王敦敦，陳一平，李明

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國(guó)電庫(kù)車發(fā)電有限公司，新疆庫(kù)車842000)

330MW鍋爐氮氧化物排放濃度偏高優(yōu)化調(diào)整

王敦敦1，陳一平1，李明2

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國(guó)電庫(kù)車發(fā)電有限公司，新疆庫(kù)車842000)

針對(duì)某電廠330 MW對(duì)沖燃燒鍋爐投產(chǎn)后爐膛出口氮氧化物濃度偏高的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：蒸汽溫度偏低導(dǎo)致的燃盡風(fēng)無(wú)法投入，一次風(fēng)率偏高，主燃燒區(qū)域富氧燃燒是導(dǎo)致?tīng)t膛出口氮氧化物濃度偏高的主要原因。通過(guò)采取提高火焰中心，改善蒸汽參數(shù)，調(diào)整燃盡風(fēng)等一系列措施，爐膛出口氮氧化物排放濃度得到降低。

鍋爐；蒸汽參數(shù)；氮氧化物；優(yōu)化調(diào)整

隨著新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)行，火電機(jī)組加強(qiáng)了氮氧化物排放濃度的控制〔1〕。某電廠330 MW對(duì)沖燃燒鍋爐投產(chǎn)后，在300MW負(fù)荷下，當(dāng)投入燃盡風(fēng)時(shí)，主蒸汽溫度大幅下降，最低降低至500℃，影響機(jī)組運(yùn)行安全。在不投入燃盡風(fēng)時(shí)，爐膛氮氧化物濃度為600 mg/Nm3左右，超過(guò)設(shè)計(jì)值 (350 mg/Nm3)，無(wú)法滿足環(huán)保要求。目前對(duì)于類似的問(wèn)題，可供借鑒的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)較少。為了滿足鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)保要求，為后續(xù)的改造提供依據(jù)，特進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)。

1 設(shè)備概述

1.1 鍋爐設(shè)計(jì)性能參數(shù)

某電廠2×330MW機(jī)組鍋爐為北京巴布科克·威爾科克斯有限公司生產(chǎn)的B＆WB－1192/17.5－M型亞臨界自然循環(huán)汽包爐，前后墻對(duì)沖燃燒。燃燒器為DRB-4Z超低NOx型雙調(diào)風(fēng)旋流煤粉燃燒器，爐膛上部布置了燃盡風(fēng)噴口 (OFA)。配套了5臺(tái)ZGM95N-Ⅱ型中速磨煤機(jī)，ADC磨煤機(jī)出口煤粉進(jìn)入前墻的下中上層燃燒器，BE磨煤機(jī)出口煤粉進(jìn)入后墻下中層燃燒器。爐膛斷面尺寸為15 600mm ×13 500mm，汽包中心線標(biāo)高62 650mm。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 設(shè)計(jì)及實(shí)際燃用煤種

鍋爐設(shè)計(jì)煤種為高揮發(fā)分、中高灰分、常水分的煙煤，具有易燃盡、易著火、高結(jié)渣性等特性，與設(shè)計(jì)煤種相比，實(shí)際燃用煤種發(fā)熱量高，揮發(fā)分高，灰熔點(diǎn)高，見(jiàn)表2。

2 氮氧化物濃度偏高原因分析

2.1 高負(fù)荷下蒸汽溫度低，燃盡風(fēng)難以投入

鍋爐實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，在高負(fù)荷時(shí) (250 MW以上)，過(guò)熱器一、二級(jí)減溫水流量為0，當(dāng)主蒸汽壓力高于14MPa時(shí)，主、再熱蒸汽溫度大幅波動(dòng)，最低降至500℃，為保證蒸汽溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值(541℃)，只能采用降壓運(yùn)行。由于燃盡風(fēng)(OFA)設(shè)計(jì)在最上層燃燒器以上約4.5m處，當(dāng)燃盡風(fēng)投入后，會(huì)對(duì)爐膛火焰產(chǎn)生 “壓火”作用，降低火焰中心，降低主、再熱汽溫，不利于機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。有研究表明，燃盡風(fēng)的合理配置，能夠降低20%～40%的氮氧化物排放〔2〕。

在300MW負(fù)荷下，通過(guò)對(duì)比尾部煙道煙氣溫度DCS值與設(shè)計(jì)值 (見(jiàn)表3)可知:低溫過(guò)熱器和低溫再熱器入口煙氣溫度比設(shè)計(jì)值低約150℃，低溫過(guò)熱器、低溫再熱器和省煤器出口煙氣溫度比設(shè)計(jì)值低約40℃。通過(guò)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，屏式過(guò)熱器底部平均煙氣溫度約為905℃，比鍋爐廠熱力計(jì)算對(duì)應(yīng)值低近100℃。綜合以上分析可知，爐膛出口煙溫低，是導(dǎo)致過(guò)、再熱器吸熱不足，蒸汽溫度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值的直接原因。

從表2中可以看出，實(shí)際燃用煤質(zhì)發(fā)熱量和揮發(fā)分偏高，在相同負(fù)荷下，會(huì)導(dǎo)致鍋爐燃煤量少，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣量少，過(guò)熱器和再熱器吸熱變少，蒸汽溫度難以提升。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)煤種Na2O含量較高 (2.3%～2.7%)，根據(jù)結(jié)渣判別標(biāo)準(zhǔn)，大于2.5%時(shí)屬于嚴(yán)重結(jié)渣傾向煤種，對(duì)鍋爐玷污影響特別顯著〔3〕。根據(jù)灰軟化溫度ST進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)煤種同樣屬于嚴(yán)重結(jié)渣特性煤種〔4〕。因此在鍋爐設(shè)計(jì)中，考慮結(jié)渣影響，有意增加了水冷壁吸熱面積。而實(shí)際燃用煤質(zhì) Na2O含量小于0.4%，屬于低結(jié)渣特性煤，于是造成實(shí)際燃用煤質(zhì)下水冷壁面積偏大，吸熱量過(guò)多，從而使?fàn)t膛出口煙氣溫度偏低。

2.2 一次風(fēng)率較設(shè)計(jì)值偏高

該鍋爐一次粉管內(nèi)徑為530 mm，比同類型鍋爐一次粉管大15%左右。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中為了防止煤粉堵塞，一次風(fēng)速要控制在18m/s以上，實(shí)際一次風(fēng)量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)值。表4為典型負(fù)荷下一次風(fēng)量與二次風(fēng)風(fēng)量之比，隨著負(fù)荷的升高，該比值逐漸減小，但最低仍然達(dá)到0.57，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值 (0.19～0.2)。煤燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOx可分為燃料型、熱力型和快速型，其中燃料型NOx占總量的 75%以上〔5〕。NOx主要在燃燒初期產(chǎn)生〔6〕，一次風(fēng)風(fēng)率越高，燃燒器出口氧濃度越高，燃料型NOx生成越多。因此，過(guò)高的一次風(fēng)風(fēng)率對(duì)降低NOx排放十分不利。從圖1看出，負(fù)荷增加時(shí)，給煤量增加，一次風(fēng)噴口煤粉濃度增加，形成缺氧燃燒環(huán)境，NOx生成濃度呈下降趨勢(shì)。

2.3 燃燒器設(shè)計(jì)調(diào)整手段有限

該鍋爐燃燒器為旋流燃燒器，環(huán)繞在一次風(fēng)外圍的是過(guò)渡風(fēng)，過(guò)渡風(fēng)設(shè)計(jì)用來(lái)阻隔煤粉和二次風(fēng)，推遲混合。過(guò)渡風(fēng)外圍是內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)，但是內(nèi)外二次風(fēng)的比例無(wú)法調(diào)節(jié)。實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，由于一次風(fēng)率偏高，煤粉在噴口已經(jīng)形成了富氧環(huán)境，煤粉的著火點(diǎn)距離一次風(fēng)噴口依然很近。因此通過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)渡風(fēng)開(kāi)度和內(nèi)二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度對(duì)推遲煤粉燃燒、降低氮氧化物生成效果有限。

3 優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整措施及效果

3.1 蒸汽參數(shù)調(diào)整

3.1.1 提高爐膛火焰中心

該鍋爐前墻上中下3層布置CDA磨煤機(jī)，后墻上下2層布置EB磨煤機(jī)，等離子點(diǎn)火器布置在下層A燃燒器內(nèi)，設(shè)計(jì)滿負(fù)荷工況下C層燃燒器備用，平時(shí)運(yùn)行過(guò)程中一般投入ABDE磨煤機(jī)運(yùn)行。針對(duì)該鍋爐存在的爐膛出口溫度低問(wèn)題，采取提高爐膛火焰中心的運(yùn)行調(diào)整措施:

1)變備用C磨煤機(jī)為常用磨煤機(jī)，把下層A或B磨煤機(jī)作為備用，即高負(fù)荷下投運(yùn)BCDE或ACDE磨煤機(jī)。由于鍋爐燃用煤質(zhì)為高揮發(fā)分煙煤，著火穩(wěn)定性能得到充分保證，當(dāng)A磨煤機(jī)備用時(shí)，即使出現(xiàn)異常情況仍然可以投入每個(gè)燃燒器的油槍穩(wěn)定燃燒。

2)減小下層磨煤機(jī)給煤量而增加中上層磨煤機(jī)的給煤量，同時(shí)通過(guò)磨煤機(jī)總風(fēng)量和冷卻風(fēng)量的調(diào)整確保不發(fā)生一次粉管堵塞和溫度高而燒管。在300MW負(fù)荷下，C磨煤機(jī)給煤量最高達(dá)到38 t/h，而A或B磨煤機(jī)給煤量只有23 t/h，此時(shí)一次風(fēng)管最低風(fēng)速在20m/s左右，磨煤機(jī)出口風(fēng)粉混合溫度為70～80℃。

3)調(diào)整旋流燃燒器內(nèi)外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度。通過(guò)減少內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，提高剛性，可以推遲二次風(fēng)與煤粉的混合，可以提高火焰中心高度。實(shí)際調(diào)整過(guò)程中，內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度拉桿關(guān)至最小刻度，基本無(wú)旋流。

3.1.2 提高氧量

適當(dāng)提高鍋爐運(yùn)行氧量，增加煙氣流量。在高負(fù)荷下，爐膛出口氧量在4.5%左右運(yùn)行，煙氣流量增加后，過(guò)、再熱器吸熱增加，蒸汽溫度得到提高。

3.2 低氮燃燒調(diào)整

3.2.1 垂直分級(jí)燃燒

采取以上提高爐膛火焰中心技術(shù)措施后，爐膛出口溫度明顯提高，并且需要投入過(guò)熱器減溫水進(jìn)行汽溫控制，為開(kāi)啟燃盡風(fēng) (OFA)創(chuàng)造了條件。在300MW負(fù)荷下，燃盡風(fēng)門開(kāi)度可以達(dá)到80%，實(shí)現(xiàn)了垂直方向深度分級(jí)燃燒，降低了氮氧化物生成，試驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)圖1。

3.2.2 提高煤粉濃度

在一次風(fēng)管不堵塞前提下，盡量增加中、上層給煤量，提高一次風(fēng)煤粉濃度，控制氮氧化物的生成。

3.2.3 推遲風(fēng)粉混合

減小旋流燃燒器內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，推遲內(nèi)二次風(fēng)與煤粉的混合對(duì)降低氮氧化物生成有利。

3.3 調(diào)整結(jié)果

通過(guò)以上調(diào)整后，各負(fù)荷段穩(wěn)定工況下主要蒸汽參數(shù)見(jiàn)表5，NOx濃度變化參見(jiàn)圖1。在250～300MW負(fù)荷下，蒸汽參數(shù)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，蒸汽溫度和壓力穩(wěn)定，主、再蒸汽溫度達(dá)到540℃左右。在300MW負(fù)荷下，主蒸汽壓力為16.8 MPa，過(guò)熱器仍然有10 t/h左右減溫水調(diào)節(jié)余量。燃盡風(fēng)

全關(guān)時(shí)，爐膛出口NOx濃度為550mg/Nm3，燃盡風(fēng)開(kāi)啟后，NOx濃度逐漸降低，當(dāng)燃盡風(fēng)開(kāi)度為50%時(shí)，NOx濃度達(dá)到最低值464 mg/Nm3，主再熱蒸汽溫度降低到530～536℃，主蒸汽壓力為16.6MPa。當(dāng)燃盡風(fēng)開(kāi)度達(dá)到80%及以上時(shí)，NOx濃度和主再熱蒸汽參數(shù)變化不明顯。

在300～330 MW負(fù)荷段時(shí)，受制于一次風(fēng)機(jī)出力和一次風(fēng)管最低風(fēng)速限制，中上層磨煤機(jī)出力不能繼續(xù)增加，當(dāng)主蒸汽壓力高于15MPa時(shí)，主、再熱蒸汽溫度不能達(dá)到設(shè)計(jì)值，而且出現(xiàn)較大波動(dòng)現(xiàn)象，為維持汽溫，只能降壓運(yùn)行，調(diào)節(jié)過(guò)熱汽溫的減溫水流量為0。燃盡風(fēng)門開(kāi)度從10%開(kāi)大至50%的過(guò)程中，NOx濃度從574mg/Nm3降低至533 mg/Nm3，當(dāng)燃盡風(fēng)門開(kāi)度進(jìn)一步開(kāi)大時(shí)，主再熱蒸汽溫度降低明顯。在小于250 MW負(fù)荷、4臺(tái)磨運(yùn)行方式下，受制于下層磨煤機(jī)的最低出力，中上層磨煤機(jī)出力增加受限，爐膛出口煙溫難以提高。因此，在180MW低負(fù)荷時(shí)，采用滑壓運(yùn)行方式，以維持主、再熱蒸汽溫度基本達(dá)到設(shè)計(jì)值。此時(shí)，燃盡風(fēng)門從 10%開(kāi)至 50%，NOx濃度從671mg/Nm3降低至660mg/Nm3。

4 結(jié)論

1)根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，鍋爐實(shí)際燃用煤種偏離設(shè)計(jì)煤種，是導(dǎo)致主、再熱蒸汽溫度偏低的主要原因；爐膛蒸發(fā)受熱面吸熱量偏多，導(dǎo)致?tīng)t膛出口煙氣溫度偏低，加劇了主、再熱蒸汽溫度的偏低。為了保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，燃盡風(fēng)無(wú)法投入，是導(dǎo)致鍋爐氮氧化物濃度偏高的主要原因。

2)一次粉管內(nèi)徑偏大，為了維持一次風(fēng)速，實(shí)際運(yùn)行中一次風(fēng)率遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，燃燒器出口形成富氧燃燒環(huán)境，導(dǎo)致鍋爐氮氧化物濃度偏高。

3)燃燒器設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)手段有限，內(nèi)外二次風(fēng)比例無(wú)法調(diào)整，僅通過(guò)過(guò)渡風(fēng)和內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度來(lái)達(dá)到降低氮氧化物濃度的作用有限。

4)通過(guò)采取調(diào)整磨煤機(jī)運(yùn)行方式，投入中上層磨煤機(jī)運(yùn)行，增加中上層磨煤機(jī)給煤量，調(diào)整旋流燃燒器內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，適當(dāng)提高鍋爐運(yùn)行氧量等一系列措施，使鍋爐蒸汽壓力和溫度不匹配和主、再熱蒸汽溫度低等問(wèn)題大幅度改善，鍋爐在300MW負(fù)荷下主、再熱蒸汽參數(shù)能達(dá)到設(shè)計(jì)值。

建議開(kāi)展設(shè)計(jì)煤種下的性能試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行鍋爐受熱面和一次風(fēng)管的核算和改造，徹底解決鍋爐蒸汽參數(shù)不匹配、汽溫偏低等問(wèn)題，并使?fàn)t膛出口NOx濃度達(dá)到設(shè)計(jì)值。

〔1〕GB13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn) 〔S〕.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

〔2〕張曉輝，孫銳，孫紹增，等.燃盡風(fēng)與水平濃淡燃燒聯(lián)用對(duì)NOx生成的影響 〔J〕.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(29): 56-61.

〔3〕岑可法.鍋爐和熱交換器的積灰，結(jié)渣，磨損和腐蝕的防止原理與計(jì)算〔M〕.北京:科學(xué)出版社，1994.

〔4〕李永興，陳春元.動(dòng)力用煤結(jié)渣特性綜合判別指數(shù)的研究〔J〕.熱力發(fā)電，1994(3):36-39.

〔5〕PERSHING DW，WENDT JOL.Pulverized coal combustion:The influence of flame temperature and coal composition on thermal and fuel NOx；proceedings of the Symposium (International) on Combustion，F(xiàn)，1977〔C〕.Elsevier.

〔6〕孫保民，王頂輝，段二朋，等.空氣分級(jí)燃燒下 NOx生成特性的研究〔J〕.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2013，33(4):261-266.

Optim izing adjustment for high concentration of nitrogen oxide em issions of 330MW boilers

WANG Dun-dun1，CHEN Yi-ping1，LIMing2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Guodian Kuche Power Generation CO.，LTD.Kuche 842000，China)

The hedge fired boilers in a certain 330 MW power plant appeared to high concentration of nitrogen oxides after commissioning.Through the analysis of the test data and design values，the results show that the OFA(over fire air)cannotbe put into，and low steam temperature，high primary air ratio and oxygen-enriched combustion in primary combustion zone is the main cause of the high concentration of nitrogen oxides on furnace outlet.By taking a seriesmeasurementof increasing the flame center，improving steam parameters and adjusting the OFA，furnace outlet nitrogen oxides emission concentration was reduced.

boiler；steam parameter；nitrogen oxide；optimal adjustment

TK223.27

B

1008-0198(2014)06-0069-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.020

2014-05-28 改回日期:2014-08-10