文 // 程加?xùn)| 張茂勇 李學(xué)顏

1 青島立宇科技開發(fā)有限責(zé)任公司 2 北京中科華譽(yù)工業(yè)能源技術(shù)研究所

1 問題的提出

1.1 風(fēng)煤分配不平衡對鍋爐的影響

電站煤粉鍋內(nèi)燃燒狀態(tài)具有決定性的作用，如果一次風(fēng)媒系統(tǒng)分配不平衡，爐內(nèi)空氣動力場出現(xiàn)明顯偏離等問題，會導(dǎo)致爐內(nèi)的燃燒狀況惡化。目前在我國電站鍋爐的運(yùn)行中，由于難以精確、實(shí)時(shí)、全面地監(jiān)測煤粉濃度、各風(fēng)管風(fēng)量風(fēng)壓等參數(shù)，并缺乏調(diào)平依據(jù)和手段，在已建成投產(chǎn)的300MW、600MW、1000MW級的各類機(jī)組鍋爐中，均大量存在一次風(fēng)媒系統(tǒng)不平衡、二次風(fēng)分配不平衡等問題。雖然在鍋爐建成調(diào)試時(shí)進(jìn)行了基本風(fēng)煤系統(tǒng)的調(diào)平，但其實(shí)際調(diào)節(jié)效果缺乏精確評估依據(jù)，其數(shù)據(jù)缺乏可靠性，而采用高精度煤粉濃度檢測儀、高精度風(fēng)速風(fēng)量測量儀等的實(shí)測表明，電站鍋爐風(fēng)煤不平衡問題較為突出和普遍。

1.2 常規(guī)低氮燃燒技術(shù)存在的問題及其成因

目前電站鍋爐已廣泛采用低氮燃燒技術(shù)以達(dá)到NOX的排放指標(biāo)。實(shí)測表明，低氮燃燒改造可顯著降低NOX的生成量，但其又會產(chǎn)生其它諸多問題，例如機(jī)組最小技術(shù)出力降低，調(diào)峰能力差；AGC控制的調(diào)節(jié)特性能差，主汽壓力偏差大、汽包水位波動，在低負(fù)荷時(shí)在原有控制方式下的爐膛壓力波動大；運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差，主要體現(xiàn)在飛灰含碳量增大；再熱汽溫偏低。導(dǎo)致上述問題的主要原因是在應(yīng)用中存在著技術(shù)瓶頸，即燃燒器之間煤粉分配偏差過大，有的磨煤機(jī)燃燒器之間存在高達(dá)±30%～50%的分配偏差，而運(yùn)行人員經(jīng)常通過提高二次風(fēng)量的方法彌補(bǔ)這種偏差，不但增加了排煙損失，也增加了NOX排放濃度。因此，必需對煤粉分配偏差進(jìn)行調(diào)平，以徹底解決上述問題。

2 基于高精度風(fēng)煤調(diào)平的低氮燃燒控制技術(shù)路線及實(shí)現(xiàn)手段

2.1 技術(shù)路線

實(shí)現(xiàn)風(fēng)煤調(diào)平低氮燃燒的基本途徑就是解決上述風(fēng)煤分配不平衡問題，達(dá)到各燃燒器噴入的煤粉、一次風(fēng)、二次風(fēng)的流量平衡，流速分布和壓力分布的互相匹配，形成最佳的空燃比、空氣動力場和適宜的過量空氣系數(shù)，實(shí)現(xiàn)燃燒過程的均衡發(fā)展、低NOX的燃燒氣氛和適宜的燃燒溫度及燃燒的穩(wěn)定性。

數(shù)字化風(fēng)煤調(diào)平燃燒控制系統(tǒng)首先采用先進(jìn)的采用絕對量測量方法準(zhǔn)確測量出一、二次風(fēng)量和煤粉的分配狀況及其偏差量，然后用專利設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)元件把一、二次風(fēng)量和煤粉偏差調(diào)整到一定的范圍，以保證每個(gè)燃燒器內(nèi)的過量空氣系數(shù)基本達(dá)到設(shè)計(jì)值。

進(jìn)行數(shù)字化燃燒控制系統(tǒng)改造的主要內(nèi)容包括：通過CFD設(shè)計(jì)把二次風(fēng)及燃盡風(fēng)大風(fēng)箱分隔成與燃燒器及燃盡風(fēng)噴口數(shù)量相對應(yīng)的分體式風(fēng)道，并在每個(gè)分體式風(fēng)道加裝風(fēng)量測量裝置及特制的調(diào)節(jié)風(fēng)門；在每個(gè)煤粉管上加裝特制的電動球形調(diào)節(jié)閥及煤粉濃度、流速和質(zhì)量流量測量裝置；在每臺磨煤機(jī)分離器內(nèi)對應(yīng)于每個(gè)風(fēng)粉管加裝一臺電動濃度調(diào)節(jié)擋板。該數(shù)字化風(fēng)煤調(diào)平燃燒控制技術(shù)系統(tǒng)的組成如圖1所示。

2.2 實(shí)現(xiàn)手段

采用新型測量技術(shù)實(shí)時(shí)在線測量并顯示煤粉濃度、流速、質(zhì)量流量及其變化過程，進(jìn)而采用專利設(shè)計(jì)的煤粉濃度調(diào)節(jié)器和煤粉流速調(diào)節(jié)器，對煤粉流速和濃度進(jìn)行在線調(diào)整，使煤粉流速、濃度、質(zhì)量流量達(dá)到高度均勻，其中煤粉流速偏差在1m/s以內(nèi)，煤粉質(zhì)量流量偏差在±5%以內(nèi)。采用高精度的煤粉質(zhì)量流量測量手段和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并與一次風(fēng)、二次風(fēng)的精確實(shí)時(shí)測量與控制相結(jié)合，成為有效實(shí)施該風(fēng)煤調(diào)平低氮燃燒的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

煤粉質(zhì)量流量的測量采用絕對量測量原理，其優(yōu)點(diǎn)是測量結(jié)果分辨率高，而且能根據(jù)給煤機(jī)的測量信號對煤粉質(zhì)量流量的測量結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)測量系統(tǒng)是否工作正常。

圖2為某電廠進(jìn)行煤粉調(diào)平前后煤粉分配狀況的對比，其中編號為S01的煤粉管的煤粉質(zhì)量流量由原有高出其它煤粉管近1倍，降低到與其它煤粉管基本相當(dāng)，可見實(shí)施調(diào)平的必要性和有效性。

3 基于高精度風(fēng)煤調(diào)平的低氮燃燒技術(shù)改造實(shí)際案例及其分析

3.1 電廠現(xiàn)狀及原有低氮燃燒實(shí)測分析

華能北京（高碑店）熱電廠一期4臺鍋爐，為德國公司設(shè)計(jì)，武漢鍋爐廠生產(chǎn)的W型火焰、帶飛灰復(fù)燃裝置的液態(tài)排渣塔式直流鍋爐。從機(jī)組投產(chǎn)至今，爐膛振動一直威脅著鍋爐運(yùn)行安全，并且液態(tài)排渣鍋爐燃燒過程產(chǎn)生的氮氧化物濃度較高,機(jī)組滿負(fù)荷工況下鍋爐燃燒產(chǎn)生的氮氧化物約700mg/Nm3。北京市從2008年7月1日執(zhí)行第二階段環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn),要求燃煤鍋爐氮氧化物排放濃度小于100mg/Nm3，導(dǎo)致電廠脫硝設(shè)備運(yùn)行壓力大、脫硝運(yùn)行成本高。從2012年初開始，電廠開始對1～4號爐進(jìn)行低氮燃燒調(diào)整，希望通過燃燒調(diào)整，降低SCR入口的氮氧化物濃度。

鍋爐燃燒系統(tǒng)采用德國巴布科克公司設(shè)計(jì)的WSD型低氮氧旋流燃燒器，該廠的每臺燃燒器都有獨(dú)立的二次風(fēng)管道，并安裝有二次風(fēng)量在線測量裝置，實(shí)現(xiàn)了每臺燃燒器配風(fēng)的實(shí)時(shí)在線控制，據(jù)此可以通過調(diào)整每臺燃燒器出口的過量空氣系數(shù)降低火焰中的氮氧化物生成量。由于當(dāng)初沒有高精度測量與控制煤粉分配的技術(shù)，部分燃燒器具有較高的氮氧化物排放。

圖1 高精度數(shù)字化燃燒控制系統(tǒng)圖

圖2 某電廠煤粉濃度調(diào)節(jié)器安裝前后煤粉分配發(fā)生變化

3.2 采用風(fēng)煤精確調(diào)平后的試驗(yàn)對比

煤粉調(diào)平試驗(yàn)采用了德國PROMECON－立宇科技公司的成套風(fēng)煤在線調(diào)平系統(tǒng)，包括高精度數(shù)字化實(shí)時(shí)在線測量儀器，和可以調(diào)整煤粉濃度的調(diào)節(jié)擋板，在試驗(yàn)中對煤粉流速、濃度和質(zhì)量流量進(jìn)行連續(xù)測量并對濃度調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)整。表1是對3號磨煤機(jī)調(diào)整前后每臺燃燒器的過量空氣系數(shù)變化情況。

在采用濃度調(diào)節(jié)擋板調(diào)整之前，實(shí)測的煤粉質(zhì)量流量的最大偏差為+12.89%，流速偏差為3.5m/s，燃燒器出口過量空氣系數(shù)的最大值和最小值分別為0.84和0.687；而采用濃度調(diào)節(jié)擋板調(diào)整之后，質(zhì)量流量偏差降低至+5.23%，流速偏差1.5m/s以內(nèi)，燃燒器出口過量空氣系數(shù)的最大值和最小值分別為0.816和0.758。第二次煤粉調(diào)平試驗(yàn)使SCR入口的氮氧化物濃度降低到約350～380mg/Nm3，同時(shí)改善和消除了一氧化碳過高、爐墻振動較大等問題。

3.3 新風(fēng)煤調(diào)平系統(tǒng)改造后的減排、節(jié)能與穩(wěn)定燃燒的技術(shù)效果評估

經(jīng)煤粉調(diào)平和降低燃燒器內(nèi)過量空氣系數(shù)的試驗(yàn)，使3號爐每個(gè)燃燒器的過量空氣系數(shù)都在0.75～0.82之間。四臺爐滿負(fù)荷工況下脫硝SCR反應(yīng)器入口的NOX已經(jīng)由最初的700mg/Nm3左右降低到目前的350～380mg/Nm3之間，降幅達(dá)320mg/Nm3以上，全年4臺爐減少NOX生成量約5100t，減少脫硝尿素消耗量約2800t，減少脫硝燃油消耗量約300t，還可大幅延長脫硝裝置中催化劑板的更換周期。

表13號磨煤機(jī)調(diào)整前后每臺燃燒器的過量空氣系數(shù)變化

通過適當(dāng)降低每個(gè)燃燒器出口的過量空氣系數(shù)，飛灰可燃物含量不上升反而有所下降，鍋爐排煙中CO濃度大幅降低，機(jī)組供電煤耗下降約4g/kWh。同時(shí)由于鍋爐總風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)電耗明顯下降，4臺爐風(fēng)機(jī)電耗每年減少約900萬kWh。

經(jīng)過兩年時(shí)間的運(yùn)行證明，鍋爐低氮氧燃燒調(diào)整后沒有發(fā)生高溫腐蝕、結(jié)大焦等威脅鍋爐安全的情況，鍋爐爐墻振動得到明顯改善。這些結(jié)果說明通過采用高精度的數(shù)字化煤粉調(diào)平技術(shù)并結(jié)合煤粉濃度調(diào)節(jié)器的應(yīng)用，能有效降低煤粉流速和質(zhì)量流量偏差，并結(jié)合適當(dāng)減小燃燒器內(nèi)過量空氣系數(shù)，是降低鍋爐燃燒過程中產(chǎn)生氮氧化物和提高鍋爐效率的有效手段。

因此，該基于風(fēng)煤調(diào)平的低氮燃燒控制新技術(shù)方式對電站鍋爐運(yùn)行具有穩(wěn)定燃燒、潔凈燃燒、高效燃燒、經(jīng)濟(jì)燃燒等多重重要意義。

4 結(jié)論

電站鍋爐由于風(fēng)煤分配不平衡引起爐內(nèi)燃燒惡化，而現(xiàn)有低氮燃燒技術(shù)在實(shí)踐中加劇了上述問題，對鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性、排煙中一氧化碳含量及飛灰含碳量、鍋爐效率等產(chǎn)生不利影響，其根本原因在于對于一次風(fēng)媒系統(tǒng)、二次風(fēng)等缺乏精確實(shí)時(shí)的測量和調(diào)節(jié)控制方法。

數(shù)字化風(fēng)煤調(diào)平低氮燃燒技術(shù)系統(tǒng)，依據(jù)風(fēng)煤調(diào)平和低氮燃燒機(jī)理及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式，采用煤粉質(zhì)量流量測量方法及一次風(fēng)、二次風(fēng)的流量測量方法和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)精確測量、進(jìn)而精準(zhǔn)調(diào)節(jié)燃燒器的空燃比和過量空氣系數(shù)，從而保證爐內(nèi)處于所需的空氣動力場、燃燒處于低NOX穩(wěn)燃?xì)夥?，降低煙氣中的CO含量、飛灰含碳量及含氧量，大幅降低脫硝裝置入口NOX含量、減少脫硝用尿素、燃油及催化劑等的耗費(fèi)、減少鼓引風(fēng)機(jī)耗電量等，并可有效提高鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性。

通過華能北京熱電廠的鍋爐改造實(shí)例表明，其實(shí)現(xiàn)了精確測量、精確調(diào)節(jié)一次風(fēng)媒系統(tǒng)、二次風(fēng)的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)氮氧化物生成量由超過700mg/Nm3降低到350～380mg/Nm3、從而降低脫硝運(yùn)行各項(xiàng)耗費(fèi)，可降低供電標(biāo)煤耗超過4g/kWh，可有效改善鍋爐的燃燒狀況，基本消除結(jié)大焦、異常振動、停爐等運(yùn)行問題，有力地驗(yàn)證了數(shù)字化風(fēng)煤調(diào)平低氮燃燒技術(shù)系統(tǒng)的有效性。

隨著國家節(jié)能環(huán)保政策要求日益嚴(yán)格，在電站燃煤鍋爐等大型燃煤鍋爐中大規(guī)模推廣該新型低氮燃燒技術(shù)具有技術(shù)可行性和實(shí)際需求，估算未來5～10年內(nèi)可實(shí)施的大型鍋爐臺數(shù)超過1000臺，每年產(chǎn)生的氮氧化物減排量超過15萬t，市場容量可達(dá)600～800億元，并可為我國電力等行業(yè)等的大型鍋爐實(shí)現(xiàn)近零排放提供重要的新型技術(shù)途徑。