楊幫敏

（浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，樂清 325609）

發(fā)電燃煤鍋爐煙氣排放的污染物中含有粉塵、SO2和NOx等，隨著技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的升級(jí)，發(fā)電燃煤鍋爐煙氣除塵效率可達(dá)99.5%以上，石膏濕法煙氣脫硫（FGD）的脫硫效率可達(dá)95%以上，已經(jīng)滿足了基本環(huán)保指標(biāo)要求。而對(duì)燃煤鍋爐煙氣排放污染物中NOx的控制，特別是SCR投運(yùn)造成氨逃逸給鍋爐帶來的空預(yù)器積鹽等問題，一直是困擾NOx排放控制的難點(diǎn)。

為此，火電運(yùn)行人員一直尋求在燃燒側(cè)的優(yōu)化調(diào)整方法，以控制SCR入口的NOx生成濃度，達(dá)到減少SCR噴氨量，降低由于氨逃逸引起的空預(yù)器積鹽的可能性，提高鍋爐運(yùn)行的效率和安全性。本文結(jié)合燃煤鍋爐燃燒調(diào)整的試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)600 MW級(jí)超臨界鍋爐低NOx燃燒調(diào)整手段進(jìn)行分析。

1 NO x生成機(jī)理

燃煤鍋爐爐內(nèi)煤粉燃燒過程中會(huì)生成大量NOx，但其過程是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程［2］。煤燃燒過程中所生成的NOx有3種類型，即熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx，各種類型NOx所占比例在煤燃燒過程中也不盡相同。NOx生成和破壞過程如圖1所示。

研究表明［3］，在燃燒過程中，將燃料中的含氮有機(jī)物經(jīng)過熱分解和氧化生成的NOx稱為燃料型NOx，其生成量占NOx生成總量的75%～80%［4］。生成的NOx中約20%是熱力型NOx，僅當(dāng)溫度＞1 600℃，熱力型NOx所占比例才會(huì)迅速上升。由于爐內(nèi)溫度很難達(dá)到1600℃以上，因此熱力型NOx在燃煤鍋爐內(nèi)少量生成。在火電燃煤鍋爐中，快速型NOx生成量很小，一般僅占NOx總生成量的5%以下［4］，僅在不含氮的碳?xì)淙剂习l(fā)生低溫燃燒時(shí)才可能生成快速型NOx。

圖1 NO x生成和破壞過程

2 低NO x燃燒技術(shù)

低NOx燃燒技術(shù)主要有［5］：空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)技術(shù)、低過?？諝馊紵?、濃淡偏差燃燒和低NOx燃燒器。從本質(zhì)上說，上述技術(shù)的機(jī)理是一樣的，就是改變局部環(huán)境下燃料和氧量配比，達(dá)到保證鍋爐效率的前提下，實(shí)現(xiàn)低NOx燃燒的目的。

大多數(shù)600 MW以上機(jī)組采用低NOx燃燒器實(shí)現(xiàn)低NOx燃燒，在運(yùn)行中結(jié)合空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒，控制燃燒過程中NOx的生成量。樂清電廠1～4號(hào)鍋爐燃燒器均采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)技術(shù)（LNCFS），該技術(shù)在降低NOx排放的同時(shí)，重點(diǎn)考慮了提高鍋爐低負(fù)荷不投油穩(wěn)燃能力和燃燒效率。這種燃燒器主要將二次風(fēng)分為2部分，在主燃區(qū)先送入一部分風(fēng)量，保證主燃區(qū)的穩(wěn)定著火，同時(shí)使主燃區(qū)處于富燃料燃燒階段，降低爐膛溫度，降低NOx的生成；在燃燒器上方布置燃盡風(fēng)，保證煤粉燃盡。可使得高溫區(qū)與富氧區(qū)分離，達(dá)到控制燃料型NOx生成的目標(biāo)。

3 變氧量對(duì)NO x生成的影響

為了準(zhǔn)確地分析變氧量工況下，NOx的生成變化規(guī)律，以600MW超超臨界1號(hào)鍋爐作為研究對(duì)象，對(duì)600（100%）、480（80%）、420（70%）、360 MW（60%）共4個(gè)負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行變氧量優(yōu)化試驗(yàn)，研究過量空氣系數(shù)、NOx生成和飛灰含碳量的變化趨勢（見圖2和圖3）。

圖2 各負(fù)荷變氧量NO x生成趨勢圖

由圖2可知，NOx生成濃度隨著氧量的降低而明顯降低，而固體未完全燃燒熱損失q4（主要是飛灰含碳量）隨著氧量的降低而升高。但飛灰含碳量絕對(duì)值相對(duì)穩(wěn)定，增加不明顯，引起的q4增大并不明顯，依然不會(huì)抵消由于降低氧量運(yùn)行使得排煙熱損失q2的降低，從而使得鍋爐效率略有上升。

圖3 600 MW鍋爐變氧量運(yùn)行效率趨勢圖

由圖3可知，整體燃燒氧化性氛圍的控制，即爐膛出口氧量的降低，可以有效降低NOx的生成，并且達(dá)到提高鍋爐效率的目標(biāo)。

4 變SOFA率對(duì)NO x生成的影響

鍋爐燃盡風(fēng)分為緊湊型燃盡風(fēng)（CCOFA）和分離式燃盡風(fēng)（SOFA），燃盡風(fēng)（OFA）的作用是提高煤粉燃盡率和控制NOx生成，下面主要研究SOFA對(duì)控制NOx生成的作用和影響程度，并給運(yùn)行人員提供指導(dǎo)意見。鍋爐變SOFA運(yùn)行試驗(yàn)，可以在相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)荷工況下進(jìn)行，操作方法簡單，可以得到運(yùn)行參數(shù)，且參數(shù)規(guī)律特征明顯。

變SOFA運(yùn)行試驗(yàn)盡量維持運(yùn)行操作控制習(xí)慣不變，通過有限的參數(shù)改變，研究變化的參數(shù)對(duì)NOx生成的影響。本試驗(yàn)研究對(duì)象相對(duì)較少，鑒于氧量對(duì)飛灰含碳量和鍋爐效率有著決定性影響，不對(duì)飛灰含碳量和鍋爐效率進(jìn)行分析，僅對(duì)NOx生成、SOFA率、爐膛風(fēng)箱差壓、排煙溫度與環(huán)境溫度差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究其相互之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。

由于600 MW級(jí)超臨界鍋爐爐型成熟，燃燒控制策略完善，在試驗(yàn)過程中，盡量保持自動(dòng)投入率處于較高水平。該爐型的主燃燒器區(qū)域在正常運(yùn)行工況下采用均等配風(fēng)。試驗(yàn)過程中，燃燒器區(qū)域的二次風(fēng)門的控制不進(jìn)行干預(yù)，僅通過改變SOFA風(fēng)門開度，觀察上述參數(shù)的變化趨勢（見圖4～圖6）。主要的原則是：依次關(guān)小上層SOFA開度、關(guān)小上層SOFA開度和均等關(guān)小SOFA開度，計(jì)算主燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)α的變化，比較不同SOFA配風(fēng)方式對(duì)NOx生成的影響。

圖4 變上層SOFA風(fēng)門開度NO x生成趨勢圖

在600 MW工況下，保持氧量和CCOFA風(fēng)門開度基本不變，上部E、D、C層SOFA風(fēng)門開度從原50%關(guān)閉，試驗(yàn)期間爐膛出口過量空氣系數(shù)保持在1.22左右，而主燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)α從0.96升到1.05，NOx濃度從240 mg／Nm3升至303 mg／Nm3，上升幅度達(dá)26%。同時(shí)對(duì)爐膛風(fēng)箱壓差Plt－Pfx影響明顯，從0.93 k Pa升高至1.02 k Pa，強(qiáng)化了主燃燒器區(qū)域的氣流剛性。這一結(jié)果證明，多投運(yùn)SOFA層數(shù)、總體增加SOFA量，可以減少主燃燒器區(qū)域的過量空氣系數(shù)α，有助于降低NOx生成。排煙溫度和環(huán)境溫度差tpy－to降低，在煙氣量基本不變的情況下，證明排煙熱損失q2是隨SOFA開大而降低的。

在430 MW工況下，保持氧量和CCOFA風(fēng)門開度基本不變，下部A、B層SOFA風(fēng)門開度從原50%依次關(guān)閉，試驗(yàn)期間爐膛出口過量空氣系數(shù)保持在1.30左右，而主燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)α從1.05升到1.10，同時(shí)NOx濃度從365 mg／Nm3升至389 mg／Nm3，上升幅度達(dá)6.6%。同時(shí)對(duì)爐膛風(fēng)箱壓差Plt－Pfx影響明顯，從0.38 k Pa升高至0.58 k Pa，強(qiáng)化了燃燒器區(qū)域的氣流剛性。這一結(jié)果證明多投運(yùn)SOFA層數(shù)，總體增加SOFA量也是有助于降低NOx生成的。排煙溫度和環(huán)境溫度差tpy－to基本不變，在煙氣量基本不變的情況下，證明該負(fù)荷區(qū)間排煙熱損失q2是隨SOFA開大變化不明顯。

圖5 變下層SOFA風(fēng)門開度NO x生成趨勢圖

圖6 均等變SOFA風(fēng)門開度NO x生成趨勢圖

在400 MW工況下，保持氧量和CCOFA風(fēng)門開度基本不變，上部A、B、C、D、E層SOFA風(fēng)門開度從原50%一致關(guān)小至40%、30%、20%，試驗(yàn)期間爐膛出口過量空氣系數(shù)保持在1.30左右，而主燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)α從1.07升到1.14，NOx濃度從394 mg／Nm3升至515 mg／Nm3，上升幅度達(dá)30%。同時(shí)對(duì)爐膛風(fēng)箱壓差Plt－Pfx影響明顯，從0.31 kPa升高至0.72 kPa，強(qiáng)化了主燃燒器區(qū)域的氣流剛性。這一結(jié)果證明SOFA風(fēng)門開大，總體增加SOFA量是有助于降低NOx生成的，但是為保證主燃燒器區(qū)域的氣流剛性和燃燒基本氧量需求，SOFA不宜過大，平均開度不宜超過50%。排煙溫度和環(huán)境溫度差tpy－to升高，在煙氣量基本不變的情況下，證明排煙熱損失q2是隨SOFA開大而升高的。這說明在低負(fù)荷區(qū)間，鍋爐爐膛整體溫度水平降低，如果再燃燒區(qū)域供氧不足，將可能得以整體火焰行程變長，排煙溫度上升。

在上述3個(gè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，若主燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)α＞1，則NOx生成量明顯高于過量空氣系數(shù)小于1的工況，推薦鍋爐運(yùn)行時(shí)，主燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)α處于0.93～0.97，可有效控制NOx生成。增加SOFA量可以整體上降低NOx生成，因此鍋爐運(yùn)行時(shí)，SOFA率應(yīng)該大于20%，即保證主燃燒器區(qū)域處于貧氧燃燒或者是微富氧燃燒，防止由富氧區(qū)和高溫區(qū)的重疊造成NOx生成量增加。但是為了保證燃燒區(qū)域的氣流剛性，低負(fù)荷時(shí)SOFA平均開度不宜大于50%。

5 磨煤機(jī)運(yùn)行方式對(duì)NO x生成的影響

大容量機(jī)組全部參與調(diào)峰運(yùn)行，200 MW以上火電機(jī)組均投自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）模式，則調(diào)峰深度可達(dá)50%（特別是春秋季的午間和深夜凌晨），因此鍋爐有較長時(shí)間處于低谷運(yùn)行，此時(shí)需要停運(yùn)運(yùn)行磨煤機(jī)，以節(jié)約制粉單耗和風(fēng)機(jī)電耗，同時(shí)也有利于運(yùn)行磨煤機(jī)處于經(jīng)濟(jì)安全區(qū)域，提高爐內(nèi)煤粉氣流濃度，利于穩(wěn)燃。不同磨的組合燃燒方式，對(duì)火焰中心影響明顯，對(duì)NOx生成有較大的影響。通過比較觀察日常低谷運(yùn)行時(shí)，停磨前后NOx生成變化，分析比較磨煤機(jī)運(yùn)行方式對(duì)NOx生成的影響。

磨煤機(jī)的組合運(yùn)行方式需要考慮到眾多因素，比如制粉系統(tǒng)隔離檢修、設(shè)備定期切換和煤種摻燒等因素，因此磨煤機(jī)的組合方式只能根據(jù)生產(chǎn)需要來。在鍋爐運(yùn)行過程中，運(yùn)行人員更傾向于保持下層磨的運(yùn)行，有利于煤量集中穩(wěn)燃，更重要的是A磨安裝有等離子點(diǎn)火系統(tǒng)，有助于事故工況下的投運(yùn)穩(wěn)燃，另外AB層油槍也基本處于備用狀態(tài)，也是考慮到穩(wěn)燃的因素。不同磨組合燃燒試驗(yàn)參數(shù)表如表1所示。

表1 不同磨組合燃燒試驗(yàn)參數(shù)表

運(yùn)行人員習(xí)慣在400 MW左右明確負(fù)荷下降趨勢后停磨，在比較A、B、C、D、E、F磨停運(yùn)后對(duì)NOx生成變化的趨勢可發(fā)現(xiàn)：A、B、C磨停運(yùn)后，將造成火焰中心整體上移，使分級(jí)燃燒能力變?nèi)?，NOx生成量增加；D、E、F磨停運(yùn)后，將造成火焰中心整體下移，使分級(jí)燃燒能力變強(qiáng)，NOx生成量下降，特別是F磨停運(yùn)后，NOx生成急劇下降，其主要原因也是拉開了火焰中心與SOFA的距離，強(qiáng)化了分級(jí)燃燒。

6 結(jié)論

對(duì)600 MW級(jí)超臨界鍋爐低NOx燃燒試驗(yàn)得到，氧量和主燃燒器區(qū)域的過量空氣系數(shù)是影響NOx生成的重要原因。在600 MW級(jí)鍋爐具備較高的容積熱負(fù)荷和截面熱負(fù)荷時(shí)，可以采用較低的氧量運(yùn)行，控制爐膛出口過量空氣系數(shù)，在整體氛圍上抑制NOx生成，同時(shí)不會(huì)引起飛灰含碳量的大幅度增加影響鍋爐效率，反而減少排煙熱損失可獲得更高的鍋爐效率。變OFA試驗(yàn)得出，開大SOFA可以整體上降低NOx生成，建議鍋爐運(yùn)行時(shí)，SOFA率應(yīng)大于20%。不同磨組合燃燒試驗(yàn)，分析出下層A、B、C磨停運(yùn)后，NOx生成量增加，而上層E、F磨停運(yùn)后NOx生成量下降十分明顯。

通過以上3種技術(shù)手段的常規(guī)控制，樂清電廠4臺(tái)鍋爐SCR入口NOx能夠有效控制在200 mg／Nm3左右，配合爐后SCR的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)煙氣NOx排放達(dá)到80 mg／Nm3以下，低于國家標(biāo)準(zhǔn)100 mg／Nm3，具有良好的環(huán)境效益。同時(shí)，大大減少后續(xù)SCR的噴氨引起的氨逃逸現(xiàn)象，降低空預(yù)器硫酸氫銨引起的空預(yù)器堵的概率，保障了鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］ 孫德創(chuàng).玉環(huán)電廠超超臨界鍋爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比與分析［D］.哈爾濱，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004.

［2］ 岑可法，姚強(qiáng)，駱仲泱，等.高等燃燒學(xué)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2000.

［3］ 張盤石.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電站鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)研究［D］.北京，華北電力大學(xué)（北京），2007.

［4］ Pershing，D.W.and Wendt，J.0.L.In Sixteenth Symposium（International）on Combustion［J］.Combustion Institue，Pittsburgh，1997，231-240.

［5］ 楊幫敏.600 MW級(jí)超臨界鍋爐燃燒優(yōu)化試驗(yàn)研究［D］.杭州，浙江大學(xué)，2012.