鍋爐深度調(diào)峰運(yùn)行NOx排放偏高原因及應(yīng)對措施

邴長江，關(guān)風(fēng)一，王 博，徐紹宗，李 闖

(1.國家能源集團(tuán)康平發(fā)電有限公司，遼寧 沈陽 110500；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；3.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179)

“十二五”期間，我國把NOx排放指標(biāo)納入到《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》的約束性指標(biāo)中，并提出全國NOx排放總量削減10%的目標(biāo)。在此背景下，火電行業(yè)率先做出積極應(yīng)對措施，電廠于2012年對2號(hào)鍋爐加裝SCR脫硝裝置，并于2013年進(jìn)行了低氮燃燒器改造。

“十三五”期間，我國電力建設(shè)步伐不斷加快，國家重點(diǎn)加大了可再生能源的投資力度，水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，截至2020年底，全國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到20億kW，其中風(fēng)電2.81億kW，太陽能發(fā)電2.53億kW，但是在可再生能源快速發(fā)展的同時(shí)，部分地區(qū)棄風(fēng)、棄光、棄水問題仍然存在，“三北”地區(qū)風(fēng)電消納困難，局部地區(qū)電網(wǎng)調(diào)峰能力嚴(yán)重不足，尤其北方冬季采暖期調(diào)峰困難，進(jìn)一步加劇了可再生能源消納矛盾。機(jī)組深度調(diào)峰是近期火電行業(yè)的工作重點(diǎn)和創(chuàng)收盈利的主要途徑。

由于火電廠降低NOx排放的手段總體上分為爐內(nèi)脫硝和尾部煙道脫硝，兩者相互影響、相互制約。電廠2號(hào)鍋爐在電負(fù)荷65 MW下深調(diào)時(shí)，燃用高水分、低揮發(fā)分煤，SCR入口氮氧化物質(zhì)量濃度超過600 mg/Nm3，超出SCR反應(yīng)器脫硝能力，氮氧化物排放值超標(biāo)。同時(shí)，低負(fù)荷時(shí)脫硝入口煙溫在280 ℃左右，嚴(yán)重影響氨的催化還原反應(yīng)，迫使投入大量氨導(dǎo)致氨逃逸增加。

在此背景下，為了提高深調(diào)收益，降低氨耗率，降低機(jī)組環(huán)保方面的壓力，并完善優(yōu)化深調(diào)負(fù)荷鍋爐整體運(yùn)行方式，以該電廠2臺(tái)鍋爐為研究對象，進(jìn)行了一系列的調(diào)整試驗(yàn)。

1 設(shè)備概況

該電廠2號(hào)鍋爐為三井巴布科克能源有限責(zé)任公司制造的蒸發(fā)量為1162.82 t/h、亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)自然循環(huán)汽包鍋爐。

鍋爐設(shè)計(jì)燃用內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾混煤，制粉系統(tǒng)采用中速磨正壓直吹式，鍋爐配有4臺(tái)MPS-89G型磨煤機(jī)，額定負(fù)荷時(shí)3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，1臺(tái)備用。每臺(tái)磨煤機(jī)帶6個(gè)低NOx軸向旋流式燃燒器，24只燃燒器分2層前后墻對沖布置，在上層燃燒器上部設(shè)有12個(gè)燃盡風(fēng)噴口(前后墻各6個(gè))，同層6只燃燒器共用1個(gè)風(fēng)箱，風(fēng)箱兩側(cè)設(shè)有風(fēng)量調(diào)節(jié)擋板。其目的是形成煤粉分級(jí)燃燒降低NOx的生成量。鍋爐配有2臺(tái)引風(fēng)機(jī)、2臺(tái)送風(fēng)機(jī)和2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)，各風(fēng)機(jī)配備變頻電機(jī)。

鍋爐設(shè)計(jì)為倒U型布置，在爐膛上部，沿?zé)煔饬鞒桃来尾贾闷潦竭^熱器、末級(jí)過熱器、再熱器垂直管排(再熱器熱段)、一級(jí)過熱器、再熱器水平管排(再熱器冷段)、省煤器、SCR脫硝反應(yīng)器。在鍋爐出口布置2臺(tái)三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，首先加熱二次風(fēng)，而后加熱一次風(fēng)。煙氣依次流經(jīng)上述設(shè)備，在5電場的靜電除塵器中經(jīng)過除塵凈化后排入脫硫塔，脫硫后排入煙囪。

主蒸汽溫度采用二級(jí)噴水減溫控制，再熱蒸汽溫度控制是通過引自引風(fēng)機(jī)出口到冷灰斗的再循環(huán)煙氣來實(shí)現(xiàn)。再循環(huán)煙氣的引入減少了爐膛內(nèi)部輻射熱的吸熱量，增大對流受熱面的吸熱量。設(shè)計(jì)滿負(fù)荷時(shí)，再循環(huán)煙氣量最小，低負(fù)荷時(shí)，采用調(diào)整煙氣再循環(huán)擋板，增加再循環(huán)煙氣量，以保證再熱蒸汽溫度。此外，再熱器入口還布置有再熱器事故噴水系統(tǒng)，以防止再熱器超溫。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)和鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)參數(shù)見表1和表2。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)參數(shù)

2 存在問題分析

a.2號(hào)鍋爐在深調(diào)負(fù)荷時(shí)，SCR入口NOx質(zhì)量濃度較高。NOx生成濃度高，首先需要了解NOx的生成機(jī)理，對于煤粉鍋爐而言，煤粉噴入爐膛后，在水冷壁的輻射和熱煙氣的對流加熱下，以高加熱速率進(jìn)行煤中揮發(fā)分的析出、燃燒和焦炭的燃燒等[1-2]。煤粉燃耗產(chǎn)生的NOx中95%的部分是NO。根據(jù)燃燒過程的特點(diǎn)和NO的生成途徑的差異，將NO分為瞬時(shí)型、熱力型、燃料型3種。瞬時(shí)型NO是空氣中的N與燃燒產(chǎn)物CH基團(tuán)在火焰鋒面內(nèi)的高溫下反應(yīng)產(chǎn)生CN、HCN等中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物與O2反應(yīng)生成NO。由于瞬時(shí)型的NO是在燃燒的火焰鋒面內(nèi)部生成的，這個(gè)火焰鋒面非常薄，則這種NO的生成時(shí)間極短，生成量也是非常少的，通常認(rèn)為占總煤粉燃燒NO的生成量的5%以下。熱力型NO是由于高溫下，空氣中的N2與O2、氧原子、OH基團(tuán)等反應(yīng)生成。在溫度低于1500 ℃時(shí)，熱力型NO的產(chǎn)生量很小，鍋爐在深調(diào)負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，鍋爐截面熱負(fù)荷較低，爐膛溫度未達(dá)到1500 ℃，該型NO對總生成量影響較小。燃料型NO主要由煤中的N元素在燃燒過程中直接或間接氧化形成。

b.燃用相同煤質(zhì)、相同鍋爐負(fù)荷，2號(hào)鍋爐NOx質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于1號(hào)鍋爐?？刂?臺(tái)鍋爐燃用相同煤質(zhì)、帶相同鍋爐負(fù)荷，比較2臺(tái)鍋爐運(yùn)行參數(shù)上的差異。發(fā)現(xiàn)2號(hào)鍋爐的運(yùn)行氧量高于1號(hào)鍋爐1%～1.5%，同時(shí)，2號(hào)爐NOx生成量高于1號(hào)爐100～150 mg/Nm3。說明2臺(tái)爐NOx的差別主要是由運(yùn)行氧量差別引起的。

3 配風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)

a.開啟煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)是從引風(fēng)機(jī)入口抽取煙氣由爐底供入爐膛。通常情況下煙氣溫度為120～130 ℃，與高溫?zé)煔饣旌峡捎行Ы档蜖t膛溫度水平，同時(shí)煙氣中含氧量較低，可降低爐膛氧量水平，二者疊加的作用可有效抑制NOx的生成。隨著煙氣再循環(huán)的開啟，煙氣量也隨之增加，脫硝前受熱面的煙溫降減小，會(huì)增大脫硝入口煙氣溫度，有利于SCR的反應(yīng)效率。

b.降低一次風(fēng)量

煤粉著火三要素包括煤粉濃度、氧量、爐膛溫度。由于之前電廠發(fā)生的燒毀燃燒器事故，特將單臺(tái)磨煤機(jī)的一次風(fēng)最低風(fēng)量限定在25 kg/s，主要考慮風(fēng)量過小會(huì)燒毀燃燒器。一次風(fēng)量過高直接會(huì)影響到煤粉濃度和降低爐膛溫度，同時(shí)氧量充足，綜合比較更傾向于不穩(wěn)定著火。為此，在保證制粉系統(tǒng)干燥出力和不堵管的前提下，降低一次風(fēng)率更有利于穩(wěn)燃。

c.降低二次風(fēng)量

降低二次風(fēng)量主要是通過調(diào)小或關(guān)閉二次風(fēng)擋板門和后風(fēng)后擋板開度來降低風(fēng)量。在深調(diào)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為了保證火檢穩(wěn)定，通常后風(fēng)口處于關(guān)閉狀態(tài)，調(diào)整手段只有調(diào)小二次風(fēng)擋板門開度[3-5]。

4 調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

4.1 煙氣再循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

電廠煙氣再循環(huán)系統(tǒng)主要目的是通過增加對流煙氣流量來調(diào)整低負(fù)荷再熱蒸汽溫度。通常氮氧化物濃度偏高處在低負(fù)荷段，即電負(fù)荷55 MW，主蒸汽流量240 t/h負(fù)荷段，脫硝入口煙溫也處于一個(gè)較低的水平，在平常運(yùn)行上煙氣再循環(huán)擋板開度控制在30%，工況1是煙氣再循環(huán)擋板開度為30%，工況2在工況1的基礎(chǔ)上將煙氣再循環(huán)擋板開度調(diào)至50%。

工況調(diào)整前后鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)見表3，保持總煤量和總風(fēng)量不變。調(diào)整前，A側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度為739.1 mg/Nm3，B側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度為720.1 mg/Nm3，兩側(cè)平均值為729.6 mg/Nm3，A側(cè)脫硝入口煙溫平均值為292.6 ℃，B側(cè)脫硝入口煙溫平均值為292.1 ℃。調(diào)整后，A側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度為720.1 mg/Nm3，B側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度為661.1 mg/Nm3，兩側(cè)平均值為690.6 mg/Nm3，A側(cè)脫硝入口煙溫平均值為294.3 ℃，B側(cè)脫硝入口煙溫平均值為293.8 ℃。再循環(huán)煙氣擋板開至50%后，NOx質(zhì)量濃度降低39 mg/Nm3，脫硝入口煙氣溫度提高約2 ℃。以上數(shù)據(jù)證明，開啟煙氣再循環(huán)對降低NOx排放有效。

表3 煙氣再循環(huán)開啟前后鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)

4.2 降低一次風(fēng)量試驗(yàn)結(jié)果

電廠考慮風(fēng)量過小會(huì)燒毀燃燒器，將單臺(tái)磨煤機(jī)一次風(fēng)量限值為25 kg/s。前文已經(jīng)闡述了降低一次風(fēng)量的作用，將A磨煤機(jī)一次風(fēng)量限值改為23 kg/s，B磨煤機(jī)一次風(fēng)量限值改為21 kg/s。

將A磨一次風(fēng)量加偏置由25 kg/s降至23 kg/s，B磨一次風(fēng)量加偏置由23 kg/s降至21 kg/s。由于實(shí)際運(yùn)行中煤質(zhì)發(fā)熱量實(shí)時(shí)變化，煤量也隨著變化，熱工控制邏輯未及時(shí)響應(yīng)導(dǎo)致一次風(fēng)量未能降至實(shí)際的偏置值。最終A磨一次風(fēng)量由25.05 kg/s降至23.95 kg/s,B磨一次風(fēng)量由23.02 kg/s降至22.43 kg/s。

工況調(diào)整前后鍋爐運(yùn)行參數(shù)見表4。調(diào)整前，A側(cè)脫銷入口NOx質(zhì)量濃度為739.1 mg/Nm3，B側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度為720.1 mg/Nm3，兩側(cè)平均值為729.6 mg/Nm3。調(diào)整后，A側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度為730.5 mg/Nm3，B側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度為709.9 mg/Nm3，兩側(cè)平均值為720.2 mg/Nm3。降低一次風(fēng)量后，NOx質(zhì)量濃度降低9.4 mg/Nm3。雖然該項(xiàng)調(diào)整對氮氧化物濃度降低少，可以說明原理上是正確的，只是受煤質(zhì)波動(dòng)因素影響較大。

表4 降低一次風(fēng)量前后鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)

4.3 降低二次風(fēng)量試驗(yàn)結(jié)果

調(diào)整前工況是將煙氣再循環(huán)擋板開度調(diào)至50%，A磨一次風(fēng)量調(diào)至25 kg/s，B磨一次風(fēng)量調(diào)至24 kg/s，穩(wěn)定運(yùn)行2 h觀察其氮氧化物生成情況。調(diào)整后工況是在原工況的基礎(chǔ)上改變二次風(fēng)門的開度，A層風(fēng)箱入口擋板門由原始開度30.26%調(diào)至26.66%，其他運(yùn)行參數(shù)保持不變運(yùn)行。調(diào)整前后鍋爐運(yùn)行參數(shù)見表5。

由表5可見，調(diào)整前A側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度為735.1 mg/Nm3，B側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度為661.1 mg/Nm3，兩側(cè)平均值為689.1 mg/Nm3。調(diào)整后，A側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度為660.7 mg/Nm3，B側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度為620.5 mg/Nm3，兩側(cè)平均值為640.6 mg/Nm3。通過降低二次風(fēng)量，NOx質(zhì)量濃度降低48.5 mg/Nm3。

表5 降低二次風(fēng)量前后鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)

4.4 2臺(tái)鍋爐運(yùn)行工況對比試驗(yàn)結(jié)果

通過對2號(hào)鍋爐進(jìn)行針對性調(diào)整，發(fā)現(xiàn)每項(xiàng)手段對抑制氮氧化物的生成均有不同程度的效果。人為將2臺(tái)爐的煤質(zhì)、一次風(fēng)量、二次風(fēng)箱入口擋板門開度、鍋爐負(fù)荷、機(jī)組控制方式均調(diào)整一致，比較2臺(tái)爐氮氧化物生成濃度的偏差。2臺(tái)鍋爐運(yùn)行工況對比試驗(yàn)期間的運(yùn)行參數(shù)見表6。對比發(fā)現(xiàn)1號(hào)鍋爐的總風(fēng)率為39.14%，而2號(hào)鍋爐的總風(fēng)率為41.28%，2號(hào)爐氮氧化物濃度高于1號(hào)爐100 mg/Nm3以上，判斷其根本原因就是總風(fēng)率的偏差導(dǎo)致的。將2號(hào)爐的A、B二次風(fēng)箱擋板門開度由20%調(diào)整至15%，煙氣再循環(huán)擋板門開度調(diào)至40%，2號(hào)爐的總風(fēng)率下降至38.25%左右，氮氧化物生成量有大幅降低，最終A側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度降至353.6 mg/Nm3，B側(cè)脫硝入口NOx質(zhì)量濃度降至461.5 mg/Nm3，兩側(cè)平均值為407.6 mg/Nm3，比1號(hào)爐低137.7 mg/Nm3。通過對比試驗(yàn)得出，運(yùn)行氧量是氮氧化物生成偏高的主要原因，采用合理的方式降低運(yùn)行氧量對于降低氮氧化物是有效的。

表6 2臺(tái)鍋爐運(yùn)行工況對比試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)

5 結(jié)論

a.通過開啟煙氣再循環(huán)、降低一次風(fēng)量、降低二次風(fēng)量可有效降低氮氧化物生成量。鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)盡量降低運(yùn)行氧量，可減低氮氧化物生成以及脫硝系統(tǒng)運(yùn)行成本。

b.同等爐型在燃用相同煤質(zhì)時(shí)，其氮氧化物的生成量亦有不同，受就地氧量表和一、二次風(fēng)調(diào)節(jié)門特性的影響，應(yīng)該區(qū)別對待。

c.隨著鍋爐深度調(diào)峰負(fù)荷的降低，脫硝入口煙氣溫度也隨之降低，可進(jìn)行煙氣旁路和復(fù)合熱水再循環(huán)等改造來提高煙氣溫度。