火電廠鍋爐低氮燃燒改造與運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整探究

張強(qiáng)，何陸燦，方亞雄

（國(guó)能南京電力試驗(yàn)研究有限公司，江蘇 南京 210000）

雖然我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平和科學(xué)技術(shù)水平在不斷提高，但我國(guó)電力生產(chǎn)仍然是以鍋爐設(shè)備燃燒煤炭為主要電力供應(yīng)形式，從而造成了我國(guó)生態(tài)環(huán)境的污染情況加重。傳統(tǒng)火電廠在電力生產(chǎn)時(shí)，由于對(duì)產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)效益的過(guò)度重視，而忽視了生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，將粉塵、氮氧化合物、一氧化碳等危害社會(huì)環(huán)境和生態(tài)安全的物質(zhì)和氣體排放至大氣中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染?，F(xiàn)階段，國(guó)家環(huán)保政策的提出和人們環(huán)保意識(shí)的提高，要求傳統(tǒng)火電廠對(duì)煤炭燃燒進(jìn)行改造與優(yōu)化，采用低氮燃燒技術(shù)，嚴(yán)格控制危害物質(zhì)和氣體的排放量，減少煤炭燃燒對(duì)環(huán)境的污染，為建造綠色、健康、環(huán)保的國(guó)家，做出一份貢獻(xiàn)。

1 火電廠鍋爐燃燒時(shí)產(chǎn)生的氮氧化物種類(lèi)及其危害性

1.1 一氧化二氮

一氧化二氮無(wú)色有甜味，具有嚴(yán)重毒性，如不慎吸入，從呼吸道進(jìn)入血液中會(huì)導(dǎo)致人體缺氧，嚴(yán)重的會(huì)引起窒息，對(duì)人們的生命安全具有威脅。若長(zhǎng)期待在含有一氧化二氮的環(huán)境中生活或工作，人們可能會(huì)出現(xiàn)高血壓、暈眩、貧血等癥狀，間接誘發(fā)心臟病，導(dǎo)致人死亡。

1.2 一氧化氮

一氧化氮無(wú)色無(wú)味，具有一定毒性，輕則引起咽喉不適、干咳等癥狀，重則導(dǎo)致呼吸道慢性疾病的發(fā)生。若長(zhǎng)期處于一氧化氮環(huán)境中，會(huì)造成呼吸困難、肺水腫、氣胸等疾病，嚴(yán)重的甚至?xí)绊懮窠?jīng)系統(tǒng)，造成神經(jīng)系統(tǒng)損傷。

1.3 二氧化氮

二氧化氮顏色為紅棕色，有刺激性氣味并帶有一定毒性，靠近易燃物會(huì)出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，較容易出現(xiàn)火災(zāi)情況。二氧化氮與水會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，是酸雨形成的主要原因之一，酸雨對(duì)樹(shù)木、花草、房屋建筑等都會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞。二氧化氮對(duì)水資源的污染也不可忽視，被二氧化氮污染后的水，如果人們飲用或食用后，會(huì)導(dǎo)致食物中毒，輕則使人出現(xiàn)缺氧，重則因其窒息，危害生命安全。

2 低氮燃燒技術(shù)概述

現(xiàn)階段，我國(guó)火電廠降低污染排放量的主要方式就是降低氮氧化合物的生成。低氮燃燒技術(shù)的主要原理是將低氮燃燒技術(shù)與煙氣脫硝技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用低氮燃燒技術(shù)脫氮，是由低氧燃燒、空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)等環(huán)節(jié)構(gòu)成，根據(jù)鍋爐的形狀不同進(jìn)行燃燒器的位置擺放，在鍋爐內(nèi)部形成氧化還原、主還原和燃盡區(qū)3個(gè)部分，讓有機(jī)燃料與配風(fēng)在鍋爐內(nèi)部分區(qū)、分級(jí)、低溫、低氧燃燒，進(jìn)而減少因鍋爐燃燒產(chǎn)生的氮氧化合物排放量，實(shí)現(xiàn)低氮燃燒，順應(yīng)社會(huì)綠色、環(huán)保的發(fā)展理念，推動(dòng)傳統(tǒng)火電廠鍋爐燃燒方式的改造。

3 氮氧化合物治理現(xiàn)狀

氮氧化合物分為燃料型氮氧化合物、熱力型氮氧化合物和快速型氮氧化合物3種，其中，燃料型氮氧化合物是我國(guó)火電廠鍋爐燃燒所產(chǎn)生的重要氮氧化合物類(lèi)型，低氮燃燒技術(shù)也是對(duì)其進(jìn)行控制和改造。降低氮氧化合物的排放量可以從燃燒前、燃燒中和燃燒后3個(gè)階段進(jìn)行嚴(yán)格控制與技術(shù)處理。

4 火電廠鍋爐低氮燃燒改造原則

4.1 掌握現(xiàn)存問(wèn)題

根據(jù)目前火電廠鍋爐燃料燃燒出現(xiàn)的問(wèn)題和情況，包含環(huán)境污染問(wèn)題、設(shè)備問(wèn)題、系統(tǒng)問(wèn)題、結(jié)構(gòu)問(wèn)題等相關(guān)方面，進(jìn)行實(shí)地考察與詳細(xì)了解，只有針對(duì)其現(xiàn)存問(wèn)題，才能夠制定符合現(xiàn)階段火電廠發(fā)展?fàn)顩r的方案，并按照方案進(jìn)行針對(duì)性的改造。

4.2 制定具體改造方案

改造方案的制定通常需要制造廠家通過(guò)對(duì)火電廠鍋爐的具體參數(shù)、運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)等各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和整理，并進(jìn)行分析與研究，從各個(gè)方位進(jìn)行考量，并要具有整體意識(shí)，確保改造方案的科學(xué)性與合理性。例如，在對(duì)管材進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，如出現(xiàn)管材損壞嚴(yán)重需要進(jìn)行升級(jí)或更換時(shí)，常常不改變其受熱面規(guī)格，但如果因涉及方案出現(xiàn)問(wèn)題，需要對(duì)管材進(jìn)行改造時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意其受熱面管材放置、管材規(guī)格、重量改變等方面，還要提前預(yù)測(cè)其對(duì)火電廠鍋爐產(chǎn)生的影響。改造方案也應(yīng)當(dāng)提前進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行嚴(yán)格比對(duì)和檢查，避免因天氣因素、環(huán)境因素等意外情況的發(fā)生，影響其改造質(zhì)量。

5 火電廠鍋爐低氮燃燒改造方案

5.1 合理選擇燃燒器

根據(jù)鍋爐實(shí)際情況和低氮燃燒的要求，將鍋爐改造方案進(jìn)行科學(xué)化制定，再根據(jù)其詳細(xì)的改造方案進(jìn)行燃燒器的合理化選擇。

目前，我國(guó)常用的鍋爐燃燒器為濃淡燃燒器，其包含水平型和垂直型兩種類(lèi)型。在對(duì)火電廠鍋爐低氮燃燒進(jìn)行改造時(shí)，在選擇燃燒器時(shí)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注其對(duì)煤粉的濃淡劃分效果，控制其劃分比例，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格掌握，避免鍋爐內(nèi)部低氮燃燒不夠徹底，影響整體的氮氧化合物控制效果。

5.2 改造主燃燒器

在對(duì)火電廠鍋爐低氮燃燒改造時(shí)，改造主燃燒器應(yīng)當(dāng)確定其高度的標(biāo)準(zhǔn)，并將其四角風(fēng)向風(fēng)道和擋板風(fēng)箱的位置進(jìn)行固定，更換所有彎頭、噴口等部件，確保各個(gè)部件都可以達(dá)到其規(guī)定的使用標(biāo)準(zhǔn)；將處于最下層的一次風(fēng)改造為插入式等離子燃燒器，其余一次風(fēng)燃燒器改造為垂直型濃淡燃燒器或水平型濃淡燃燒器，具體燃燒器的選擇也要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇；對(duì)以往改造方案進(jìn)行借鑒，如當(dāng)前鋼板高耐熱性較高，則可以封閉其四層中間的二次風(fēng)噴口，并更換其余二次風(fēng)噴口，將其射流方向進(jìn)行更改，把控其噴口角度，保證其前期缺氧燃料與后期供給氧之間的完美融合；保證水冷壁表面上含有充足的氧氣，避免出現(xiàn)鍋爐內(nèi)部溫度較高導(dǎo)致腐蝕情況的發(fā)生。

5.3 改造OFA噴口

在復(fù)雜的燃燒系統(tǒng)中，由于OFA噴口結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，所以，OFA噴口是較為廣泛應(yīng)用的一種噴口。在進(jìn)行火電廠鍋爐低氮燃燒改造時(shí)，也要對(duì)OFA噴口進(jìn)行適當(dāng)改造。位于主燃燒器上層的OFA噴口，與反切作用相結(jié)合，以科學(xué)控制鍋爐內(nèi)部的氣流的方式，降低出煙口溫度的偏差。如出現(xiàn)原本OFA噴口的風(fēng)速、風(fēng)量和尺寸等相關(guān)因素與實(shí)際改造方案不吻合，可以用耐熱板將其原本OFA噴口進(jìn)行密封或是將原本OFA噴口以符合改造方案的方式進(jìn)行重新改造。

6 火電廠鍋爐低氮燃燒優(yōu)化原理與要求

火電廠鍋爐低氮燃燒的優(yōu)化與調(diào)整，應(yīng)當(dāng)保障鍋爐在安全運(yùn)行的前提下，進(jìn)行優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)，對(duì)鍋爐運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性和科學(xué)性進(jìn)行保證。例如，在對(duì)一次風(fēng)、二次風(fēng)、外圍風(fēng)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況調(diào)整二次風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，確保鍋爐內(nèi)部的低氧燃燒。從理論上講，燃盡風(fēng)力越大，氧含量相對(duì)越少，氮氧化合物產(chǎn)生量就越少。減少氮氧化合物的生成可以降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的消極影響。在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，二次風(fēng)開(kāi)度不宜過(guò)大。將氮氧化合物的排放量、火力發(fā)電廠的鍋爐運(yùn)行效率以及調(diào)整與優(yōu)化整體難度等相結(jié)合，進(jìn)行全方面分析。各個(gè)火電廠鍋爐燃燒技術(shù)指標(biāo)各不相同，低氮燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化要與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況符合。為提高鍋爐內(nèi)部的燃燒速率，必須對(duì)鍋爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、鍋爐燃燒效率等詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，并對(duì)其燃燒設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性改造，才能讓目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。火電廠鍋爐低氮燃燒優(yōu)化部門(mén)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行合理化制定，是保障鍋爐內(nèi)部燃燒的平穩(wěn)性的基礎(chǔ)。

7 火電廠鍋爐低氮燃燒優(yōu)化措施

7.1 一次風(fēng)、二次風(fēng)以及周界風(fēng)的優(yōu)化

在主燃區(qū)的調(diào)節(jié)中，要特別注意低氧燃燒的實(shí)際需要，掌控好二次風(fēng)的實(shí)際開(kāi)度，控制燃盡風(fēng)量與控氧量二者的關(guān)系，根據(jù)鍋爐機(jī)組內(nèi)部的實(shí)際運(yùn)行條件，對(duì)鍋爐的優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)比各種配風(fēng)方案，采用多樣化的鍋爐運(yùn)行方式，盡量減少氮氧化合物的實(shí)際排放量，嚴(yán)格管理鍋爐生產(chǎn)造成的環(huán)境污染情況，增強(qiáng)火電廠生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境效益。對(duì)于二次風(fēng)開(kāi)度控制，最上層二次風(fēng)開(kāi)度應(yīng)當(dāng)控制在35%以內(nèi)，各層周界風(fēng)開(kāi)度應(yīng)在15%～20%的范圍內(nèi)，最下層二次風(fēng)開(kāi)度不應(yīng)小于70%，若最下層二次風(fēng)開(kāi)度小于70%，會(huì)導(dǎo)致在煤粉燃燒過(guò)程中，產(chǎn)生缺氧現(xiàn)象，煙氣生成量迅速提高。考慮到二次風(fēng)組合方式、氮氧化合物排放量和鍋爐內(nèi)部溫度之間的互相影響，所以，在優(yōu)化的過(guò)程中，要依據(jù)已知信息參數(shù)進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)。尤其要重點(diǎn)注意鍋爐負(fù)荷狀況、制粉系統(tǒng)的工作模式和鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況，全方位判斷鍋爐低氮燃燒的實(shí)際效益，找出存在的問(wèn)題，調(diào)整存在問(wèn)題的參數(shù)數(shù)據(jù)。

7.2 燃盡風(fēng)系統(tǒng)與擺角的優(yōu)化

通過(guò)借鑒以前的工作經(jīng)驗(yàn)，可以了解到，當(dāng)主燃燒器的擺角在30%以內(nèi)時(shí)，燃燒器上的傾斜角度就會(huì)越大，相應(yīng)會(huì)擴(kuò)大鍋爐內(nèi)壁兩側(cè)氣體溫度和煙氣溫度之間的差距，所以，為了維持氣體高溫度且穩(wěn)定的環(huán)境，燃燒器的擺角應(yīng)適當(dāng)減小。當(dāng)OFA導(dǎo)通時(shí)，加熱器兩側(cè)氣體溫差會(huì)擴(kuò)大，應(yīng)當(dāng)減小OFA的開(kāi)度，讓氮氧化合物的生產(chǎn)量相對(duì)較小。如果將燃盡風(fēng)的擺角擴(kuò)大，必然會(huì)影響鍋爐內(nèi)部氣體溫度等各種參數(shù)數(shù)據(jù)，但總體上影響不大；如果擺角向下傾斜，就會(huì)極大程度上增加氮氧化合物的生成量和排放量。相關(guān)部門(mén)通過(guò)對(duì)低氧燃燒過(guò)程的詳細(xì)分析和綜合考慮，綜合氮氧化合物的排放量和鍋爐燃燒速率，應(yīng)對(duì)擺角裝置進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)化和調(diào)整，讓燃盡風(fēng)的擺角可以適當(dāng)向上傾斜調(diào)節(jié)，降低鍋爐兩側(cè)氣體溫度的差異，確保擺角的運(yùn)行效果。

7.3 鍋爐內(nèi)部含氧量的調(diào)節(jié)

在優(yōu)化低氮燃燒系統(tǒng)前，火電廠工作人員應(yīng)當(dāng)提前對(duì)影響氮氧化合物等有害氣體排放量的原因進(jìn)行細(xì)致分析，確定關(guān)鍵原因后，制定針對(duì)性的解決方案并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，確?？刂谱″仩t污染氣體的排放。鍋爐內(nèi)部氧含量與氮氧化合物排放量之間存在必要的關(guān)聯(lián)，即鍋爐內(nèi)部氧含量越高，氮氧化合物生產(chǎn)量也會(huì)越高。在確定控制氮氧化合物排放量的任務(wù)后，可以調(diào)節(jié)鍋爐內(nèi)部的氧含量，降低鍋爐內(nèi)部氧含量，對(duì)氧含量的最優(yōu)動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行判斷。

雖然理論上降低鍋爐內(nèi)部氧含量就會(huì)降低氮氧化合物的生產(chǎn)量和排放量，但是，如果鍋爐內(nèi)部氧含量太低，將會(huì)對(duì)鍋爐其他部位的正常工作產(chǎn)生影響。由此得出，含氧量的調(diào)節(jié)一定要在合理的范圍內(nèi)進(jìn)行，其最好控制在 2.5%～ 3.5%。

7.4 鍋爐煤粉粗細(xì)程度調(diào)節(jié)

通過(guò)煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)也是減少氮氧化合物的生成量的有效措施。一些鍋爐更換低氮燃燒器后，由于鍋爐內(nèi)部低氧燃燒和運(yùn)行參數(shù)的不準(zhǔn)確，導(dǎo)致飛灰含碳量會(huì)快速提高。改造的鍋爐低氮燃燒效率與氮氧化合物的排放量的控制之間出現(xiàn)了相互矛盾的現(xiàn)象，通過(guò)調(diào)節(jié)煤粉粗細(xì)程度，使煤粉平均細(xì)度降低40%～50%，然后，借助工況對(duì)燃燒值進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，能夠降低火焰中心，把控飛灰值含碳量，減少氮氧化合物的生成。這是因?yàn)榻档兔悍鄣募?xì)度可以強(qiáng)化燃燒程度，提高焦炭中氮的釋放速度與效率，強(qiáng)化氮氧化合物的還原能力。根據(jù)調(diào)查結(jié)果表明，煤粉細(xì)度的降低會(huì)致使煤粉系統(tǒng)電耗增加約2‰，但煤粉燃燒效率的提高，會(huì)推動(dòng)鍋爐的整體運(yùn)行效率，二者相比之下，多數(shù)火電廠仍會(huì)選擇降低碳粉細(xì)度來(lái)提高鍋爐的運(yùn)行效率。

8 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鍋爐是保證火電廠得以平穩(wěn)運(yùn)行的重要設(shè)備，在整體火電廠燃燒系統(tǒng)中都起到了較為關(guān)鍵的作用。為順應(yīng)現(xiàn)階段綠色、環(huán)保的理念，相關(guān)部門(mén)應(yīng)當(dāng)通過(guò)燃燒器的科學(xué)選擇、主燃燒器和OFA噴口的改造等良性措施對(duì)鍋爐低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行改造，也應(yīng)通過(guò)對(duì)一次風(fēng)、二次風(fēng)以及周界風(fēng)的優(yōu)化、燃盡風(fēng)系統(tǒng)與擺角的優(yōu)化、鍋爐內(nèi)部含氧量的調(diào)節(jié)和鍋爐煤粉粗細(xì)程度調(diào)節(jié)，減少氮氧化合物的生成量和排放量，實(shí)現(xiàn)火電廠綠色發(fā)展新要求。