沁北電廠#5鍋爐NO x生成分析與建議

史小毅，程世軍，王 楊，張 偉，王 越

（華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 濟(jì)源 454662）

在能源結(jié)構(gòu)變化的大環(huán)境下，火力發(fā)電廠當(dāng)下?lián)綗耗嗟谋壤鹑赵黾?，煤種變化復(fù)雜，同時(shí)機(jī)組調(diào)峰頻次增加，導(dǎo)致鍋爐燃燒工況變化頻繁，劣質(zhì)煤種比例的增加加劇了脫硝反應(yīng)器的腐蝕，脫硝邏輯不合理過調(diào)常常導(dǎo)致噴氨量過大，導(dǎo)致能源浪費(fèi)以及空預(yù)器堵塞，影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，分析各種因素對(duì)脫硝反應(yīng)的影響非常有意義。

1 沁北電廠三期燃燒設(shè)備概況[1]

沁北電廠三期#5機(jī)組為1 000 MW超超臨界機(jī)組，配套鍋爐為東方鍋爐廠制造的超超臨界本生滑壓運(yùn)行直流鍋爐，鍋爐型號(hào)DG3110/26.15-2型，單爐膛，平衡通風(fēng)，尾部雙煙道結(jié)構(gòu)。鍋爐設(shè)計(jì)煤種為晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤礦煤，校核煤種為潞安礦業(yè)集團(tuán)屯留煤礦煤。

磨煤機(jī)采用沈陽重型機(jī)械廠生產(chǎn)的MPS290輥盤式中速磨煤機(jī)，燃燒器為東方鍋爐廠引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的旋流噴燃器，采用前后墻各3層，前、后墻對(duì)沖布置，其中A（后下）層燃燒器具有少油點(diǎn)火功能。燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分級(jí)燃燒和濃淡燃燒等技術(shù)，可有效減少NOx排放量并降低鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷。

2 NO x生成機(jī)理[2]

燃煤鍋爐的NOx類型主要有3種，即燃料型、熱力型、快速型，其生成機(jī)理如下。

2.1 燃料型NO x

燃料型NOx即燃料中的含氮物質(zhì)氧化生成NOx，生成過程分3步：含氮揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒、焦炭中含氮物質(zhì)燃燒。

含氮揮發(fā)分的燃燒與溫度關(guān)系密切，而后期焦炭含氮物質(zhì)在還原性氣氛中會(huì)還原一部分揮發(fā)分NOx。燃料型NOx生成機(jī)理如圖1所示。

圖1 燃料型NO x生成機(jī)理

從圖1可看出，燃料型NOx的生成和還原不僅與煤種的特性、煤中氮化合物存在的狀態(tài)、煤中的氮熱分解時(shí)在揮發(fā)分和焦碳中分配的比例及各自的成分有關(guān)，還與氧的質(zhì)量濃度、燃燒溫度相關(guān)。正常情況下燃料型占比為70%左右。

2.2 熱力型NO x

空氣中N2在高溫?zé)煔庵信c氧氣發(fā)生反應(yīng)生成熱力型NOx，其生成量與溫度密切相關(guān)，在1 400℃以下，熱力型NOx生成量很少，但隨著溫度的上升，熱力型NOx生成量迅速增加。

2.3 快速型NO x

燃燒過程中生成的CH原子團(tuán)撞擊N2分子，生成HCN類化合物再氧化，由于這個(gè)反應(yīng)過程速度較快，因此稱為快速型NOx。其反應(yīng)化學(xué)式如下：

溫度對(duì)快速型NOx的生成影響很小，與熱力型和燃料型NOx的生成量相比，快速型NOx的生成量要少得多。

3 NO x生成影響因素

3.1 爐膛溫度

NOx生成量隨溫度變化關(guān)系如圖2所示。隨著爐膛溫度的變化，在不同溫度區(qū)間下，NOx的生成總量中熱力型NOx與燃料型NOx的比例在1 400℃后發(fā)生明顯變化，1 400℃以上熱力型NOx的生成量快速增加。

圖2 NO x生成量隨溫度變化關(guān)系

3.2 燃燒區(qū)域氧量

調(diào)節(jié)主燃燒區(qū)域的風(fēng)煤比例，對(duì)減少燃料型NOx的生成有很大幫助，送風(fēng)量與煤量直接相關(guān)，控制投入制粉區(qū)域燃燒器的二次風(fēng)量，可顯著減少燃料型NOx生成量。

送風(fēng)量增加時(shí)，NOx生成量會(huì)增加。鍋爐是平衡通風(fēng)，送風(fēng)量增大時(shí)煙氣流速必然加快，此時(shí)煙氣與脫硝反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間必然變短，導(dǎo)致脫硝效率變低；同時(shí)在相同的配風(fēng)方式情況下，增加氧量，主燃燒區(qū)域的還原性氣氛必然降低，導(dǎo)致NOx生成量增加。

3.3 煤質(zhì)

揮發(fā)分較高時(shí)，會(huì)較快得消耗燃燒區(qū)域的氧氣，有利于形成還原性氣氛，減少NOx的生成量。隨著煤泥摻燒比例的增大，燃燒區(qū)域的可燃物比例降低，必然導(dǎo)致燃燒區(qū)域的風(fēng)煤比增加，此時(shí)，將增加NOx的生成量。

4 關(guān)于脫硝控制優(yōu)化的改進(jìn)

4.1 根據(jù)實(shí)際煤量及時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)行燃燒器二次風(fēng)開度

目前沁北電廠#5機(jī)組5臺(tái)制粉系統(tǒng)及6臺(tái)制粉系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)二次風(fēng)開度在70%。根據(jù)煤量對(duì)二次風(fēng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，研究中發(fā)現(xiàn)，在維持其他參數(shù)不變的情況下，嘗試在同工況下進(jìn)行二次風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)，分別將下層二次風(fēng)開至100%、中層二次風(fēng)開至100%、上層二次風(fēng)開大100%，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證不同二次風(fēng)開度對(duì)脫銷反應(yīng)器入口NOx生成量變化的影響。

前后墻對(duì)沖燃燒950 MW負(fù)荷6臺(tái)制粉系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1前后墻對(duì)沖燃燒950MW負(fù)荷6臺(tái)制粉系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1（續(xù)）

該工況下，單獨(dú)開大任意運(yùn)行制粉系統(tǒng)二次風(fēng)擋板會(huì)增大燃燒區(qū)風(fēng)煤比，減弱主燃燒區(qū)的還原氛圍，會(huì)提高NOx生成量，但是影響幅度不大（影響幅度受燃盡風(fēng)和停運(yùn)二次風(fēng)開度占比影響），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化僅100 mg/m3左右。

實(shí)際運(yùn)行中可以根據(jù)燃燒情況調(diào)節(jié)運(yùn)行層二次風(fēng)，但配風(fēng)量過少時(shí)，會(huì)導(dǎo)致CO的含量極劇增加，此時(shí)煤炭的灰熔點(diǎn)將明顯降低，從而加大爐膛結(jié)焦的可能性，此時(shí)由于燭燃燒區(qū)域的供氧量少，會(huì)導(dǎo)致鍋爐效率下降，燃燒長度變長，容易導(dǎo)致爐膛正上方的屏超溫，目前#5爐屏過蒸汽溫度超溫頻繁，#5爐水冷壁區(qū)域結(jié)焦情況嚴(yán)重。

4.2 制粉系統(tǒng)晚啟早停且大煤量運(yùn)行

從調(diào)節(jié)主燃燒區(qū)域風(fēng)煤比的角度出發(fā)，以沁北電廠#5機(jī)組常見的減負(fù)荷工況為例：減負(fù)荷過程中，隨著制粉系統(tǒng)平均煤量不斷減少，NOx生成量逐漸增加，說明在不改變制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式、數(shù)量相同、配風(fēng)方式不變的情況下，燃燒層煤量越多，NOx生成量越少；3臺(tái)制粉系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，NOx生成量快速減少，這是由于制粉系統(tǒng)的運(yùn)行方式改變，同時(shí)制粉系統(tǒng)平均煤量變化；機(jī)組調(diào)峰期間，煤量減少，氧量增加，同時(shí)低負(fù)荷期間由于機(jī)組屏過蒸汽溫度偏差，關(guān)小鍋爐后墻停運(yùn)層二次風(fēng)以及A側(cè)燃盡風(fēng)擋板，NOx生成量反而快速增加。

關(guān)小燃盡風(fēng)及停運(yùn)的上層二次風(fēng)擋板，脫硝反應(yīng)器入口NOx增加明顯，原因是燃盡風(fēng)對(duì)于高溫?zé)煔鈦碚f是冷風(fēng)，大量投入燃盡風(fēng)可在爐膛沿高度方向大部分范圍內(nèi)降低爐膛溫度，溫度高于1 400℃的區(qū)域?yàn)闊崃π蚇Ox生成的主要區(qū)域，燃燼風(fēng)擋板開大可降低沿?zé)煔饬鲌龇较蛏系膮^(qū)域溫度，有利于減少熱力型NOx的生成量，但是爐膛的風(fēng)量是一定的，燃盡風(fēng)擋板開度開度過大，導(dǎo)致火焰下部燃燒不充分，溫度降低，鍋爐效率必然下降。

4.3 加強(qiáng)燃燒器的檢修維護(hù)工作

沁北電廠#5機(jī)組上層燃燒器磨損較為嚴(yán)重，上層燃燒器的位置較高，在新能源快速發(fā)展的今天，火力發(fā)電廠調(diào)峰頻繁，日平均負(fù)荷逐漸下降，因此上層制粉系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間越來越短，根據(jù)爐膛的正常溫度分布，上層燃燒器所處環(huán)境煙氣溫度遠(yuǎn)高于中下層，因此損壞的概率較大，建議在檢修期間針對(duì)性地修復(fù)燒損嚴(yán)重的燃燒器，增加停運(yùn)制粉系統(tǒng)的冷卻風(fēng)量，控制NOx質(zhì)量濃度。

4.4 加強(qiáng)對(duì)煤泥制粉系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

目前火電廠因?yàn)檫\(yùn)行成本問題導(dǎo)致煤泥摻燒比例增大，而煤泥中可燃物燃燒難度較大，因此在煤泥層燃燒器中大量投入二次風(fēng)，必然會(huì)導(dǎo)致該層風(fēng)煤比燃燒過大，導(dǎo)致NOx生成量增加，因此運(yùn)行中可增加煤泥制粉系統(tǒng)的二次隨煤量，但可比非煤泥制粉系統(tǒng)適當(dāng)少一些，以減少NOx生成。

4.5 加強(qiáng)脫硝反應(yīng)器的設(shè)備維護(hù)及檢修工作

在正常的鍋爐運(yùn)行工況中，催化劑的反應(yīng)效果受多方面因素影響。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)等調(diào)節(jié)各個(gè)分區(qū)的噴氨氣調(diào)門或者手門開度，保證反應(yīng)器上無大部分反應(yīng)死區(qū)，從而防止氨逃逸。

沁北電廠使用了最新的INFIT控制系統(tǒng)，保證環(huán)保參數(shù)不超標(biāo)，邏輯控制中存在一定過調(diào)情況，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化INFIT系統(tǒng)的相關(guān)邏輯，保證噴氨自動(dòng)控制，防止人為手動(dòng)大幅度調(diào)整。INFIT投入煙囪模式自動(dòng)控制情況下，煙囪入口NOx質(zhì)量濃度達(dá)到45 mg/m3以上時(shí)，調(diào)門會(huì)陡然開大，雖能保證環(huán)保指標(biāo)，但會(huì)導(dǎo)致噴氨量突增，為防止噴氨調(diào)門出現(xiàn)這樣的波動(dòng)，一般會(huì)人為將NOx設(shè)定值控制在43 mg/m3以下，這樣無形減弱了機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)潛力，應(yīng)將NOx質(zhì)量濃度達(dá)到45 mg/m3噴氨調(diào)門突開改為NOx質(zhì)量濃度達(dá)到55 mg/m3時(shí)噴氨調(diào)門突開，或者修改上述邏輯中調(diào)門開啟速率，防止噴氨量大幅度變化，減少過量氨氣噴入。

凈煙氣分析儀的價(jià)格昂貴，但隨著運(yùn)行時(shí)間增加，分析儀類似零飄等問題頻繁發(fā)生，系統(tǒng)測點(diǎn)失準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致脫銷系統(tǒng)過量噴氨，因此應(yīng)加強(qiáng)脫銷參數(shù)分析儀的維護(hù)保養(yǎng)工作，運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)脫銷氨逃逸量的監(jiān)視，同時(shí)對(duì)比兩側(cè)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度與煙囪入口NOx質(zhì)量濃度含量，發(fā)現(xiàn)脫銷系統(tǒng)參數(shù)異常及時(shí)處理，保證機(jī)組噴氨量正常。

5 結(jié)語

從運(yùn)行調(diào)整方面控制NOx生成量，加大設(shè)備維護(hù)力度保證脫硝系統(tǒng)可靠運(yùn)行同樣重要。NOx控制必須兼顧燃燒穩(wěn)定性，鍋爐穩(wěn)燃是機(jī)組運(yùn)行的基石，排除設(shè)備因素，大部分降低NOx的控制方式往往與加強(qiáng)穩(wěn)燃的控制方式存在矛盾點(diǎn)，運(yùn)行過程中應(yīng)加強(qiáng)分析總結(jié)，力爭找到最佳的平衡點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)雙贏。