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        沁北電廠#5鍋爐NO x生成分析與建議

        2022-06-26 03:45:16史小毅程世軍
        科技與創(chuàng)新 2022年12期
        關(guān)鍵詞:煤量制粉煤泥

        史小毅,程世軍,王 楊,張 偉,王 越

        (華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司,河南 濟源 454662)

        在能源結(jié)構(gòu)變化的大環(huán)境下,火力發(fā)電廠當(dāng)下?lián)綗耗嗟谋壤鹑赵黾?,煤種變化復(fù)雜,同時機組調(diào)峰頻次增加,導(dǎo)致鍋爐燃燒工況變化頻繁,劣質(zhì)煤種比例的增加加劇了脫硝反應(yīng)器的腐蝕,脫硝邏輯不合理過調(diào)常常導(dǎo)致噴氨量過大,導(dǎo)致能源浪費以及空預(yù)器堵塞,影響機組安全經(jīng)濟運行。因此,分析各種因素對脫硝反應(yīng)的影響非常有意義。

        1 沁北電廠三期燃燒設(shè)備概況[1]

        沁北電廠三期#5機組為1 000 MW超超臨界機組,配套鍋爐為東方鍋爐廠制造的超超臨界本生滑壓運行直流鍋爐,鍋爐型號DG3110/26.15-2型,單爐膛,平衡通風(fēng),尾部雙煙道結(jié)構(gòu)。鍋爐設(shè)計煤種為晉城煤業(yè)集團趙莊煤礦煤,校核煤種為潞安礦業(yè)集團屯留煤礦煤。

        磨煤機采用沈陽重型機械廠生產(chǎn)的MPS290輥盤式中速磨煤機,燃燒器為東方鍋爐廠引進技術(shù)生產(chǎn)的旋流噴燃器,采用前后墻各3層,前、后墻對沖布置,其中A(后下)層燃燒器具有少油點火功能。燃燒系統(tǒng)設(shè)計采用分級燃燒和濃淡燃燒等技術(shù),可有效減少NOx排放量并降低鍋爐最低穩(wěn)燃負荷。

        2 NO x生成機理[2]

        燃煤鍋爐的NOx類型主要有3種,即燃料型、熱力型、快速型,其生成機理如下。

        2.1 燃料型NO x

        燃料型NOx即燃料中的含氮物質(zhì)氧化生成NOx,生成過程分3步:含氮揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒、焦炭中含氮物質(zhì)燃燒。

        含氮揮發(fā)分的燃燒與溫度關(guān)系密切,而后期焦炭含氮物質(zhì)在還原性氣氛中會還原一部分揮發(fā)分NOx。燃料型NOx生成機理如圖1所示。

        圖1 燃料型NO x生成機理

        從圖1可看出,燃料型NOx的生成和還原不僅與煤種的特性、煤中氮化合物存在的狀態(tài)、煤中的氮熱分解時在揮發(fā)分和焦碳中分配的比例及各自的成分有關(guān),還與氧的質(zhì)量濃度、燃燒溫度相關(guān)。正常情況下燃料型占比為70%左右。

        2.2 熱力型NO x

        空氣中N2在高溫?zé)煔庵信c氧氣發(fā)生反應(yīng)生成熱力型NOx,其生成量與溫度密切相關(guān),在1 400℃以下,熱力型NOx生成量很少,但隨著溫度的上升,熱力型NOx生成量迅速增加。

        2.3 快速型NO x

        燃燒過程中生成的CH原子團撞擊N2分子,生成HCN類化合物再氧化,由于這個反應(yīng)過程速度較快,因此稱為快速型NOx。其反應(yīng)化學(xué)式如下:

        溫度對快速型NOx的生成影響很小,與熱力型和燃料型NOx的生成量相比,快速型NOx的生成量要少得多。

        3 NO x生成影響因素

        3.1 爐膛溫度

        NOx生成量隨溫度變化關(guān)系如圖2所示。隨著爐膛溫度的變化,在不同溫度區(qū)間下,NOx的生成總量中熱力型NOx與燃料型NOx的比例在1 400℃后發(fā)生明顯變化,1 400℃以上熱力型NOx的生成量快速增加。

        圖2 NO x生成量隨溫度變化關(guān)系

        3.2 燃燒區(qū)域氧量

        調(diào)節(jié)主燃燒區(qū)域的風(fēng)煤比例,對減少燃料型NOx的生成有很大幫助,送風(fēng)量與煤量直接相關(guān),控制投入制粉區(qū)域燃燒器的二次風(fēng)量,可顯著減少燃料型NOx生成量。

        送風(fēng)量增加時,NOx生成量會增加。鍋爐是平衡通風(fēng),送風(fēng)量增大時煙氣流速必然加快,此時煙氣與脫硝反應(yīng)器的反應(yīng)時間必然變短,導(dǎo)致脫硝效率變低;同時在相同的配風(fēng)方式情況下,增加氧量,主燃燒區(qū)域的還原性氣氛必然降低,導(dǎo)致NOx生成量增加。

        3.3 煤質(zhì)

        揮發(fā)分較高時,會較快得消耗燃燒區(qū)域的氧氣,有利于形成還原性氣氛,減少NOx的生成量。隨著煤泥摻燒比例的增大,燃燒區(qū)域的可燃物比例降低,必然導(dǎo)致燃燒區(qū)域的風(fēng)煤比增加,此時,將增加NOx的生成量。

        4 關(guān)于脫硝控制優(yōu)化的改進

        4.1 根據(jù)實際煤量及時調(diào)節(jié)運行燃燒器二次風(fēng)開度

        目前沁北電廠#5機組5臺制粉系統(tǒng)及6臺制粉系統(tǒng)運行時二次風(fēng)開度在70%。根據(jù)煤量對二次風(fēng)進行調(diào)節(jié),研究中發(fā)現(xiàn),在維持其他參數(shù)不變的情況下,嘗試在同工況下進行二次風(fēng)調(diào)整試驗,分別將下層二次風(fēng)開至100%、中層二次風(fēng)開至100%、上層二次風(fēng)開大100%,進行數(shù)據(jù)對比實驗,驗證不同二次風(fēng)開度對脫銷反應(yīng)器入口NOx生成量變化的影響。

        前后墻對沖燃燒950 MW負荷6臺制粉系統(tǒng)運行實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1前后墻對沖燃燒950MW負荷6臺制粉系統(tǒng)運行實驗數(shù)據(jù)

        表1(續(xù))

        該工況下,單獨開大任意運行制粉系統(tǒng)二次風(fēng)擋板會增大燃燒區(qū)風(fēng)煤比,減弱主燃燒區(qū)的還原氛圍,會提高NOx生成量,但是影響幅度不大(影響幅度受燃盡風(fēng)和停運二次風(fēng)開度占比影響),實驗數(shù)據(jù)變化僅100 mg/m3左右。

        實際運行中可以根據(jù)燃燒情況調(diào)節(jié)運行層二次風(fēng),但配風(fēng)量過少時,會導(dǎo)致CO的含量極劇增加,此時煤炭的灰熔點將明顯降低,從而加大爐膛結(jié)焦的可能性,此時由于燭燃燒區(qū)域的供氧量少,會導(dǎo)致鍋爐效率下降,燃燒長度變長,容易導(dǎo)致爐膛正上方的屏超溫,目前#5爐屏過蒸汽溫度超溫頻繁,#5爐水冷壁區(qū)域結(jié)焦情況嚴(yán)重。

        4.2 制粉系統(tǒng)晚啟早停且大煤量運行

        從調(diào)節(jié)主燃燒區(qū)域風(fēng)煤比的角度出發(fā),以沁北電廠#5機組常見的減負荷工況為例:減負荷過程中,隨著制粉系統(tǒng)平均煤量不斷減少,NOx生成量逐漸增加,說明在不改變制粉系統(tǒng)運行方式、數(shù)量相同、配風(fēng)方式不變的情況下,燃燒層煤量越多,NOx生成量越少;3臺制粉系統(tǒng)運行時,NOx生成量快速減少,這是由于制粉系統(tǒng)的運行方式改變,同時制粉系統(tǒng)平均煤量變化;機組調(diào)峰期間,煤量減少,氧量增加,同時低負荷期間由于機組屏過蒸汽溫度偏差,關(guān)小鍋爐后墻停運層二次風(fēng)以及A側(cè)燃盡風(fēng)擋板,NOx生成量反而快速增加。

        關(guān)小燃盡風(fēng)及停運的上層二次風(fēng)擋板,脫硝反應(yīng)器入口NOx增加明顯,原因是燃盡風(fēng)對于高溫?zé)煔鈦碚f是冷風(fēng),大量投入燃盡風(fēng)可在爐膛沿高度方向大部分范圍內(nèi)降低爐膛溫度,溫度高于1 400℃的區(qū)域為熱力型NOx生成的主要區(qū)域,燃燼風(fēng)擋板開大可降低沿?zé)煔饬鲌龇较蛏系膮^(qū)域溫度,有利于減少熱力型NOx的生成量,但是爐膛的風(fēng)量是一定的,燃盡風(fēng)擋板開度開度過大,導(dǎo)致火焰下部燃燒不充分,溫度降低,鍋爐效率必然下降。

        4.3 加強燃燒器的檢修維護工作

        沁北電廠#5機組上層燃燒器磨損較為嚴(yán)重,上層燃燒器的位置較高,在新能源快速發(fā)展的今天,火力發(fā)電廠調(diào)峰頻繁,日平均負荷逐漸下降,因此上層制粉系統(tǒng)啟動的時間越來越短,根據(jù)爐膛的正常溫度分布,上層燃燒器所處環(huán)境煙氣溫度遠高于中下層,因此損壞的概率較大,建議在檢修期間針對性地修復(fù)燒損嚴(yán)重的燃燒器,增加停運制粉系統(tǒng)的冷卻風(fēng)量,控制NOx質(zhì)量濃度。

        4.4 加強對煤泥制粉系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

        目前火電廠因為運行成本問題導(dǎo)致煤泥摻燒比例增大,而煤泥中可燃物燃燒難度較大,因此在煤泥層燃燒器中大量投入二次風(fēng),必然會導(dǎo)致該層風(fēng)煤比燃燒過大,導(dǎo)致NOx生成量增加,因此運行中可增加煤泥制粉系統(tǒng)的二次隨煤量,但可比非煤泥制粉系統(tǒng)適當(dāng)少一些,以減少NOx生成。

        4.5 加強脫硝反應(yīng)器的設(shè)備維護及檢修工作

        在正常的鍋爐運行工況中,催化劑的反應(yīng)效果受多方面因素影響。根據(jù)現(xiàn)場試驗等調(diào)節(jié)各個分區(qū)的噴氨氣調(diào)門或者手門開度,保證反應(yīng)器上無大部分反應(yīng)死區(qū),從而防止氨逃逸。

        沁北電廠使用了最新的INFIT控制系統(tǒng),保證環(huán)保參數(shù)不超標(biāo),邏輯控制中存在一定過調(diào)情況,應(yīng)當(dāng)優(yōu)化INFIT系統(tǒng)的相關(guān)邏輯,保證噴氨自動控制,防止人為手動大幅度調(diào)整。INFIT投入煙囪模式自動控制情況下,煙囪入口NOx質(zhì)量濃度達到45 mg/m3以上時,調(diào)門會陡然開大,雖能保證環(huán)保指標(biāo),但會導(dǎo)致噴氨量突增,為防止噴氨調(diào)門出現(xiàn)這樣的波動,一般會人為將NOx設(shè)定值控制在43 mg/m3以下,這樣無形減弱了機組自動調(diào)節(jié)潛力,應(yīng)將NOx質(zhì)量濃度達到45 mg/m3噴氨調(diào)門突開改為NOx質(zhì)量濃度達到55 mg/m3時噴氨調(diào)門突開,或者修改上述邏輯中調(diào)門開啟速率,防止噴氨量大幅度變化,減少過量氨氣噴入。

        凈煙氣分析儀的價格昂貴,但隨著運行時間增加,分析儀類似零飄等問題頻繁發(fā)生,系統(tǒng)測點失準(zhǔn)會導(dǎo)致脫銷系統(tǒng)過量噴氨,因此應(yīng)加強脫銷參數(shù)分析儀的維護保養(yǎng)工作,運行人員應(yīng)加強對脫銷氨逃逸量的監(jiān)視,同時對比兩側(cè)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度與煙囪入口NOx質(zhì)量濃度含量,發(fā)現(xiàn)脫銷系統(tǒng)參數(shù)異常及時處理,保證機組噴氨量正常。

        5 結(jié)語

        從運行調(diào)整方面控制NOx生成量,加大設(shè)備維護力度保證脫硝系統(tǒng)可靠運行同樣重要。NOx控制必須兼顧燃燒穩(wěn)定性,鍋爐穩(wěn)燃是機組運行的基石,排除設(shè)備因素,大部分降低NOx的控制方式往往與加強穩(wěn)燃的控制方式存在矛盾點,運行過程中應(yīng)加強分析總結(jié),力爭找到最佳的平衡點以實現(xiàn)雙贏。

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