探究通過燃燒調(diào)整降低NOx及飛灰含碳量的方法

袁堯

（福能（貴州）發(fā)電有限公司 貴州六盤水 553400）

1 概述

福能（貴州）發(fā)電有限公司為2×660 MW 超臨界汽輪發(fā)電機組，鍋爐為超臨界參數(shù)、“W”型火焰燃燒、變壓運行直流鍋爐［1］。制粉系統(tǒng)采用雙進雙出鋼球磨煤機正壓冷一次風(fēng)直吹式制粉系統(tǒng)。煤粉細度按R90=8%、均勻性指數(shù)n＝1.0 設(shè)計［2］。

鍋爐為“W”型火焰燃燒方式，采用分級送風(fēng)的二次風(fēng)箱，風(fēng)箱劃分為24 個獨立的配風(fēng)單元，每個配風(fēng)單元由上部風(fēng)箱和下部風(fēng)箱兩部分組成。上部風(fēng)箱負責(zé)拱上配風(fēng)，由A、B、C 擋板控制；下部風(fēng)箱負責(zé)拱下配風(fēng)，分為兩層，由D、F 擋板控制。為實現(xiàn)鍋爐的低NOx 排放，前、后墻水冷壁還布置有26 個燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器，前、后墻各13 個［3］。

由于煤炭市場變化，入爐煤煤質(zhì)發(fā)生較大變化，原性能優(yōu)化調(diào)整方案已不能滿足當(dāng)前煤質(zhì)的要求。為此，通過對#2 鍋爐進行性能優(yōu)化調(diào)整試驗，掌握“W”型鍋爐的運行特性，為進一步提高鍋爐運行的安全性及經(jīng)濟性，以及為#1、#2 鍋爐的日常運行操作調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

2 現(xiàn)狀

現(xiàn)煤質(zhì)情況較原性能優(yōu)化實驗使用煤質(zhì)發(fā)生較大變化，主要原因為減少入爐煤煙煤摻配。干燥無灰基揮發(fā)分由17.18%下降至11.53%；收到基灰分基本持平，為39.26%；低位發(fā)熱量基本持平，為16 705 kJ/kg。

在機組600 MW 負荷試驗工況下：總煤量295 t/h＞278 t/h（設(shè)計值）；運行氧量（省煤器出口）3.0%＜3.5%（設(shè)計值）；飛灰含碳量5.38%＞3.50%（設(shè)計值）；NOx 生成濃度922 mg/Nm3＞650 mg/Nm3（設(shè)計值）；NOx 排放濃度175 mg/Nm3；煤粉細度（R90）7.8%＜8.0%。煤粉細度雖滿足設(shè)計要求，但參考《電站磨煤機及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則》［2］，煤粉細度R90 應(yīng)小于0.5 倍揮發(fā)分，按當(dāng)前煤質(zhì)需滿足R90≤5.85%，煤粉細度不滿足要求。

3 問題提出及分析

（1）飛灰含碳量高，機械不完全燃燒熱損失達3.87%，超設(shè)計值1.37 個百分點。主要原因為：①煤粉細度不滿足要求，燃盡困難；②煤粉下沖深度不足，未進入下爐膛，火焰中心上移，燃燒行程短；③煤粉著火困難，煤粉燃燒過程推遲。

（2）NOx 生成濃度高，超出SCR 設(shè)計脫除量，限制機組帶負荷能力，同時伴隨氨逃逸高，影響空預(yù)器運行安全。主要原因為：①拱下衛(wèi)燃帶區(qū)域富氧燃燒；②燃燒過程推遲或火焰中心上移，燃盡區(qū)溫度高，未達到燃燒后期補充氧量降低NOx 生成量的目的。

4 燃燒影響因素及調(diào)整優(yōu)化

4.1 煤粉細度

改善煤粉細度，著重調(diào)整磨煤機鋼球裝載量及鋼球級配。煤粉細度R200=0.19%，超出設(shè)計要求R200＜0.10%，判斷為磨煤機破碎出力不足。嘗試添加Ф70 mm 中鉻鋼球，提高磨煤機破碎出力；同時增加部分Ф30 mm 中鉻鋼球，增加研磨出力。#2 鍋爐本輪優(yōu)化增加鋼球裝載量55 t，其中Ф70 mm 鋼球17 t，Ф50 mm 鋼球17 t，Ф30 mm 鋼球21 t（根據(jù)B 修鋼球篩選結(jié)果，Ф40 mm 鋼球比例達50%，本輪未添加）。

在優(yōu)化磨煤機鋼球裝載量的同時，試驗?zāi)ッ簷C料位對煤粉細度的影響。在C、D 磨煤機出力保持50 t/h～55 t/h、控制料位分別為400 Pa、600 Pa、800 Pa 時，煤粉細度（R90）分別為6.70%、4.70%、6.95%。運行中保持磨煤機料位600 Pa，煤粉細度為佳。

對D 磨煤機分離器一、二級折向擋板進行試驗，設(shè)計9 種擋板開度組合（一級-二級開度）：（60°-30°、60°-20°、60°-10°、45°-30°、45°-20°、45°-10°、30°-30°、30°-20°、30°-10°）。試驗結(jié)果顯示，隨著分離器一、二級擋板開度的減小，煤粉細度R90、R200 均先減小后增加，最優(yōu)組合為一級折向擋板45°、二級折向擋板20°。分析原因為隨折向擋板開度減小，折向擋板前后差壓上升，部分煤粉氣流在折向擋板后邊緣脫落，不能有效增加周向速度，分離性能下降。

通過制粉系統(tǒng)優(yōu)化，煤粉細度得到改善，煤粉細度滿足R200＜0.10%、R90＜6.00%、均勻性指數(shù)≥1.1；同時磨煤機相同出力（50 t/h～55 t/h）情況下，一次風(fēng)粉管風(fēng)速下降，由改善前27 m/s，下降至23 m/s，煤粉濃度上升，利于煤粉爐內(nèi)著火。

4.2 過量空氣系數(shù)

過量空氣系數(shù)增加，飛灰含碳量下降，排煙損失增加，NOx生成濃度增加。為體現(xiàn)經(jīng)濟性，飛灰含碳量折算為機械不完全熱損失，以兩項總損失作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)。

在負荷600 MW、省煤器出口氧量分別為3.36%、2.80%、2.62%時，兩項總損失分別為：8.88%、10.09%、10.24%。試驗表明，隨過量空氣系數(shù)上升，兩項總損失下降。但隨過量空氣系數(shù)上升，NOx 生成濃度上升明顯，超出SCR 設(shè)計上限800 mg/Nm3，氨氮摩爾比達1.04，大于設(shè)計值0.866，氨逃逸超標(biāo)，存在堵塞空預(yù)器風(fēng)險。通過提高過量空氣降低飛灰含碳量的前提，必須控制NOx 生成濃度。運行中NOx 生成濃度未超標(biāo)（NOx 生成濃度＜750 mg/Nm3），按省煤器出口氧量3.5%～4.0%進行控制。

4.3 一次風(fēng)旋流強度

降低一次風(fēng)旋流強度，增加一次風(fēng)剛性，增加煤粉進入下爐膛深度，火焰中心下降，燃燒行程增加，對減低飛灰含碳及NOx 生成濃度均有利，但可能影響一次風(fēng)卷吸高溫?zé)煔饽芰?，不利于煤粉著火。試驗變量為消旋桿插入深度，全部提起為0，全部插入為100%。

在負荷600 MW、插入深度分別為100%、80%、60%、40%時，飛灰含碳量分別為4.10%、4.50%、4.70%、5.20%，NOx 生成濃度分別為725 mg/Nm3、776 mg/Nm3、845 mg/Nm3、881 mg/Nm3。

試驗表明，隨一次風(fēng)剛性增強，火焰中心下移，燃燒行程增加，利于降低飛灰含碳量及NOx 生成濃度，消旋桿全部插入為宜。

4.4 乏氣風(fēng)開度

根據(jù)理論分析，乏氣風(fēng)開大，煤粉濃度增加，著火提前，利于降低飛灰含碳損失及NOx 生成濃度；但煤粉剛性減弱，燃燒行程縮短。

在負荷600 MW、乏氣風(fēng)擋板開度分別為0、20%、35%、50%時，飛灰含碳量分別為3.88%、4.29%、4.38%、4.45%，NOx 生成濃度分別為752 mg/Nm3、832 mg/Nm3、850 mg/Nm3、914 mg/Nm3。

試驗數(shù)據(jù)表明，乏氣風(fēng)開度增加，飛灰含碳量及NOx 生成濃度均上升。分析主要原因為：隨主燃燒器煤粉濃度增加，但乏氣風(fēng)與主燃燒器距離過近，分離后再次混合，不能達到增加煤粉濃度的目的，造成一次風(fēng)剛性明顯下降。運行中，保持乏氣風(fēng)全關(guān)為宜。

4.5 D 擋板開度

D 擋板風(fēng)量較小，與拱部離開適當(dāng)距離布置，避免二次風(fēng)與煤粉氣流過早混和。D 擋板風(fēng)量增加，燃燒初期氧量增加，燃燒處于氧化性環(huán)境，NOx 生成濃度增加，飛灰含碳量降低。

在負荷600 MW、D 擋板開度分別為10%、20%、40%、60%時，飛灰含碳量分別為4.30%、4.40%、4.60%、4.60%，NOx 生成濃度分別為776 mg/Nm3、811 mg/Nm3、890 mg/Nm3、945 mg/Nm3。

試驗數(shù)據(jù)表明，D 擋板開度增加，NOx 生成濃度快速增加，飛灰含碳量小幅上升。分析飛灰含碳量上升的主要原因為：在消旋桿全部插入下情況下，一次風(fēng)剛性增加，使得一次風(fēng)與D風(fēng)靠近，D 風(fēng)開大影響一次風(fēng)下沖深度，有抬升火焰中心的作用，燃燒行程縮短。而NOx 快速上升的原因為：一次風(fēng)下行深度增加，D 風(fēng)混入過早，未形成分級燃燒，同時抬升火焰中心，燃盡區(qū)溫度升高。運行中保留最小冷卻風(fēng)量10%為宜。

4.6 C 擋板開度

C 風(fēng)作為油槍助燃風(fēng)，考慮C 風(fēng)與一次風(fēng)平行。增加C風(fēng)，利于提高一次風(fēng)剛性，降低火焰中心，但燃燒初期氧量增加，NOx 生成濃度增加。

在負荷550 MW、C 風(fēng)擋板開度分別為10%、20%、30%、40%、50%，調(diào)節(jié)F 風(fēng)，維持二次風(fēng)箱壓力穩(wěn)定時，飛灰含碳量分別為3.28%、4.43%、5.13%、5.30%、4.30%，NOx 生成濃度分別為781 mg/Nm3、811 mg/Nm3、832 mg/Nm3、856 mg/Nm3、848 mg/Nm3。

試驗數(shù)據(jù)表明，C 風(fēng)增加，NOx 生成濃度增加，但飛灰量先增加后略降。分析原因為，增加C 風(fēng)的同時，為維持二次風(fēng)箱差壓，減少F 風(fēng)量，F(xiàn) 風(fēng)風(fēng)口裝設(shè)下傾30°導(dǎo)流板，引導(dǎo)一次風(fēng)下沖，F(xiàn) 風(fēng)量減少，向下引流效果下降。而C 風(fēng)風(fēng)速小于一次風(fēng)風(fēng)速，不能增加一次風(fēng)剛性，造成火焰中心上移，C 風(fēng)開度大于50%后，C 風(fēng)風(fēng)速增加，增加一次風(fēng)剛性。運行中保留最小冷卻風(fēng)量10%為宜。

4.7 燃盡風(fēng)占比

通過調(diào)整燃盡風(fēng)門開度，調(diào)整拱上拱下風(fēng)占比，從而達到分級燃燒的目的。但F 風(fēng)減少，拱下缺氧燃燒，煤粉燃盡困難，同時向下引流作用減弱，燃燒行程縮短，進一步引起飛灰含碳量增加。

在負荷500 MW、燃盡風(fēng)占比分別為5%、10%、15%、20%時，飛灰含碳量分別為3.53%、3.82%、4.40%、4.70%，NOx 生成濃度分別為889 mg/Nm3、811 mg/Nm3、765 mg/Nm3、713 mg/Nm3。

試驗數(shù)據(jù)表明，燃盡風(fēng)占比上升，NOx 生成濃度下降，飛灰含碳量上升，與理論分析一致。運行中，在滿足脫硝系統(tǒng)運行的情況下（NOx 生成濃度＜750 mg/Nm3），減少燃盡風(fēng)占比，降低飛灰含碳量。但燃盡風(fēng)占比不高于20%，避免拱下嚴(yán)重缺氧，引起爐膛嚴(yán)重結(jié)焦，影響機組安全運行。

5 結(jié)論

本次燃燒優(yōu)化調(diào)整，主要解決高負荷飛灰含碳量及NOx生成濃度均高的問題。通過相關(guān)實驗，總結(jié)出一系列燃燒調(diào)整經(jīng)驗：經(jīng)燃燒調(diào)整優(yōu)化后，機組600 MW 工況下，飛灰含碳量由5.38%下降至3.40%；機械不完全損失由3.82%下降至2.73%；NOx 生成濃度由922 mg/Nm3下降至721 mg/Nm3。折算降低發(fā)電煤耗3.2g/kWh，按全年發(fā)電量66 億kWh 計算，全年可節(jié)約燃煤消耗2.1 萬t 標(biāo)煤，減少尿素消耗1 415 t/a。