鍋爐降負(fù)荷NOx大幅生成原因分析及對(duì)策

黃衛(wèi)軍，於曉博，朱延海，王海峰 (.神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司,北京 0005；.江蘇國(guó)華陳家港發(fā)電有限公司,江蘇 鹽城 463)

1 概況

江蘇國(guó)華陳家港發(fā)電有限公司一期工程為2×660MW超超臨界機(jī)組，鍋爐為上海鍋爐廠超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，采用復(fù)合式空氣分級(jí)低NOx燃燒系統(tǒng)，設(shè)6層煤粉噴嘴，四周布置燃料風(fēng)，在每相鄰兩層煤粉噴嘴之間布置一層輔助風(fēng)噴嘴，其中包括上、下2只偏置的二次風(fēng)噴嘴，1只直吹風(fēng)噴嘴。主風(fēng)箱上部設(shè)兩層緊湊燃盡風(fēng)噴嘴，下部設(shè)一層火下二次風(fēng)噴嘴。主風(fēng)箱上部布置五層可水平擺動(dòng)的分離燃盡風(fēng)噴嘴[1]。機(jī)組采用SCR脫硝技術(shù)控制NOx的排放。鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行中，SCR裝置入口NOx濃度穩(wěn)定,但在快速減負(fù)荷時(shí)，NOx生成量急劇上升，最大可達(dá)800mg/m3(如圖1所示)。

圖1 660MW機(jī)組降負(fù)荷SCR入口NOx濃度變化曲線(xiàn)

2 影響NOx生成的原因分析

鍋爐燃燒過(guò)程中生成的NOx一般可分為三類(lèi)，即燃料型NOx、熱力型NOx、快速型NOx。燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃燒過(guò)程中熱分解后氧化而成的，主要取決于空氣燃料混合比，而較少依賴(lài)于反應(yīng)溫度，占總量的60%～80%，最高可達(dá)90%；熱力型NOx是氮?dú)飧邷匮趸桑磻?yīng)速度隨溫度的升高而加速，當(dāng)煤粉爐中的溫度升至1600℃時(shí)，熱力型NOx在溫度足夠高時(shí)可達(dá)20%[2]；快速型NOx所占比例很小，基本可以忽略。

影響NOx生成量的因素一般有：火焰溫度；燃燒區(qū)段氧濃度；燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時(shí)間；燃料中氮的含量；燃料比。

國(guó)華港電鍋爐燃煤為神混2與石炭4，按4∶1的比例摻燒，燃燒過(guò)程中煤質(zhì)穩(wěn)定，說(shuō)明以上因素中煤的含氮量和燃料比值不是造成鍋爐降負(fù)荷NOx急劇上升的主要原因。鍋爐降負(fù)荷時(shí)，煤量減少，爐膛燃燒區(qū)溫度降低；另一方面，對(duì)于受溫度影響的熱力型NOx所占生成總量比例較小，因此可以排除火焰溫度和停留時(shí)間原因。分析認(rèn)為鍋爐降負(fù)荷時(shí)NOx大幅生成的主要原因在于鍋爐燃燒區(qū)氧濃度升高，加快了燃料型NOx的生成。

3 抑制NOx快速生成的處理對(duì)策

3.1 優(yōu)化鍋爐氧量控制，降低NOx生成

機(jī)組負(fù)荷660MW，維持制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式不變，維持燃燒配風(fēng)方式不變，分別進(jìn)行氧量3.2%、2.8%、2.3%、1.9%變氧量試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可知合理的氧量控制，不僅有利于提高鍋爐效率，還有利于抑制NOx的生成，過(guò)氧燃燒或者欠氧燃燒均不利于NOx的控制。

圖2 變氧量NOx濃度及鍋爐效率曲線(xiàn)

機(jī)組控制系統(tǒng)中，氧量微調(diào)系數(shù)是根據(jù)負(fù)荷指令自動(dòng)計(jì)算出鍋爐煙氣含氧量的設(shè)定值，查詢(xún)國(guó)華港電鍋爐各負(fù)荷段氧量控制函數(shù)關(guān)系(見(jiàn)表1)。

表1 國(guó)華港電鍋爐氧量控制函數(shù)

負(fù)荷/MW0330495600700氧量/%854．543．5

該氧量控制值偏大，因此在保證鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，降低鍋爐氧量運(yùn)行，對(duì)負(fù)荷-氧量函數(shù)關(guān)系作如下優(yōu)化，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化后鍋爐氧量控制函數(shù)

負(fù)荷/MW0330495600700氧量/%84．53．03．03．0

氧量控制優(yōu)化后，降低了燃燒過(guò)程中爐膛氧濃度，NOx的生成總量有所抑制。

3.2 縮短鍋爐降負(fù)荷風(fēng)量控制延時(shí)值

國(guó)華港電鍋爐燃燒調(diào)節(jié)接受來(lái)自鍋爐主控系統(tǒng)發(fā)出的鍋爐負(fù)荷指令，并將該指令處理后送往燃料、送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使燃料和風(fēng)量按預(yù)先設(shè)置號(hào)的靜態(tài)配合按比例同時(shí)動(dòng)作，以保證合適的風(fēng)/燃料配比，并通過(guò)燃料控制和風(fēng)量控制的交叉限制作用，滿(mǎn)足增負(fù)荷先增風(fēng)后增燃料，減負(fù)荷先減燃料后減風(fēng)的生產(chǎn)工藝要求。

風(fēng)量指令是由燃料主控指令與校正后總?cè)剂狭拷?jīng)函數(shù)發(fā)生器后大選再加上鍋爐主控指令動(dòng)態(tài)前饋給出總風(fēng)量定值，再經(jīng)氧量微調(diào)系數(shù)的修正后形成的,風(fēng)量給定最低不得低于最小風(fēng)量限值。風(fēng)量指令與實(shí)際總風(fēng)量比較經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出，加上風(fēng)量指令動(dòng)態(tài)變化作前饋，作為送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)擋板主控指令，經(jīng)過(guò)平衡回路控制送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)擋板。正常運(yùn)行中鍋爐燃燒實(shí)際空氣量大于理論空氣量，鍋爐降負(fù)荷時(shí)煤量減少，風(fēng)量調(diào)整滯后時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則鍋爐燃燒區(qū)氧量上升，同樣不利于控制NOx生成。原風(fēng)量指令延時(shí)為10s，將其修改為5s，以加快鍋爐風(fēng)量的調(diào)整，避免降負(fù)荷過(guò)程中風(fēng)/燃料配比失調(diào)導(dǎo)致燃料型NOx生成量上升。

3.3 通過(guò)二次風(fēng)輔助擋板自動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒以控制燃燒區(qū)段氧濃度

國(guó)華港電鍋爐低NOx燃燒器系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要任務(wù)是減少揮發(fā)份氮轉(zhuǎn)化成NOx，主要方法是建立早期著火，使用控制氧量實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒，以達(dá)到降低NOx生成的目的。

鍋爐滿(mǎn)負(fù)荷變CCOFA、SOFA試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，從圖3可以看出開(kāi)大上層CCOFA、SOFA有利于抑制NOx的生成。

圖3 CCOFA開(kāi)度NOx濃度及鍋爐效率曲線(xiàn)

綜合考慮SOFA擋板開(kāi)度對(duì)鍋爐熱偏差的影響，將SOFA、CCOFA擋板自動(dòng)控制函數(shù)關(guān)系按表3、4、5設(shè)置，在運(yùn)行中投入擋板自動(dòng)，AGC方式負(fù)荷降低時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，避免運(yùn)行調(diào)整操作不及時(shí)導(dǎo)致NOx快速生成。

表3 SOFA Ⅴ 擋板自動(dòng)控制函數(shù)關(guān)系

鍋爐總風(fēng)量/t·h-10145020002348SOFAⅤ/%0075100

表4 SOFA Ⅰ-Ⅳ 擋板自動(dòng)控制函數(shù)關(guān)系

鍋爐總風(fēng)量/t·h-10670110020002348SOFAⅣ/%004075100SOFAⅢ/%004075100SOFAⅡ/%004075100SOFAⅠ/%004080100

表5 CCOFA Ⅰ、Ⅱ 擋板自動(dòng)控制函數(shù)關(guān)系

鍋爐總風(fēng)量/t·h-10670110020002348CCOFAⅡ/%003080100CCOFAⅠ/%003080100

考慮到SOFA、CCOFA風(fēng)自動(dòng)調(diào)整時(shí)將導(dǎo)致風(fēng)箱/爐膛壓差變化，通過(guò)投入二次風(fēng)輔助風(fēng)門(mén)自動(dòng)，以當(dāng)前風(fēng)量下的壓差為目標(biāo)控制值自動(dòng)控制風(fēng)箱/爐膛壓差，函數(shù)關(guān)系如表6所示。

表6 風(fēng)箱壓差與鍋爐總風(fēng)量關(guān)系

總風(fēng)量/t·h-101100120018201900風(fēng)箱壓差/kPa0．350．350．40．70．75

為防止風(fēng)箱爐膛壓差調(diào)整不及時(shí)，導(dǎo)致壓差過(guò)高或過(guò)低影響鍋爐運(yùn)行安全，SOFA擋板自動(dòng)調(diào)整時(shí)必須兼顧風(fēng)箱壓差，當(dāng)風(fēng)箱壓差實(shí)際值與設(shè)定值之差大于+0.2kPa時(shí)，閉鎖SOFA擋板關(guān)??；風(fēng)箱壓差實(shí)際值與設(shè)定值之差小于-0.2kPa時(shí)，閉鎖SOFA擋板開(kāi)大。

2013年5月18日7∶50，國(guó)華港電660MW超超臨界機(jī)組以8MW/min的速率降負(fù)荷，8∶02脫硝系統(tǒng)SCR入口NOx濃度由原126.7mg/m3最大上升至250.8mg/m3，后逐漸返回(見(jiàn)圖4)。數(shù)據(jù)表明鍋爐在降負(fù)荷過(guò)程中NOx得到很好的控制。

圖4 降負(fù)荷SCR入口NOx濃度變化曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

鍋爐燃燒區(qū)氧濃度偏高，變工況下風(fēng)/燃料配比失調(diào)，當(dāng)燃料量降低后風(fēng)量跟蹤調(diào)整滯后，主燃燒區(qū)氧濃度進(jìn)一步升高，加之分級(jí)燃燒調(diào)整不及時(shí)，導(dǎo)致了鍋爐降負(fù)荷時(shí)NOx大幅生成。因此在保證鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上降低鍋爐氧量運(yùn)行，降負(fù)荷時(shí)鍋爐風(fēng)量跟蹤煤量自動(dòng)及時(shí)調(diào)整，由SOFA、CCOFA擋板自動(dòng)合理配風(fēng)以實(shí)現(xiàn)煤粉的分級(jí)燃燒，可有效控制降負(fù)荷工況下NOx的大幅生成。

[1]孫克勒,鐘 秦.火電煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2]吳碧君,劉曉勤. 燃燒過(guò)程N(yùn)Ox的控制技術(shù)與原理[J].電力環(huán)境保護(hù),2004,20(02):29-33.

[3]溫智勇,廖宏楷.鍋爐低NOx排放改造及試驗(yàn)結(jié)果分析[J].電力環(huán)境保護(hù),2009,25(4):19-21.

[4]趙宗讓.大型燃煤電站鍋爐煙氣脫硝(SCR)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與工程應(yīng)用[J].中國(guó)電力,2005,(12):1-2.

[5]楊宏軍,朱禮想,李勝利,等.火電廠降低NOx排放的技術(shù)研究[J].電力科技與環(huán)保,2011,27(6):10-13.