大型燃煤機(jī)組低氮運行下CO 與O2 綜合控制技術(shù)研究

盧 熠，王西慎，陳獻(xiàn)春，蔣孝科，劉周揚，李建南

(1．福建省電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007;2．國電福州發(fā)電有限公司，福建 福州 350309)

0 引言

為了控制電站鍋爐排放的氮氧化物對大氣環(huán)境的污染，國內(nèi)多數(shù)燃煤電廠都對各自鍋爐進(jìn)行了低NOx 技術(shù)改造，主要包括鍋爐煙道尾部加裝脫硝裝置和鍋爐低NOx 燃燒控制技術(shù)［1－2］。從低氮技術(shù)改造效果來看，盡管對降低NOx 排放起到了一定的作用，但許多電廠同時也出現(xiàn)了在高負(fù)荷下鍋爐排煙CO 濃度高、燃燒效率降低、水冷壁高溫腐蝕嚴(yán)重等問題。本文針對某電廠在低氮改造后出現(xiàn)的鍋爐安全經(jīng)濟(jì)性問題進(jìn)行燃燒調(diào)整分析，以期為出現(xiàn)類似狀況的電廠提供參考。

1 設(shè)備概況

某電廠一期工程2 ×600 MW 機(jī)組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進(jìn)三井巴布科克能源公司(Mitsui Babcock Energy Limited)技術(shù)設(shè)計制造的超臨界參數(shù)變壓運行本生直流鍋爐，采用π 型布置，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，爐后尾部布置兩臺三分倉容克式空預(yù)器，并配有煙氣脫硝及電除塵裝置。設(shè)計煤種為神華煙煤，校核煤種為晉北煙煤(見表1)。鍋爐采用對沖燃燒方式，前后墻各布置3 層燃燒器，每層設(shè)有5 只煤粉燃燒器。在燃燒器上方布置1 層燃盡風(fēng)噴口，前后墻各布置5 只，兩側(cè)墻各3只，共16 只燃盡風(fēng)噴口。2012 年底，電廠進(jìn)行低氮改造，將燃燒器更換為低NOx 軸向旋流燃燒器(LNASB)，改造后要求爐膛出口NOx 濃度小于300 mg/m3。

表1 設(shè)計煤種和校核煤種特性

LNASB 燃燒器中的空氣分為一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)。燃燒器內(nèi)設(shè)有內(nèi)、外二次風(fēng)量調(diào)節(jié)套筒，通過套筒上的拉桿調(diào)整套筒開度進(jìn)而控制進(jìn)入燃燒器的內(nèi)、外二次風(fēng)量。燃燒器內(nèi)還設(shè)有二次風(fēng)旋流調(diào)節(jié)拉桿，通過調(diào)節(jié)拉桿行程控制二次風(fēng)旋流強(qiáng)度。內(nèi)、外二次風(fēng)通過燃燒器內(nèi)同心的內(nèi)、外二次風(fēng)環(huán)形通道在燃燒的不同階段分別送入爐膛。各層燃燒器總風(fēng)量由風(fēng)箱兩側(cè)的風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)。

鍋爐低氮改造正常運行1 個月后，高負(fù)荷下兩臺鍋爐效率分別降低約0．7%和0．3%，供電煤耗較改造前增加2．1 g/(kW·h)和0．9g/(kW·h)。

2 原因分析

該電廠采取的低NOx 燃燒控制技術(shù)主要是在低氮燃燒器改造的基礎(chǔ)上，提高燃盡風(fēng)噴口高度位置，結(jié)合空氣分級燃燒技術(shù)，降低燃燒器區(qū)域的二次風(fēng)量，通過減少燃燒初期供氧量的方式抑制NOx 生成。表2 中所列是該電廠2 臺鍋爐低氮燃燒改造前后鍋爐性能試驗數(shù)據(jù)，通過對比改造前后各項運行數(shù)據(jù)表明改造后鍋爐NOx 排放濃度明顯降低，但在日常運行過程中，高負(fù)荷階段鍋爐排煙CO 濃度普遍出現(xiàn)較大幅度的升高，化學(xué)不完全燃燒損失和機(jī)械不完全燃燒損失較改造前明顯增加，鍋爐燃燒效率降低。不僅如此，燃燒器區(qū)域過低的氧量還會導(dǎo)致水冷壁高溫腐蝕、爐膛結(jié)渣等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鍋爐安全經(jīng)濟(jì)性［3－4］。

由于電廠投用煤種揮發(fā)分較高，在低氮燃燒改造之前，鍋爐高負(fù)荷正常運行時的煤粉燃燒較為充分，CO 排放濃度很低，化學(xué)不完全燃燒損失基本可以忽略，因此鍋爐系統(tǒng)也沒有設(shè)計排煙CO 的監(jiān)測。在低氮燃燒改造之后，燃燒初期提供的氧量減少，煤粉燃燒不充分，加上實際運行過程中，為保證污染物達(dá)標(biāo)排放，運行人員常常降低爐膛總氧量和加大燃盡風(fēng)比例以進(jìn)一步降低燃燒器區(qū)域氧量，最終導(dǎo)致排煙CO 濃度提高，化學(xué)不完全燃燒損失增加，鍋爐效率降低。

表2 某電廠低氮燃燒改造前后鍋爐效率對比

3 燃燒優(yōu)化調(diào)整與分析

選取2#鍋爐作為分析研究對象，對鍋爐進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整，試驗期間機(jī)組維持在600 MW 滿負(fù)荷工況，其它運行參數(shù)穩(wěn)定不變，調(diào)整鍋爐運行氧量，通過比對空預(yù)器出口氧量與排煙CO 濃度及鍋爐效率的變化規(guī)律，確定最佳的運行氧量。

圖1 所示為低氮燃燒改造前后排煙CO 濃度及鍋爐效率隨運行氧量的變化趨勢圖。可以看出，無論在改造前后，鍋爐效率隨運行氧量的增加都呈先增加后減小的趨勢。這主要是由于氧量的增加使得爐內(nèi)燃燒更加充分，機(jī)械不完全燃燒損失和化學(xué)不完全燃燒損失減小。另一方面，氧量的增加使得鍋爐煙氣量增加，排煙熱損失增加。綜合兩方面的因素，存在最佳運行氧量點對應(yīng)鍋爐效率最高——當(dāng)不完全燃燒損失影響大于排煙熱損失時，鍋爐效率隨氧量增加而增加;當(dāng)不完全燃燒損失影響小于排煙熱損失時，鍋爐效率隨氧量增加而減小。

從圖中還可以看出，低氮燃燒改造前，在達(dá)到最佳鍋爐效率前，排煙CO 濃度都基本能夠控制在一個較低水平，鍋爐效率隨CO 濃度減低而提高的幅度較小;而在改造之后，原最佳運行氧量(空預(yù)器出口氧量2．9%)條件下CO 濃度從199 ×10－4%提高到792 ×10－4%，不完全燃燒損失對鍋爐效率的影響程度大大增加，鍋爐效率明顯低于改造前。低氮燃燒改造后運行氧量對CO 濃度的影響幅度較大，在達(dá)到最佳鍋爐效率前，CO 濃度對運行氧量的變化十分敏感，隨著氧量的提高，CO 濃度出現(xiàn)大幅降低，并且能夠控制在較低的范圍內(nèi)。此外，在燃燒優(yōu)化試驗氧量調(diào)整范圍內(nèi)，NOx 排放濃度基本都能控制在300 mg/m3以下，滿足低氮燃燒改造要求。

通過燃燒優(yōu)化調(diào)整，鍋爐效率能夠達(dá)到改造前鍋爐最佳效率水平(見表1 兩臺爐燃燒優(yōu)化后運行工況)，并實現(xiàn)NOx 達(dá)標(biāo)排放。

圖1 鍋爐效率排煙CO/NOx 濃度隨運行氧量的變化趨勢圖

4 CO 與O2綜合調(diào)整控制

4．1 CO 在線監(jiān)測系統(tǒng)

由于鍋爐燃燒受到煤種、負(fù)荷等因素的影響，僅僅依靠對爐膛出口氧量的監(jiān)測無法準(zhǔn)確反映爐內(nèi)各區(qū)域燃燒狀況的好壞，而通過測量CO 濃度則可顯示出煤粉不完全燃燒程度，且不受煤種、負(fù)荷等因素的影響。此外，從對鍋爐的燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗可以看出，鍋爐煙氣成分中的CO 和O2有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，通過監(jiān)測CO 排放濃度數(shù)值及變化幅度，可以更加準(zhǔn)確找出最佳運行氧量，更加準(zhǔn)確地確定當(dāng)前鍋爐燃燒效率的高低。因此，在爐膛尾部的適當(dāng)位置加裝CO 連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS 系統(tǒng))，實時監(jiān)測CO 排放情況，實現(xiàn)對CO 與O2的綜合控制對鍋爐經(jīng)濟(jì)運行十分有利。

CO 在線監(jiān)測裝置需要選擇一個代表性好(煙氣混合充分且均勻)、安裝儀表數(shù)量少的位置。兩臺引風(fēng)機(jī)出口混合后煙氣成分均勻性好，通過CO濃度標(biāo)定試驗可以看出，如表3 所示，該位置煙氣CO 實測濃度與在線監(jiān)測系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)基本一致，且濃度分布也較均勻，同時該位置也是排煙NOx、SO2濃度測量點的合適位置，只需安裝一套CO 測量元件。因此，CO 在線監(jiān)測系統(tǒng)的最佳安裝位置選擇在兩臺引風(fēng)機(jī)出口與增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙道的中間位置。

表3 CO 在線監(jiān)測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)標(biāo)定

4．2 鍋爐燃燒損失實時監(jiān)測

鍋爐效率通常采用反平衡法計算，計算公式可以寫成

式中，q2、q3、q4、q5、q6分別代表排煙熱損失率、化學(xué)不完全燃燒損失率、機(jī)械不完全燃燒損失率、散熱損失率、灰渣顯熱損失率，其中q2和q3是對鍋爐效率影響最大的兩項損失，約占鍋爐總熱損失的90%［5－6］。

鍋爐排煙熱損失q2主要受排煙溫度和總煙氣量的影響，其計算公式為

式中

Vgy——燃燒生成的干煙氣量/m3·kg－1;

VH2O——煙氣中水蒸氣含量/m3·kg－1;

cpgy——干煙氣平均定壓比熱/kJ·m－3·℃－1;

cH2O——濕 煙 氣 平 均 定 壓 比 熱/kJ·m－3·℃－1;

TPY——排煙溫度/℃;

T0——大氣溫度/℃;

Qr——鍋爐輸入熱量/kJ·kg－1。

化學(xué)不完全燃燒損失q3主要受煤中揮發(fā)分、爐內(nèi)過量空氣系數(shù)、燃燒器結(jié)構(gòu)、爐內(nèi)氧氣分布等因素影響，其計算公式可表示為

其中CO、CH4、H2、CmHn分別表示不同氣體的體積濃度，×10－4%。實際運行中一般只考慮CO 濃度。

圖2 鍋爐熱損失與O2/CO 變化曲線圖

圖2 所示為600 MW 負(fù)荷下，投用常用煤種時q2、q3隨O2和CO 的變化曲線。根據(jù)實時監(jiān)測的O2和CO 數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r計算得出q2和q3的損失之和，通過調(diào)整運行氧量等手段找到q2+q3最低時的工況，在滿足NOx 排放濃度控制在300 mg/m3的條件下，即為最佳運行工況。

5 結(jié)論

(1)鍋爐低氮燃燒改造后高負(fù)荷階段排煙CO濃度較之前有較大幅度升高，進(jìn)而對鍋爐效率造成一定影響。

(2)低氮燃燒改造后排煙CO 濃度對爐膛氧量的變化比較敏感，合理調(diào)整爐膛氧量能夠在降低排煙NOx 的同時保證鍋爐效率。

(3)建議進(jìn)行低氮燃燒改造的電廠在尾部煙道合適位置加裝CO 在線監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)在線監(jiān)測的O2和CO 數(shù)據(jù)，實時計算q2和q3的損失之和，為確定最優(yōu)工況提供參考依據(jù)。

［1］胡永鋒，白永鋒． SCR 法煙氣脫硝技術(shù)在火電廠的應(yīng)用［J］．節(jié)能技術(shù)，2007，25(2):152 －156．

［2］胡偉鋒，謝靜梅．600 MW 鍋爐低氮燃燒器改造可行性研究［J］．電力建設(shè)，2009，30(3):70 －73．

［3］徐旭常，毛健雄，曾瑞良，等． 燃燒理論與燃燒設(shè)備［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990．

［4］黃新元．電站鍋爐運行與燃燒調(diào)整［M］．北京:中國電力出版社，2002．

［5］范從振． 鍋爐原理［M］． 北京:中國電力出版社，1998．

［6］谷俊杰，孔德奇，高大明，等． 電站鍋爐燃燒優(yōu)化中最佳煙氣含氧量設(shè)定值的計算［J］． 華北電力大學(xué)學(xué)報，2007，34(6):61 －65．