350MW超臨界直流鍋爐低氮燃燒優(yōu)化及分析

大唐陜西富平熱電有限公司 劉昱奇

目前我國(guó)的空氣質(zhì)量堪憂，防治霧霾刻不容緩，雖然產(chǎn)生霧霾的原因沒(méi)有徹底研究清楚，但在國(guó)家環(huán)保減排政策以及社會(huì)輿論下，使得電力行業(yè)有著非常大的減排壓力，而在我國(guó)發(fā)電行業(yè)中，燃煤發(fā)電機(jī)組還是主要的發(fā)電主力。排放的氣體中NOx是有毒的，也是致使我國(guó)出現(xiàn)陰霾天、空氣污染以及破壞臭氧的主要原因。在我國(guó)控制大氣污染中，控制NOx這個(gè)問(wèn)題不可忽視，對(duì)于生態(tài)環(huán)境以及人們的健康，通過(guò)降低NOx的排放量能夠有效的進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于NOx的量通過(guò)采用低氮燃燒技術(shù)能夠有效的進(jìn)行降低，但是會(huì)對(duì)鍋爐的經(jīng)濟(jì)性及穩(wěn)定安全造成影響。

本篇文章采取某廠生產(chǎn)的2×350MW 超臨界燃煤機(jī)組鍋爐，在主燃燒器上方布置兩組SOFA 燃燒器，燃燒技術(shù)采用擺動(dòng)式四角切圓。并對(duì)燃燒器的特點(diǎn)以及布置情況進(jìn)行介紹，對(duì)于主燃燒器區(qū)域的NOx的生成量通過(guò)調(diào)整SOFA 燃燒器3層噴嘴來(lái)進(jìn)行降低，對(duì)于燃燒器以及鍋爐設(shè)計(jì)要達(dá)到穩(wěn)燃，以防高溫腐蝕，對(duì)燃盡率進(jìn)行提升，從而做到NOx的排放降低。

采取的方法要想達(dá)到上述要求通常會(huì)有矛盾產(chǎn)生，如提高穩(wěn)燃需對(duì)燃燒區(qū)域的溫度進(jìn)行提升，但這就會(huì)使高溫腐蝕及結(jié)渣出現(xiàn)，且NOx的量也會(huì)隨之加大，如適當(dāng)控制二次風(fēng)量能夠?qū)Ox 排放進(jìn)行降低，還能減少結(jié)焦的發(fā)生。結(jié)合實(shí)際情況來(lái)采取配煤分層混燒，對(duì)鍋爐運(yùn)行氧量進(jìn)行優(yōu)化，以此來(lái)對(duì)NOx的排放量進(jìn)行降低，而運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性要在環(huán)保要求的前提下盡可能兼顧。

1 治理NOx 現(xiàn)狀

對(duì)于NOx的危害、NOx的生成以及NOx排放的降低技術(shù)國(guó)內(nèi)外做了充分的研究，大致分為快速型NOx，燃料型NOx及熱力型NOx三種。其中占比最高的是燃料型NOx，約80～90%之間，其次是熱力型、最后是快速型。燃燒中脫氮的低氮技術(shù)及燃燒后的脫硝技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用在鍋爐中降低NOx的主要方法。

脫氮技術(shù)分為煙氣再循環(huán)、燃料分級(jí)燃燒、空氣分級(jí)燃燒以及低氧燃燒等。其主要原理就是把燃燒器形成燃盡區(qū)，主還原區(qū)以及氧化還原區(qū)，而四角切圓鍋爐能夠形成中心區(qū)以及近壁區(qū)，以此可以在爐膛內(nèi)把燃料和配風(fēng)進(jìn)行低氧、低溫、分級(jí)以及分區(qū)燃燒，從而對(duì)煤礦燃燒中生成的NOx量進(jìn)行降低。

當(dāng)前電廠的低氮技術(shù)有一定的問(wèn)題存在，在采用該技術(shù)時(shí)，在高溫下鍋爐水爐壁會(huì)出現(xiàn)腐蝕，對(duì)爐膛產(chǎn)生焦塊，燃燒后灰渣含碳量一直都很高。當(dāng)前低氮燃燒技術(shù)有著穩(wěn)燃性、配煤、配風(fēng)變低等問(wèn)題[1]。經(jīng)多年研究改進(jìn)低氮技術(shù)來(lái)對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行解決，根據(jù)高溫腐蝕原理，在冷區(qū)管壁制造氧化氣體，對(duì)管壁清潔度的時(shí)間進(jìn)行延長(zhǎng)，以此對(duì)發(fā)生高溫腐蝕的進(jìn)度進(jìn)行減緩。

最近幾年，我國(guó)很多機(jī)構(gòu)都在對(duì)低氮技術(shù)進(jìn)行研究，不再是模仿國(guó)外技術(shù)，創(chuàng)新了很多。在防止高溫腐蝕方面還有防止結(jié)焦、同軸燃燒技術(shù)等。例如在鍋爐運(yùn)行中，對(duì)于煤粉的燃燒通過(guò)加大吹風(fēng)量使其燃燒更充分，包括控制煤粉細(xì)膩程度以及調(diào)整燃盡風(fēng)，都能對(duì)NOx的排放量進(jìn)行降低[2-3]。

2 優(yōu)化后布置燃燒器的方式

2.1 鍋爐概述

選取我國(guó)某廠生產(chǎn)的2×350MW 超臨界燃煤機(jī)組鍋爐，該鍋爐設(shè)計(jì)采用側(cè)煤倉(cāng)布置、固態(tài)排渣系統(tǒng)、平衡通風(fēng)、四角切向燃燒等技術(shù)。使用的是煙煤，煤粉燃燒器為擺動(dòng)式燃燒器，制粉系統(tǒng)采用的是正壓直吹式，設(shè)計(jì)中速磨煤機(jī)和冷一次風(fēng)機(jī)四角布置，切向燃燒[4-5]。該設(shè)備有五層煤粉噴嘴，鍋爐配置的中速磨煤機(jī)有五臺(tái)，對(duì)煤種進(jìn)行校核時(shí)，五臺(tái)機(jī)器都運(yùn)行，而對(duì)設(shè)計(jì)煤種進(jìn)行燃用時(shí)，只有四臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)作為備用。

2.2 布置燃燒器的方式

燃燒器的方式采取低NOx切圓燃燒系統(tǒng)，四角布置，大風(fēng)箱與切角，擺動(dòng)式燃燒器，形成雙切圓燃燒。通過(guò)對(duì)NOx生成機(jī)理進(jìn)行分析，低NOx系統(tǒng)主要是為了是因揮發(fā)份氮對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化進(jìn)行降低，主要方法為對(duì)空氣分段燃燒以及氧量的燃料進(jìn)行控制。主要組成低NOx燃燒系統(tǒng)的有：輔助風(fēng)噴嘴，緊湊燃盡風(fēng)以及分離燃盡風(fēng)。

燃燒系統(tǒng)在降低NOx時(shí)，對(duì)低負(fù)荷穩(wěn)燃以及燃燒效率的提升要重點(diǎn)考慮。燃燒系統(tǒng)技術(shù)不斷發(fā)展更新，在預(yù)防高溫腐蝕以及爐內(nèi)結(jié)渣方面有著良好的效果。主風(fēng)箱有五層煤粉噴嘴，燃料風(fēng)布置在噴嘴四周。每相鄰兩層噴嘴布置一層風(fēng)噴嘴。在主風(fēng)箱上部設(shè)有兩層CCOFA 噴嘴，布置SOFA 燃燒器以及SOFA 噴嘴，下部設(shè)有一層UFA 噴嘴。

SOFA 燃燒器，主燃燒器以及連同煤粉噴嘴的周界風(fēng)都有單獨(dú)的二次風(fēng)擋板，都是采用氣動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行操作的。主燃燒器采用擺動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)瞞住鍋爐氣溫調(diào)節(jié)，由水冷壁來(lái)通過(guò)風(fēng)冷作為燃燒器的冷卻，在工地上把燃燒器內(nèi)殼與廠內(nèi)裝配好的外殼進(jìn)行組裝[6]。

3 對(duì)NOx 排放進(jìn)行降低的方法

3.1 二次風(fēng)門(mén)擋板及控制

二次風(fēng)門(mén)擋板在每層風(fēng)室都有配置，風(fēng)門(mén)擋板在每角主燃燒器中配置的有二十二只，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有十七只。每層風(fēng)室有兩只偏置輔助風(fēng)，通過(guò)連桿來(lái)對(duì)風(fēng)室進(jìn)行控制。角式SOFA 燃燒器和墻式SOFA 燃燒器每角配置的風(fēng)門(mén)擋板以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有三只。這樣，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在每臺(tái)鍋爐中配置的總數(shù)量為九十二只，根據(jù)爐膛安全監(jiān)視和機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，通常同一層封門(mén)擋板動(dòng)作保持同步。對(duì)于二次風(fēng)量分配到每層風(fēng)室是采取二次風(fēng)門(mén)擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)的，以此來(lái)對(duì)良好的燃燒指標(biāo)與工況進(jìn)行保證。

3.2 二次風(fēng)門(mén)擋板的控制原則

根據(jù)運(yùn)行或停運(yùn)函數(shù)關(guān)系來(lái)控制A 層到E 層這五層的燃料風(fēng)擋板的開(kāi)度，運(yùn)行時(shí)本層煤機(jī)轉(zhuǎn)速與開(kāi)度有函數(shù)關(guān)系，調(diào)節(jié)一次風(fēng)氣流著火點(diǎn)。停運(yùn)時(shí)，總空氣流量與開(kāi)度有函數(shù)關(guān)系，此外給煤機(jī)A 轉(zhuǎn)速與AAA 層二次風(fēng)擋板是函數(shù)關(guān)系，總空氣流量與CCOFA 和SOFA 二次風(fēng)擋板是函數(shù)關(guān)系，以此來(lái)控制NOx的排放量。

AA、AB、BC、CD、DE、EE、AAB、ABB、BBC、BCC、CCD、CDD、DDE、DEE 這十四層二次風(fēng)擋板是對(duì)大風(fēng)箱和爐膛出口壓差進(jìn)行控制，空氣流量與壓差有函數(shù)關(guān)系。表1是擋板開(kāi)度控制，對(duì)二次風(fēng)門(mén)擋板函數(shù)關(guān)系如表2～4。

表1 總空氣流量和燃燒器大風(fēng)箱壓差函數(shù)關(guān)系

表2 總空氣流量和CCOFA-Ⅰ與Ⅱ間的函數(shù)關(guān)系

表3 總空氣流量和SOFA Ⅰ-Ⅵ間的函數(shù)關(guān)系

表4 燃料風(fēng)擋板開(kāi)度和給煤機(jī)轉(zhuǎn)速間的函數(shù)關(guān)系

為了對(duì)煤粉噴嘴燒壞進(jìn)行預(yù)防，在著火點(diǎn)保證正常的情況下，要根據(jù)表中的數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行燃料風(fēng)擋板開(kāi)度，盡可能的開(kāi)大。由于工程所使用的系統(tǒng)為L(zhǎng)NTFS 燃燒系統(tǒng)，其燃燒風(fēng)在二次風(fēng)中所占的比例較低，假如燃料風(fēng)擋板開(kāi)度小，那么很容易就會(huì)燒壞噴嘴。燃燒器為了預(yù)防其燒壞（燃燒器燒壞見(jiàn)圖1），需要隨著總空氣流量的變化而相應(yīng)的調(diào)整，其函數(shù)關(guān)系如表5所示。

表5 總空氣流量和停運(yùn)燃燒器擋板開(kāi)度間的函數(shù)關(guān)系

設(shè)計(jì)燃燒器和鍋爐的要求是兩者同時(shí)都能夠達(dá)到穩(wěn)燃，以此來(lái)燃燼率進(jìn)行提高，以免有高溫腐蝕和結(jié)渣，減少NOx排放。為了滿(mǎn)足上述要求通常使用的方法都相互矛盾。比如為了對(duì)燃燒區(qū)域的溫度進(jìn)行提高、從而對(duì)穩(wěn)定性與燃燒效率進(jìn)行提升，這通常會(huì)使得高溫腐蝕和結(jié)渣出現(xiàn)，并且還會(huì)增加NOx 排放，而對(duì)燭燃燒器區(qū)域的二次風(fēng)量適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行控制，能夠?qū)Ox 排放進(jìn)行減少，還能夠?qū)赡茉谒浔谏铣霈F(xiàn)的結(jié)焦進(jìn)行降低。

CFS 噴口在每層一次風(fēng)噴口上下進(jìn)行設(shè)置，布置時(shí)的角度為正切22°，能夠增高靠近水冷壁區(qū)的氧濃度，以防高溫腐蝕和結(jié)焦發(fā)生。另外，在該噴口設(shè)置的有擋板風(fēng)門(mén)，根據(jù)鍋爐實(shí)際的運(yùn)行情況來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

把頂部燃燼風(fēng)進(jìn)行12°的反切，這種方式能夠?qū)χ饏^(qū)旋轉(zhuǎn)火球效應(yīng)進(jìn)行保證，還可以加速燃燼，強(qiáng)化著火，又能對(duì)爐膛出口處的殘余旋轉(zhuǎn)氣流進(jìn)行減少，從而能夠?qū)t膛出口左右兩側(cè)的煙溫差進(jìn)行減少。另外，NOx的生成通過(guò)這種分級(jí)送風(fēng)方式來(lái)降低。

二次風(fēng)噴嘴能夠根據(jù)爐膛出口的煙溫差進(jìn)行水平擺動(dòng)調(diào)整，從而能夠?qū)t膛出口的左右煙溫差進(jìn)行減少。把一二次風(fēng)噴嘴設(shè)計(jì)成圓弧面，這樣其在上下擺動(dòng)時(shí)能夠避免噴口變形而碰撞到風(fēng)室隔板，以免擺動(dòng)角度失真。

4 科學(xué)的燃燒運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整

對(duì)于不同的負(fù)荷、不同型式的燃燒器、不同的燃燒條件、不同的空氣量、不同的溫度變化以及不同的煤種，其生成的NOx量也是不同的。所以，對(duì)于NOx的量進(jìn)行降低，主要采取的方式就是要對(duì)燃燒措施進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在滿(mǎn)足環(huán)保要求下對(duì)經(jīng)濟(jì)性也要兼顧到。

爐內(nèi)分層配煤混燒。根據(jù)穩(wěn)燃、排放濃度以及配煤摻燒來(lái)消化經(jīng)濟(jì)煤種，在下層穩(wěn)燃煙煤，中層配置褐煤，對(duì)于NOx的生成通過(guò)低氧燃燒能夠進(jìn)行控制。上層配置貧煤，對(duì)二次分級(jí)燃燒有利。

根據(jù)煤種、負(fù)荷配風(fēng)。額定負(fù)荷下，煙煤在下層用于穩(wěn)燃，適合配中等風(fēng)，褐煤最好少配風(fēng)，否則生成的NOx量會(huì)比較大。貧煤適合多配風(fēng)，以保證燃盡。而縮腰倒寶塔型是根據(jù)穩(wěn)燃配風(fēng)、低氧以及分級(jí)方式進(jìn)行考慮中較為合適。為了對(duì)NOx的量進(jìn)行更好的控制，可以通過(guò)經(jīng)濟(jì)煤種摻配比的加大以及負(fù)荷降低，來(lái)保證穩(wěn)燃。

對(duì)控制鍋爐運(yùn)行氧量進(jìn)行優(yōu)化。氧量的大小不但會(huì)對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行影響，對(duì)控制NOx的產(chǎn)生作用是非常大的。采用低氮技術(shù)其要求要更加的明確，負(fù)荷在300MW 以上時(shí)，氧量按照2.5%控制，負(fù)荷在300～260MW 時(shí)氧量為2.5～2.9%之間，負(fù)荷在250～170MW 時(shí)氧量為2.9～3.9%之間，負(fù)荷在170MW 及以下時(shí)氧量為3.9～4.4%之間，燃燒最好要保持低氧。

該廠1、2爐自投產(chǎn)之后，對(duì)于NOx生成量一直進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，對(duì)于鍋爐運(yùn)行氧量通過(guò)燃燒器噴嘴以及擺角的調(diào)整來(lái)進(jìn)行控制，在對(duì)環(huán)保要求滿(mǎn)足下又兼顧了經(jīng)濟(jì)性，噴氨量進(jìn)行減少，取得了非常不錯(cuò)的成果，其經(jīng)濟(jì)效益是非?？陀^的。