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        探究通過燃燒調(diào)整降低NOx及飛灰含碳量的方法

        2022-11-23 13:05:15袁堯
        能源與環(huán)境 2022年1期
        關(guān)鍵詞:含碳量飛灰鋼球

        袁堯

        (福能(貴州)發(fā)電有限公司 貴州六盤水 553400)

        1 概述

        福能(貴州)發(fā)電有限公司為2×660 MW 超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組,鍋爐為超臨界參數(shù)、“W”型火焰燃燒、變壓運(yùn)行直流鍋爐[1]。制粉系統(tǒng)采用雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)正壓冷一次風(fēng)直吹式制粉系統(tǒng)。煤粉細(xì)度按R90=8%、均勻性指數(shù)n=1.0 設(shè)計(jì)[2]。

        鍋爐為“W”型火焰燃燒方式,采用分級(jí)送風(fēng)的二次風(fēng)箱,風(fēng)箱劃分為24 個(gè)獨(dú)立的配風(fēng)單元,每個(gè)配風(fēng)單元由上部風(fēng)箱和下部風(fēng)箱兩部分組成。上部風(fēng)箱負(fù)責(zé)拱上配風(fēng),由A、B、C 擋板控制;下部風(fēng)箱負(fù)責(zé)拱下配風(fēng),分為兩層,由D、F 擋板控制。為實(shí)現(xiàn)鍋爐的低NOx 排放,前、后墻水冷壁還布置有26 個(gè)燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器,前、后墻各13 個(gè)[3]。

        由于煤炭市場變化,入爐煤煤質(zhì)發(fā)生較大變化,原性能優(yōu)化調(diào)整方案已不能滿足當(dāng)前煤質(zhì)的要求。為此,通過對#2 鍋爐進(jìn)行性能優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn),掌握“W”型鍋爐的運(yùn)行特性,為進(jìn)一步提高鍋爐運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性,以及為#1、#2 鍋爐的日常運(yùn)行操作調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

        2 現(xiàn)狀

        現(xiàn)煤質(zhì)情況較原性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)使用煤質(zhì)發(fā)生較大變化,主要原因?yàn)闇p少入爐煤煙煤摻配。干燥無灰基揮發(fā)分由17.18%下降至11.53%;收到基灰分基本持平,為39.26%;低位發(fā)熱量基本持平,為16 705 kJ/kg。

        在機(jī)組600 MW 負(fù)荷試驗(yàn)工況下:總煤量295 t/h>278 t/h(設(shè)計(jì)值);運(yùn)行氧量(省煤器出口)3.0%<3.5%(設(shè)計(jì)值);飛灰含碳量5.38%>3.50%(設(shè)計(jì)值);NOx 生成濃度922 mg/Nm3>650 mg/Nm3(設(shè)計(jì)值);NOx 排放濃度175 mg/Nm3;煤粉細(xì)度(R90)7.8%<8.0%。煤粉細(xì)度雖滿足設(shè)計(jì)要求,但參考《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則》[2],煤粉細(xì)度R90 應(yīng)小于0.5 倍揮發(fā)分,按當(dāng)前煤質(zhì)需滿足R90≤5.85%,煤粉細(xì)度不滿足要求。

        3 問題提出及分析

        (1)飛灰含碳量高,機(jī)械不完全燃燒熱損失達(dá)3.87%,超設(shè)計(jì)值1.37 個(gè)百分點(diǎn)。主要原因?yàn)椋孩倜悍奂?xì)度不滿足要求,燃盡困難;②煤粉下沖深度不足,未進(jìn)入下爐膛,火焰中心上移,燃燒行程短;③煤粉著火困難,煤粉燃燒過程推遲。

        (2)NOx 生成濃度高,超出SCR 設(shè)計(jì)脫除量,限制機(jī)組帶負(fù)荷能力,同時(shí)伴隨氨逃逸高,影響空預(yù)器運(yùn)行安全。主要原因?yàn)椋孩俟跋滦l(wèi)燃帶區(qū)域富氧燃燒;②燃燒過程推遲或火焰中心上移,燃盡區(qū)溫度高,未達(dá)到燃燒后期補(bǔ)充氧量降低NOx 生成量的目的。

        4 燃燒影響因素及調(diào)整優(yōu)化

        4.1 煤粉細(xì)度

        改善煤粉細(xì)度,著重調(diào)整磨煤機(jī)鋼球裝載量及鋼球級(jí)配。煤粉細(xì)度R200=0.19%,超出設(shè)計(jì)要求R200<0.10%,判斷為磨煤機(jī)破碎出力不足。嘗試添加Ф70 mm 中鉻鋼球,提高磨煤機(jī)破碎出力;同時(shí)增加部分Ф30 mm 中鉻鋼球,增加研磨出力。#2 鍋爐本輪優(yōu)化增加鋼球裝載量55 t,其中Ф70 mm 鋼球17 t,Ф50 mm 鋼球17 t,Ф30 mm 鋼球21 t(根據(jù)B 修鋼球篩選結(jié)果,Ф40 mm 鋼球比例達(dá)50%,本輪未添加)。

        在優(yōu)化磨煤機(jī)鋼球裝載量的同時(shí),試驗(yàn)?zāi)ッ簷C(jī)料位對煤粉細(xì)度的影響。在C、D 磨煤機(jī)出力保持50 t/h~55 t/h、控制料位分別為400 Pa、600 Pa、800 Pa 時(shí),煤粉細(xì)度(R90)分別為6.70%、4.70%、6.95%。運(yùn)行中保持磨煤機(jī)料位600 Pa,煤粉細(xì)度為佳。

        對D 磨煤機(jī)分離器一、二級(jí)折向擋板進(jìn)行試驗(yàn),設(shè)計(jì)9 種擋板開度組合(一級(jí)-二級(jí)開度):(60°-30°、60°-20°、60°-10°、45°-30°、45°-20°、45°-10°、30°-30°、30°-20°、30°-10°)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著分離器一、二級(jí)擋板開度的減小,煤粉細(xì)度R90、R200 均先減小后增加,最優(yōu)組合為一級(jí)折向擋板45°、二級(jí)折向擋板20°。分析原因?yàn)殡S折向擋板開度減小,折向擋板前后差壓上升,部分煤粉氣流在折向擋板后邊緣脫落,不能有效增加周向速度,分離性能下降。

        通過制粉系統(tǒng)優(yōu)化,煤粉細(xì)度得到改善,煤粉細(xì)度滿足R200<0.10%、R90<6.00%、均勻性指數(shù)≥1.1;同時(shí)磨煤機(jī)相同出力(50 t/h~55 t/h)情況下,一次風(fēng)粉管風(fēng)速下降,由改善前27 m/s,下降至23 m/s,煤粉濃度上升,利于煤粉爐內(nèi)著火。

        4.2 過量空氣系數(shù)

        過量空氣系數(shù)增加,飛灰含碳量下降,排煙損失增加,NOx生成濃度增加。為體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性,飛灰含碳量折算為機(jī)械不完全熱損失,以兩項(xiàng)總損失作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)。

        在負(fù)荷600 MW、省煤器出口氧量分別為3.36%、2.80%、2.62%時(shí),兩項(xiàng)總損失分別為:8.88%、10.09%、10.24%。試驗(yàn)表明,隨過量空氣系數(shù)上升,兩項(xiàng)總損失下降。但隨過量空氣系數(shù)上升,NOx 生成濃度上升明顯,超出SCR 設(shè)計(jì)上限800 mg/Nm3,氨氮摩爾比達(dá)1.04,大于設(shè)計(jì)值0.866,氨逃逸超標(biāo),存在堵塞空預(yù)器風(fēng)險(xiǎn)。通過提高過量空氣降低飛灰含碳量的前提,必須控制NOx 生成濃度。運(yùn)行中NOx 生成濃度未超標(biāo)(NOx 生成濃度<750 mg/Nm3),按省煤器出口氧量3.5%~4.0%進(jìn)行控制。

        4.3 一次風(fēng)旋流強(qiáng)度

        降低一次風(fēng)旋流強(qiáng)度,增加一次風(fēng)剛性,增加煤粉進(jìn)入下爐膛深度,火焰中心下降,燃燒行程增加,對減低飛灰含碳及NOx 生成濃度均有利,但可能影響一次風(fēng)卷吸高溫?zé)煔饽芰?,不利于煤粉著火。試?yàn)變量為消旋桿插入深度,全部提起為0,全部插入為100%。

        在負(fù)荷600 MW、插入深度分別為100%、80%、60%、40%時(shí),飛灰含碳量分別為4.10%、4.50%、4.70%、5.20%,NOx 生成濃度分別為725 mg/Nm3、776 mg/Nm3、845 mg/Nm3、881 mg/Nm3。

        試驗(yàn)表明,隨一次風(fēng)剛性增強(qiáng),火焰中心下移,燃燒行程增加,利于降低飛灰含碳量及NOx 生成濃度,消旋桿全部插入為宜。

        4.4 乏氣風(fēng)開度

        根據(jù)理論分析,乏氣風(fēng)開大,煤粉濃度增加,著火提前,利于降低飛灰含碳損失及NOx 生成濃度;但煤粉剛性減弱,燃燒行程縮短。

        在負(fù)荷600 MW、乏氣風(fēng)擋板開度分別為0、20%、35%、50%時(shí),飛灰含碳量分別為3.88%、4.29%、4.38%、4.45%,NOx 生成濃度分別為752 mg/Nm3、832 mg/Nm3、850 mg/Nm3、914 mg/Nm3。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,乏氣風(fēng)開度增加,飛灰含碳量及NOx 生成濃度均上升。分析主要原因?yàn)椋弘S主燃燒器煤粉濃度增加,但乏氣風(fēng)與主燃燒器距離過近,分離后再次混合,不能達(dá)到增加煤粉濃度的目的,造成一次風(fēng)剛性明顯下降。運(yùn)行中,保持乏氣風(fēng)全關(guān)為宜。

        4.5 D 擋板開度

        D 擋板風(fēng)量較小,與拱部離開適當(dāng)距離布置,避免二次風(fēng)與煤粉氣流過早混和。D 擋板風(fēng)量增加,燃燒初期氧量增加,燃燒處于氧化性環(huán)境,NOx 生成濃度增加,飛灰含碳量降低。

        在負(fù)荷600 MW、D 擋板開度分別為10%、20%、40%、60%時(shí),飛灰含碳量分別為4.30%、4.40%、4.60%、4.60%,NOx 生成濃度分別為776 mg/Nm3、811 mg/Nm3、890 mg/Nm3、945 mg/Nm3。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,D 擋板開度增加,NOx 生成濃度快速增加,飛灰含碳量小幅上升。分析飛灰含碳量上升的主要原因?yàn)椋涸谙龡U全部插入下情況下,一次風(fēng)剛性增加,使得一次風(fēng)與D風(fēng)靠近,D 風(fēng)開大影響一次風(fēng)下沖深度,有抬升火焰中心的作用,燃燒行程縮短。而NOx 快速上升的原因?yàn)椋阂淮物L(fēng)下行深度增加,D 風(fēng)混入過早,未形成分級(jí)燃燒,同時(shí)抬升火焰中心,燃盡區(qū)溫度升高。運(yùn)行中保留最小冷卻風(fēng)量10%為宜。

        4.6 C 擋板開度

        C 風(fēng)作為油槍助燃風(fēng),考慮C 風(fēng)與一次風(fēng)平行。增加C風(fēng),利于提高一次風(fēng)剛性,降低火焰中心,但燃燒初期氧量增加,NOx 生成濃度增加。

        在負(fù)荷550 MW、C 風(fēng)擋板開度分別為10%、20%、30%、40%、50%,調(diào)節(jié)F 風(fēng),維持二次風(fēng)箱壓力穩(wěn)定時(shí),飛灰含碳量分別為3.28%、4.43%、5.13%、5.30%、4.30%,NOx 生成濃度分別為781 mg/Nm3、811 mg/Nm3、832 mg/Nm3、856 mg/Nm3、848 mg/Nm3。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,C 風(fēng)增加,NOx 生成濃度增加,但飛灰量先增加后略降。分析原因?yàn)?,增加C 風(fēng)的同時(shí),為維持二次風(fēng)箱差壓,減少F 風(fēng)量,F(xiàn) 風(fēng)風(fēng)口裝設(shè)下傾30°導(dǎo)流板,引導(dǎo)一次風(fēng)下沖,F(xiàn) 風(fēng)量減少,向下引流效果下降。而C 風(fēng)風(fēng)速小于一次風(fēng)風(fēng)速,不能增加一次風(fēng)剛性,造成火焰中心上移,C 風(fēng)開度大于50%后,C 風(fēng)風(fēng)速增加,增加一次風(fēng)剛性。運(yùn)行中保留最小冷卻風(fēng)量10%為宜。

        4.7 燃盡風(fēng)占比

        通過調(diào)整燃盡風(fēng)門開度,調(diào)整拱上拱下風(fēng)占比,從而達(dá)到分級(jí)燃燒的目的。但F 風(fēng)減少,拱下缺氧燃燒,煤粉燃盡困難,同時(shí)向下引流作用減弱,燃燒行程縮短,進(jìn)一步引起飛灰含碳量增加。

        在負(fù)荷500 MW、燃盡風(fēng)占比分別為5%、10%、15%、20%時(shí),飛灰含碳量分別為3.53%、3.82%、4.40%、4.70%,NOx 生成濃度分別為889 mg/Nm3、811 mg/Nm3、765 mg/Nm3、713 mg/Nm3。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,燃盡風(fēng)占比上升,NOx 生成濃度下降,飛灰含碳量上升,與理論分析一致。運(yùn)行中,在滿足脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的情況下(NOx 生成濃度<750 mg/Nm3),減少燃盡風(fēng)占比,降低飛灰含碳量。但燃盡風(fēng)占比不高于20%,避免拱下嚴(yán)重缺氧,引起爐膛嚴(yán)重結(jié)焦,影響機(jī)組安全運(yùn)行。

        5 結(jié)論

        本次燃燒優(yōu)化調(diào)整,主要解決高負(fù)荷飛灰含碳量及NOx生成濃度均高的問題。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn),總結(jié)出一系列燃燒調(diào)整經(jīng)驗(yàn):經(jīng)燃燒調(diào)整優(yōu)化后,機(jī)組600 MW 工況下,飛灰含碳量由5.38%下降至3.40%;機(jī)械不完全損失由3.82%下降至2.73%;NOx 生成濃度由922 mg/Nm3下降至721 mg/Nm3。折算降低發(fā)電煤耗3.2g/kWh,按全年發(fā)電量66 億kWh 計(jì)算,全年可節(jié)約燃煤消耗2.1 萬t 標(biāo)煤,減少尿素消耗1 415 t/a。

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