330MW鍋爐氮氧化物排放濃度偏高優(yōu)化調(diào)整

王敦敦，陳一平，李明

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國電庫車發(fā)電有限公司，新疆庫車842000)

330MW鍋爐氮氧化物排放濃度偏高優(yōu)化調(diào)整

王敦敦1，陳一平1，李明2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國電庫車發(fā)電有限公司，新疆庫車842000)

針對某電廠330 MW對沖燃燒鍋爐投產(chǎn)后爐膛出口氮氧化物濃度偏高的問題，對現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)與設(shè)計值進行對比分析，結(jié)果表明：蒸汽溫度偏低導(dǎo)致的燃盡風(fēng)無法投入，一次風(fēng)率偏高，主燃燒區(qū)域富氧燃燒是導(dǎo)致爐膛出口氮氧化物濃度偏高的主要原因。通過采取提高火焰中心，改善蒸汽參數(shù)，調(diào)整燃盡風(fēng)等一系列措施，爐膛出口氮氧化物排放濃度得到降低。

鍋爐；蒸汽參數(shù)；氮氧化物；優(yōu)化調(diào)整

隨著新環(huán)保標準的實行，火電機組加強了氮氧化物排放濃度的控制〔1〕。某電廠330 MW對沖燃燒鍋爐投產(chǎn)后，在300MW負荷下，當(dāng)投入燃盡風(fēng)時，主蒸汽溫度大幅下降，最低降低至500℃，影響機組運行安全。在不投入燃盡風(fēng)時，爐膛氮氧化物濃度為600 mg/Nm3左右，超過設(shè)計值 (350 mg/Nm3)，無法滿足環(huán)保要求。目前對于類似的問題，可供借鑒的調(diào)整經(jīng)驗較少。為了滿足鍋爐的經(jīng)濟運行和環(huán)保要求，為后續(xù)的改造提供依據(jù)，特進行燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗。

1 設(shè)備概述

1.1 鍋爐設(shè)計性能參數(shù)

某電廠2×330MW機組鍋爐為北京巴布科克·威爾科克斯有限公司生產(chǎn)的B＆WB－1192/17.5－M型亞臨界自然循環(huán)汽包爐，前后墻對沖燃燒。燃燒器為DRB-4Z超低NOx型雙調(diào)風(fēng)旋流煤粉燃燒器，爐膛上部布置了燃盡風(fēng)噴口 (OFA)。配套了5臺ZGM95N-Ⅱ型中速磨煤機，ADC磨煤機出口煤粉進入前墻的下中上層燃燒器，BE磨煤機出口煤粉進入后墻下中層燃燒器。爐膛斷面尺寸為15 600mm ×13 500mm，汽包中心線標高62 650mm。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表1。

1.2 設(shè)計及實際燃用煤種

鍋爐設(shè)計煤種為高揮發(fā)分、中高灰分、常水分的煙煤，具有易燃盡、易著火、高結(jié)渣性等特性，與設(shè)計煤種相比，實際燃用煤種發(fā)熱量高，揮發(fā)分高，灰熔點高，見表2。

2 氮氧化物濃度偏高原因分析

2.1 高負荷下蒸汽溫度低，燃盡風(fēng)難以投入

鍋爐實際運行中發(fā)現(xiàn)，在高負荷時 (250 MW以上)，過熱器一、二級減溫水流量為0，當(dāng)主蒸汽壓力高于14MPa時，主、再熱蒸汽溫度大幅波動，最低降至500℃，為保證蒸汽溫度達到設(shè)計值(541℃)，只能采用降壓運行。由于燃盡風(fēng)(OFA)設(shè)計在最上層燃燒器以上約4.5m處，當(dāng)燃盡風(fēng)投入后，會對爐膛火焰產(chǎn)生 “壓火”作用，降低火焰中心，降低主、再熱汽溫，不利于機組的安全經(jīng)濟運行。有研究表明，燃盡風(fēng)的合理配置，能夠降低20%～40%的氮氧化物排放〔2〕。

在300MW負荷下，通過對比尾部煙道煙氣溫度DCS值與設(shè)計值 (見表3)可知:低溫過熱器和低溫再熱器入口煙氣溫度比設(shè)計值低約150℃，低溫過熱器、低溫再熱器和省煤器出口煙氣溫度比設(shè)計值低約40℃。通過實際測量發(fā)現(xiàn)，屏式過熱器底部平均煙氣溫度約為905℃，比鍋爐廠熱力計算對應(yīng)值低近100℃。綜合以上分析可知，爐膛出口煙溫低，是導(dǎo)致過、再熱器吸熱不足，蒸汽溫度無法達到設(shè)計值的直接原因。

從表2中可以看出，實際燃用煤質(zhì)發(fā)熱量和揮發(fā)分偏高，在相同負荷下，會導(dǎo)致鍋爐燃煤量少，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣量少，過熱器和再熱器吸熱變少，蒸汽溫度難以提升。同時，由于設(shè)計煤種Na2O含量較高 (2.3%～2.7%)，根據(jù)結(jié)渣判別標準，大于2.5%時屬于嚴重結(jié)渣傾向煤種，對鍋爐玷污影響特別顯著〔3〕。根據(jù)灰軟化溫度ST進行分析，設(shè)計煤種同樣屬于嚴重結(jié)渣特性煤種〔4〕。因此在鍋爐設(shè)計中，考慮結(jié)渣影響，有意增加了水冷壁吸熱面積。而實際燃用煤質(zhì) Na2O含量小于0.4%，屬于低結(jié)渣特性煤，于是造成實際燃用煤質(zhì)下水冷壁面積偏大，吸熱量過多，從而使爐膛出口煙氣溫度偏低。

2.2 一次風(fēng)率較設(shè)計值偏高

該鍋爐一次粉管內(nèi)徑為530 mm，比同類型鍋爐一次粉管大15%左右。實際運行過程中為了防止煤粉堵塞，一次風(fēng)速要控制在18m/s以上，實際一次風(fēng)量會遠遠超過設(shè)計值。表4為典型負荷下一次風(fēng)量與二次風(fēng)風(fēng)量之比，隨著負荷的升高，該比值逐漸減小，但最低仍然達到0.57，遠遠高于設(shè)計值 (0.19～0.2)。煤燃燒過程中產(chǎn)生的NOx可分為燃料型、熱力型和快速型，其中燃料型NOx占總量的 75%以上〔5〕。NOx主要在燃燒初期產(chǎn)生〔6〕，一次風(fēng)風(fēng)率越高，燃燒器出口氧濃度越高，燃料型NOx生成越多。因此，過高的一次風(fēng)風(fēng)率對降低NOx排放十分不利。從圖1看出，負荷增加時，給煤量增加，一次風(fēng)噴口煤粉濃度增加，形成缺氧燃燒環(huán)境，NOx生成濃度呈下降趨勢。

2.3 燃燒器設(shè)計調(diào)整手段有限

該鍋爐燃燒器為旋流燃燒器，環(huán)繞在一次風(fēng)外圍的是過渡風(fēng)，過渡風(fēng)設(shè)計用來阻隔煤粉和二次風(fēng)，推遲混合。過渡風(fēng)外圍是內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)，但是內(nèi)外二次風(fēng)的比例無法調(diào)節(jié)。實際運行發(fā)現(xiàn)，由于一次風(fēng)率偏高，煤粉在噴口已經(jīng)形成了富氧環(huán)境，煤粉的著火點距離一次風(fēng)噴口依然很近。因此通過調(diào)節(jié)過渡風(fēng)開度和內(nèi)二次風(fēng)的旋流強度對推遲煤粉燃燒、降低氮氧化物生成效果有限。

3 優(yōu)化運行調(diào)整措施及效果

3.1 蒸汽參數(shù)調(diào)整

3.1.1 提高爐膛火焰中心

該鍋爐前墻上中下3層布置CDA磨煤機，后墻上下2層布置EB磨煤機，等離子點火器布置在下層A燃燒器內(nèi)，設(shè)計滿負荷工況下C層燃燒器備用，平時運行過程中一般投入ABDE磨煤機運行。針對該鍋爐存在的爐膛出口溫度低問題，采取提高爐膛火焰中心的運行調(diào)整措施:

1)變備用C磨煤機為常用磨煤機，把下層A或B磨煤機作為備用，即高負荷下投運BCDE或ACDE磨煤機。由于鍋爐燃用煤質(zhì)為高揮發(fā)分煙煤，著火穩(wěn)定性能得到充分保證，當(dāng)A磨煤機備用時，即使出現(xiàn)異常情況仍然可以投入每個燃燒器的油槍穩(wěn)定燃燒。

2)減小下層磨煤機給煤量而增加中上層磨煤機的給煤量，同時通過磨煤機總風(fēng)量和冷卻風(fēng)量的調(diào)整確保不發(fā)生一次粉管堵塞和溫度高而燒管。在300MW負荷下，C磨煤機給煤量最高達到38 t/h，而A或B磨煤機給煤量只有23 t/h，此時一次風(fēng)管最低風(fēng)速在20m/s左右，磨煤機出口風(fēng)粉混合溫度為70～80℃。

3)調(diào)整旋流燃燒器內(nèi)外二次風(fēng)旋流強度。通過減少內(nèi)二次風(fēng)旋流強度，提高剛性，可以推遲二次風(fēng)與煤粉的混合，可以提高火焰中心高度。實際調(diào)整過程中，內(nèi)二次風(fēng)旋流強度拉桿關(guān)至最小刻度，基本無旋流。

3.1.2 提高氧量

適當(dāng)提高鍋爐運行氧量，增加煙氣流量。在高負荷下，爐膛出口氧量在4.5%左右運行，煙氣流量增加后，過、再熱器吸熱增加，蒸汽溫度得到提高。

3.2 低氮燃燒調(diào)整

3.2.1 垂直分級燃燒

采取以上提高爐膛火焰中心技術(shù)措施后，爐膛出口溫度明顯提高，并且需要投入過熱器減溫水進行汽溫控制，為開啟燃盡風(fēng) (OFA)創(chuàng)造了條件。在300MW負荷下，燃盡風(fēng)門開度可以達到80%，實現(xiàn)了垂直方向深度分級燃燒，降低了氮氧化物生成，試驗結(jié)果參見圖1。

3.2.2 提高煤粉濃度

在一次風(fēng)管不堵塞前提下，盡量增加中、上層給煤量，提高一次風(fēng)煤粉濃度，控制氮氧化物的生成。

3.2.3 推遲風(fēng)粉混合

減小旋流燃燒器內(nèi)二次風(fēng)旋流強度，推遲內(nèi)二次風(fēng)與煤粉的混合對降低氮氧化物生成有利。

3.3 調(diào)整結(jié)果

通過以上調(diào)整后，各負荷段穩(wěn)定工況下主要蒸汽參數(shù)見表5，NOx濃度變化參見圖1。在250～300MW負荷下，蒸汽參數(shù)基本達到設(shè)計要求，蒸汽溫度和壓力穩(wěn)定，主、再蒸汽溫度達到540℃左右。在300MW負荷下，主蒸汽壓力為16.8 MPa，過熱器仍然有10 t/h左右減溫水調(diào)節(jié)余量。燃盡風(fēng)

全關(guān)時，爐膛出口NOx濃度為550mg/Nm3，燃盡風(fēng)開啟后，NOx濃度逐漸降低，當(dāng)燃盡風(fēng)開度為50%時，NOx濃度達到最低值464 mg/Nm3，主再熱蒸汽溫度降低到530～536℃，主蒸汽壓力為16.6MPa。當(dāng)燃盡風(fēng)開度達到80%及以上時，NOx濃度和主再熱蒸汽參數(shù)變化不明顯。

在300～330 MW負荷段時，受制于一次風(fēng)機出力和一次風(fēng)管最低風(fēng)速限制，中上層磨煤機出力不能繼續(xù)增加，當(dāng)主蒸汽壓力高于15MPa時，主、再熱蒸汽溫度不能達到設(shè)計值，而且出現(xiàn)較大波動現(xiàn)象，為維持汽溫，只能降壓運行，調(diào)節(jié)過熱汽溫的減溫水流量為0。燃盡風(fēng)門開度從10%開大至50%的過程中，NOx濃度從574mg/Nm3降低至533 mg/Nm3，當(dāng)燃盡風(fēng)門開度進一步開大時，主再熱蒸汽溫度降低明顯。在小于250 MW負荷、4臺磨運行方式下，受制于下層磨煤機的最低出力，中上層磨煤機出力增加受限，爐膛出口煙溫難以提高。因此，在180MW低負荷時，采用滑壓運行方式，以維持主、再熱蒸汽溫度基本達到設(shè)計值。此時，燃盡風(fēng)門從 10%開至 50%，NOx濃度從671mg/Nm3降低至660mg/Nm3。

4 結(jié)論

1)根據(jù)現(xiàn)有的試驗數(shù)據(jù)分析，鍋爐實際燃用煤種偏離設(shè)計煤種，是導(dǎo)致主、再熱蒸汽溫度偏低的主要原因；爐膛蒸發(fā)受熱面吸熱量偏多，導(dǎo)致爐膛出口煙氣溫度偏低，加劇了主、再熱蒸汽溫度的偏低。為了保證機組的穩(wěn)定運行，燃盡風(fēng)無法投入，是導(dǎo)致鍋爐氮氧化物濃度偏高的主要原因。

2)一次粉管內(nèi)徑偏大，為了維持一次風(fēng)速，實際運行中一次風(fēng)率遠大于設(shè)計值，燃燒器出口形成富氧燃燒環(huán)境，導(dǎo)致鍋爐氮氧化物濃度偏高。

3)燃燒器設(shè)計調(diào)節(jié)手段有限，內(nèi)外二次風(fēng)比例無法調(diào)整，僅通過過渡風(fēng)和內(nèi)二次風(fēng)旋流強度來達到降低氮氧化物濃度的作用有限。

4)通過采取調(diào)整磨煤機運行方式，投入中上層磨煤機運行，增加中上層磨煤機給煤量，調(diào)整旋流燃燒器內(nèi)二次風(fēng)旋流強度，適當(dāng)提高鍋爐運行氧量等一系列措施，使鍋爐蒸汽壓力和溫度不匹配和主、再熱蒸汽溫度低等問題大幅度改善，鍋爐在300MW負荷下主、再熱蒸汽參數(shù)能達到設(shè)計值。

建議開展設(shè)計煤種下的性能試驗，根據(jù)試驗結(jié)果進行鍋爐受熱面和一次風(fēng)管的核算和改造，徹底解決鍋爐蒸汽參數(shù)不匹配、汽溫偏低等問題，并使爐膛出口NOx濃度達到設(shè)計值。

〔1〕GB13223—2011火電廠大氣污染物排放標準 〔S〕.北京:中國標準出版社，2011.

〔2〕張曉輝，孫銳，孫紹增，等.燃盡風(fēng)與水平濃淡燃燒聯(lián)用對NOx生成的影響 〔J〕.中國電機工程學(xué)報，2007，27(29): 56-61.

〔3〕岑可法.鍋爐和熱交換器的積灰，結(jié)渣，磨損和腐蝕的防止原理與計算〔M〕.北京:科學(xué)出版社，1994.

〔4〕李永興，陳春元.動力用煤結(jié)渣特性綜合判別指數(shù)的研究〔J〕.熱力發(fā)電，1994(3):36-39.

〔5〕PERSHING DW，WENDT JOL.Pulverized coal combustion:The influence of flame temperature and coal composition on thermal and fuel NOx；proceedings of the Symposium (International) on Combustion，F(xiàn)，1977〔C〕.Elsevier.

〔6〕孫保民，王頂輝，段二朋，等.空氣分級燃燒下 NOx生成特性的研究〔J〕.動力工程學(xué)報，2013，33(4):261-266.

Optim izing adjustment for high concentration of nitrogen oxide em issions of 330MW boilers

WANG Dun-dun1，CHEN Yi-ping1，LIMing2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Guodian Kuche Power Generation CO.，LTD.Kuche 842000，China)

The hedge fired boilers in a certain 330 MW power plant appeared to high concentration of nitrogen oxides after commissioning.Through the analysis of the test data and design values，the results show that the OFA(over fire air)cannotbe put into，and low steam temperature，high primary air ratio and oxygen-enriched combustion in primary combustion zone is the main cause of the high concentration of nitrogen oxides on furnace outlet.By taking a seriesmeasurementof increasing the flame center，improving steam parameters and adjusting the OFA，furnace outlet nitrogen oxides emission concentration was reduced.

boiler；steam parameter；nitrogen oxide；optimal adjustment

TK223.27

B

1008-0198(2014)06-0069-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.020

2014-05-28 改回日期:2014-08-10