3，略高于目標(biāo)值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

綜合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析鍋爐各負(fù)荷下熱效率及NOX濃度值，低氮燃燒改造項(xiàng)目總體上比較成功，SCR入口NOX濃度折算值在100%及75%負(fù)荷下均能控制在較低水平，達(dá)到低于280 mg/Nm3的技術(shù)指標(biāo)；鍋爐熱效率經(jīng)過(guò)燃燒優(yōu)化后得到大幅提高，300 MW負(fù)荷下修正后鍋爐效率較改造前提高了0.73%，鍋爐主要參數(shù)較改造前未發(fā)生明顯變化，能達(dá)到設(shè)計(jì)值，燃燒器再低負(fù)荷時(shí)穩(wěn)燃效果良好。但是主、再汽溫、飛灰含碳量在鍋爐工況發(fā)生變化時(shí)波動(dòng)較大，主要原因是燃燒器改造后爐膛溫度下降。

表2 5號(hào)爐改造后考核試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)及分析

低氮燃燒的基本原理，就是控制燃燒溫度減少“熱力”型NOX生成；減少燃料中氮與空氣的氧的混合控制“燃料”型NOX生成。因此低氮燃燒器的改造后，煤粉的充分燃燒與減排NOX是相互制約矛盾的。5號(hào)爐改造后鍋爐啟動(dòng)運(yùn)行初期，基于降低NOx的機(jī)理和運(yùn)行人員按改造前燃燒調(diào)整習(xí)慣，造成爐膛的飛灰含碳量較高，主汽溫度及再熱器溫度偏低現(xiàn)象[4-5]。通過(guò)多項(xiàng)調(diào)整優(yōu)化試驗(yàn)，得出通過(guò)合理燃燒調(diào)整方法能找到NOx排放值和鍋爐效率較好的平衡點(diǎn)。

5.1 爐膛氧量調(diào)整試驗(yàn)

通過(guò)在三個(gè)工況的變氧量試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)爐膛的氧量變化對(duì)鍋爐NOX排放值影響很直接，從以上數(shù)據(jù)表可以看出NOX的生成量和爐膛氧量變化有明顯正比關(guān)系，如圖2所示。

圖2 氧量和NOX關(guān)系

雖然運(yùn)行氧量降低能夠有效降低NOX的生成,然而卻會(huì)導(dǎo)致飛灰含碳量和爐渣含碳量的增加，在調(diào)整試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)過(guò)大過(guò)低氧量對(duì)鍋爐效率及NOX排放量都會(huì)很大的負(fù)面影響，如：在對(duì)5號(hào)爐調(diào)整試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)主汽溫度、再熱器溫度、飛灰值偏高，采取了提高爐膛氧量配風(fēng)措施，但是效果不好，原因是爐膛過(guò)大的氧量造成爐膛溫度下降。試驗(yàn)結(jié)論得出在正常運(yùn)行中鍋爐的氧量保持2.7%～3%，能同時(shí)滿足NOx排放要求和保證鍋爐效率。

5.2 燃盡風(fēng)及其擺角調(diào)整試驗(yàn)

此次燃盡風(fēng)改造方案是在主燃燒器上部3.63 m處布置四層可上下、左右擺動(dòng)燃盡風(fēng)燃燒器。通過(guò)多個(gè)工況的試驗(yàn)，得出燃盡風(fēng)擋板調(diào)節(jié)原則是當(dāng)鍋爐負(fù)荷鍋為50%MCR時(shí)由下往上開(kāi)大最下層和次下層擋板直至全開(kāi)；鍋爐負(fù)荷為75%～100%MCR時(shí)再逐漸開(kāi)最上面的兩層擋板，燃盡風(fēng)量控制在占總風(fēng)量24%左右。試驗(yàn)時(shí)在保持鍋爐總風(fēng)量不變，隨著負(fù)荷升高，按以上方法逐步開(kāi)大燃盡風(fēng)擋板，NOX排放值大幅下降，主、再熱器溫度有所上升，飛灰值逐漸降低。原因是開(kāi)大四層燃盡風(fēng)，相對(duì)減少了主燃燒器區(qū)的氧量，形成缺氧燃燒，上部燃燒強(qiáng)化，火焰上移，NOX生成量減少明顯。

在對(duì)燃盡風(fēng)（SOFA）擺角試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)燃盡風(fēng)擺角上下擺動(dòng)對(duì)鍋爐汽溫及飛灰值影響沒(méi)有主燃燒擺角影響大，但是燃盡風(fēng)擺角向下傾時(shí)，NOX生成量明顯上升。綜合鍋爐NOX排放值和鍋爐效率考慮，（SOFA）燃盡風(fēng)擺角盡量處于上傾高位，此狀態(tài)爐膛兩側(cè)煙溫及兩側(cè)汽溫都未出現(xiàn)偏差現(xiàn)象。

5.3 制粉系統(tǒng)組合、負(fù)荷、煤質(zhì)對(duì)NOX生成影響試驗(yàn)

煤粉揮發(fā)份和煤中氮的燃燒過(guò)程是一個(gè)不斷氧化生成NOX和還原N2的過(guò)程，在燃燒穩(wěn)定和工況穩(wěn)定的條件下，生成和還原反應(yīng)基本處于平衡狀態(tài)，通過(guò)煤種變化試驗(yàn)，NOX生成和還原過(guò)程和揮發(fā)份和灰份比值有關(guān)，高揮發(fā)份、低灰份煤種NOX生成較低，因?yàn)閾]發(fā)份高、灰份低相對(duì)煤種可燃成分比列高，熱力型NOX生成量相對(duì)減少。綜合燃燒穩(wěn)定性、火焰中心位置、鍋爐主要參數(shù)、NOX排放量對(duì)比配煤方式的要求是最下兩層和最上層煤倉(cāng)上高揮發(fā)份煤種最合適。

機(jī)組負(fù)荷變化對(duì)NOX生成影響，從NOX生成原理說(shuō)隨著鍋爐負(fù)荷越高，爐膛溫度升高，燃燒反應(yīng)約劇烈，NOX生成的生產(chǎn)速率更快。但是通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不同工況下，只要氧量控制合適，爐膛燃燒工況穩(wěn)定后，熱力型NOX生成量相對(duì)穩(wěn)定變化很小。低氮燃燒器改造后隨負(fù)荷升降，爐膛燃燒工況受此影響很大，鍋爐汽溫波動(dòng)很大，尤其是再熱汽溫影響更大，負(fù)荷下降時(shí)，再熱汽溫短時(shí)下降很快，最大時(shí)達(dá)43℃/10 min，原則影響機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)于負(fù)荷升降過(guò)程中，鍋爐汽溫波動(dòng)大，主要還是要從風(fēng)煙系統(tǒng)調(diào)整及減溫水提前量的控制進(jìn)行優(yōu)化，見(jiàn)圖3。

制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式對(duì)NOX生成有較大的影響，在工況穩(wěn)定時(shí)，五臺(tái)磨煤機(jī)較四臺(tái)、三臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)NOX生成值高，上層磨煤機(jī)運(yùn)行較下層運(yùn)行時(shí)高，最下層三臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)最低，但是此時(shí)鍋爐汽溫相對(duì)較低，隔層磨煤機(jī)運(yùn)行方式較正常磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)低。

圖3 鍋爐負(fù)荷與再熱汽溫曲線

5.4 二次風(fēng)和周界風(fēng)、一次風(fēng)壓風(fēng)壓調(diào)整試驗(yàn)

通過(guò)多個(gè)工況對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)行了正寶塔、均等、縮腰、倒寶塔配風(fēng)方式改變，發(fā)現(xiàn)正寶塔配風(fēng)方式NOX生成量最低，但是各層二次風(fēng)開(kāi)度不能過(guò)大，綜合鍋爐效率、NOX排放量考慮下兩層二次風(fēng)開(kāi)度最大不能超過(guò)60%開(kāi)度，最上層二層二次風(fēng)開(kāi)度視飛灰含碳值及再熱器溫度可適當(dāng)調(diào)整，但不能大于40%，各層周界風(fēng)開(kāi)度應(yīng)保持在15%開(kāi)度。二次風(fēng)的組合方式對(duì)鍋爐汽溫、飛灰、NOx排放影響很大，實(shí)際運(yùn)行中既要根據(jù)煤質(zhì)的變化來(lái)進(jìn)行調(diào)整，還要根據(jù)鍋爐工況、制粉系統(tǒng)的組合方式來(lái)來(lái)進(jìn)行摸索與總結(jié)。

5.5 鍋爐煤粉細(xì)度的調(diào)整試驗(yàn)

5號(hào)爐更換低氮燃燒器后，由于爐膛低氧燃燒及運(yùn)行調(diào)整的經(jīng)驗(yàn)的不足，鍋爐啟動(dòng)運(yùn)行初期爐膛飛灰含碳量異常升高，飛灰含碳值一度由改造前2.3%上升改造后7.1%。針對(duì)低氮燃燒改造后鍋爐效率與NOX排放存在對(duì)立矛盾性，對(duì)鍋爐的煤粉細(xì)度進(jìn)行調(diào)整，將煤粉細(xì)度R90平均值由改造前15%調(diào)整至8%，再后通過(guò)多工況優(yōu)化燃燒調(diào)整，發(fā)現(xiàn)火焰中心下降，飛灰值下降至3%以下，NOX排放也有所下降。原因是細(xì)度的降低在分級(jí)燃燒的條件下燃燒加強(qiáng)，焦炭中氮的釋放加快，促使對(duì)NOX的還原能力增強(qiáng)。煤粉細(xì)度下降導(dǎo)致制粉系統(tǒng)電耗增加約0.02%，由于燃燒效率強(qiáng)化，鍋爐效率相對(duì)提高。

6 結(jié)論

1）低氮燃燒器改造后通過(guò)綜合分析鍋爐各負(fù)荷下熱效率及NOX濃度值，5號(hào)爐A修低氮燃燒改造項(xiàng)目總體上比較成功。SCR入口NOX濃度折算值在100%及75%負(fù)荷下均能控制在較低水平，達(dá)到低于設(shè)計(jì)值280 mg/Nm3的技術(shù)指標(biāo)；鍋爐熱效率經(jīng)過(guò)燃燒優(yōu)化后得到大幅提高，300 MW負(fù)荷下修正后鍋爐效率較A修前提高了0.73%。在225 MW和150 MW工況下，鍋爐熱效率分別為93.70%和93.13%；修正后鍋爐熱效率分別為93.82%和93.28%。

2）NOX排放指標(biāo)在150 MW負(fù)荷下折算到6%標(biāo)氧下NOX濃度為313.21 mg/Nm3，略高于SCR入口NOX濃度設(shè)計(jì)值280 mg/Nm3。

3）在現(xiàn)有煤質(zhì)下，通過(guò)多個(gè)工況優(yōu)化燃燒調(diào)整，能夠保證飛灰含碳量在設(shè)計(jì)值3%以下，這也是保證鍋爐效率在改造后不降低的重要因素。

4）改造后鍋爐汽溫受機(jī)組負(fù)荷升降、爐膛燃燒工況變化影響很大，由于燃燒改造后爐內(nèi)燃燒特性發(fā)生變化，改造前的習(xí)慣配風(fēng)方式對(duì)NOX排放及鍋爐汽溫負(fù)面影響大，這要求運(yùn)行人員在燃燒調(diào)整時(shí)嚴(yán)格按試驗(yàn)確定的低氮配風(fēng)方式執(zhí)行，任何負(fù)荷段都應(yīng)控制氧量在2.5%～3.2%。

5）改造后鍋爐汽溫受爐膛工況變化波動(dòng)很大，在爐膛工況穩(wěn)定后需要較長(zhǎng)時(shí)間汽溫恢復(fù)正常。在調(diào)節(jié)汽溫試驗(yàn)調(diào)整中主燃燒器擺角對(duì)汽溫調(diào)節(jié)特性明顯，燃盡風(fēng)（SOFA）擺角對(duì)汽溫影響不大。在控制汽溫度主要方法是：盡可能保證鍋爐燃燒工況穩(wěn)定減少外界擾動(dòng)，升降負(fù)荷時(shí)操作要緩慢平穩(wěn)進(jìn)行，在降負(fù)荷時(shí)，應(yīng)提前降低風(fēng)量，保證爐膛氧量在2.5%～3.2%范圍，因?yàn)檫^(guò)高氧量會(huì)造成爐膛溫度下降，燃燒減弱，汽溫下降較快，其次就是在減負(fù)荷前提前減少減溫水量。升負(fù)荷時(shí)視爐膛氧量變化趨勢(shì)可先增加一定的煤量，再加風(fēng)量。原則就是保證爐膛風(fēng)量調(diào)整做到提前。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)低氮燃燒器改造后鍋爐優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整，試驗(yàn)分析了氧量、燃盡風(fēng)、制粉系統(tǒng)組合等對(duì)NOX生成及鍋爐效率的影響，對(duì)這些影響所采取采取的一些優(yōu)化調(diào)整方法，為今后低NOX燃燒器改造后的優(yōu)化運(yùn)行提供借鑒。

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