鍋爐低氮燃燒器改造后存在問(wèn)題與對策探討

 

當前，我國霧霾防治形勢逼人，盡管霧霾產(chǎn)生的成因尚未完全研究清晰，但在社會(huì )輿論的壓力和國家日益嚴格的節能減排政策面前，電力行業(yè)節能減排的壓力不斷增大，而燃煤發(fā)電機組在相當長(cháng)的一段時(shí)期內仍然是我國發(fā)電行業(yè)中的主力，對于環(huán)保部*新頒布的《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標準》（GB13223-2011），即從2014年7月1日起，現有火力發(fā)電鍋爐要達到標準規定的排放限值，燃煤發(fā)電企業(yè)紛紛進(jìn)行環(huán)保設施的改造，如鍋爐低氮燃燒器的改造，改造后降低NOx的排放取得較好效果，但也給鍋爐安全、穩定和經(jīng)濟運行帶來(lái)了一定的影響。

 

 

國內外已對NOx的危害、燃煤發(fā)電燃燒過(guò)程中NOx的生成機理和降低NOx技術(shù)進(jìn)行了較為充分的研究，可分為三種[1]：熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx；其中，燃料型NOx約占80-90%，是各種低NOx技術(shù)控制的主要對象；其次是熱力型，主要是由于爐內局部高溫造成，快速型NOx生成量很少。NOx的控制方法可分為燃燒前處理、燃燒中處理和燃燒后處理。燃燒前脫氮主要是在燃燒前將燃料轉化為低氮燃料，技術(shù)復雜，難度大，成本高，目前僅限于研究階段；燃燒中脫氮主要有：一是抑制燃燒中NOx的形成，二是還原已形成的NOx；燃燒后脫氮主要是指煙氣脫硝：包括選擇性催化還原法、選擇性非催化還原法等。

 

目前被大家公認，并已在各燃煤機組鍋爐上廣為應用的降NOx方法，主要是燃燒中脫氮的低氮燃燒技術(shù)加燃燒后脫氮的煙氣脫硝技術(shù)；燃燒中脫氮是根據NOx的生成機理采取的低氮燃燒技術(shù)主要是：低氧燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)等，該技術(shù)的主要機理就是將燃燒器通過(guò)縱向布置形成氧化還原、主還原、燃盡三區，對于四角切圓燃燒鍋爐還可通過(guò)橫向雙區布置形成近壁區和中心區兩個(gè)區域，從而實(shí)現燃料與配風(fēng)在爐膛內分區、分級、低溫、低氧燃燒，降低煤粉燃燒過(guò)程中NOx生成量。從2011年至今，該低氮燃燒技術(shù)在全國的燃煤鍋爐上大范圍應用，通過(guò)改造和運行優(yōu)化，NOx減排量可達30%—70%，對于四角切圓燃燒鍋爐NOx的排放濃度可由原來(lái)的400-600mg/m3降為200mg/m3以?xún)?，對沖燃燒鍋爐NOx的排放濃度可由原來(lái)的500-700mg/m3降為370mg/m3以?xún)龋?ldquo;W”火焰燃燒鍋爐NOx的排放濃度[3]可由原來(lái)的1100-1300mg/m3降為800mg/m3以?xún)?。目前，局限于低氮燃燒技術(shù)研究和發(fā)展，且該技術(shù)很短時(shí)期內在在運鍋爐上快速、集中、大量的應用后，其技術(shù)尚未來(lái)得及進(jìn)行消化吸收、優(yōu)化改進(jìn)等，筆者針對產(chǎn)生的問(wèn)題和應對措施進(jìn)行探討。

 

 

從低氮燃燒技術(shù)在大量電站燃煤鍋爐應用實(shí)踐證明，降NOx有效且明顯，但鍋爐由于燃用煤種不同，其爐型也不同，NOx的排放水平也不同，低氮燃燒技術(shù)在不同爐型上應用后減排效果和產(chǎn)生的問(wèn)題也不同；其中，四角切圓燃燒鍋爐其本身的NOx的排放水平*低，改造后NOx減排效果*好，產(chǎn)生的其它影響也*小，對沖燃燒鍋爐次之，“W”火焰燃燒鍋爐*差。具體產(chǎn)生的問(wèn)題和原因分析如下：

 

3.1灰、爐渣可燃物增加，爐效下降

 

低氮燃燒器改造后，雖然NOx降幅很大，但即使在燃用同一煤種時(shí)，飛灰可燃物升幅也較大。主要是低氮燃燒技術(shù)采用低溫、低氧燃燒，主燃區的溫度下降較多，控制和推遲煤粉的著(zhù)火,并降低著(zhù)火區的氧量，使煤粉燃燼能力下降，燃燒過(guò)程延長(cháng)，飛灰和爐渣可燃物增大。有的改造時(shí)，改變了燃燒器一、二次風(fēng)噴口和燃盡風(fēng)噴口的面積，造成二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合延遲，不利于煤粉氣流的著(zhù)火和燃燒。根據已改造鍋爐試驗數據表明，對于四角切圓燃燒鍋爐飛灰可燃物升幅為0.5—1個(gè)百分點(diǎn)，對沖燃燒鍋爐飛灰可燃物升幅為1—1.5個(gè)百分點(diǎn)，“W”火焰燃燒鍋爐飛灰可燃物升幅為2—4個(gè)百分點(diǎn)，影響鍋爐效率下降0.4—1.6個(gè)百分點(diǎn)。

 

3.2蒸汽參數偏離設計值，過(guò)、再熱減溫水量增加，屏過(guò)或再熱器超溫

 

鍋爐采用空氣分級低氮燃燒技術(shù)改造后，一方面，燃燒延遲，火焰中心上移，爐膛出口煙溫上升，鍋爐的過(guò)熱汽溫、再熱汽溫上升，對于原來(lái)存在過(guò)熱汽溫、再熱汽溫超設計值的問(wèn)題則加劇，過(guò)、再熱減溫水量增加。而另一方面，主燃區溫度降低，爐內溫度分布更加均勻，對于原來(lái)爐膛水冷壁的沾污結渣情況嚴重的則會(huì )改善，水冷壁吸熱增加，爐膛出口煙溫降低，過(guò)熱器溫升、再熱器溫升下降，對于原來(lái)存在過(guò)熱汽溫、再熱汽溫低的問(wèn)題則更達不到超設計值。

 

低氮燃燒技術(shù)改造后，產(chǎn)生鍋爐過(guò)熱器減溫水量增大的問(wèn)題較多，因為煤粉燃燒過(guò)程延長(cháng)，加之采用的燃盡風(fēng)，爐膛出口煙氣溫度升高；同時(shí)爐膛溫度下降，爐膛水冷壁輻射吸熱量減少，對流受熱面的吸熱份額增加，導致過(guò)熱器減溫水量增加。

 

3.3爐內燃燒工況變差，配煤、配風(fēng)、穩燃性能下降

 

因采用低溫、低氧燃燒，爐膛溫度下降，煤粉在低溫缺氧情況下著(zhù)火推遲,同時(shí)燃燼能力下降，爐內燃燒工況較改造前變差，改造前原采用的配煤、配風(fēng)方式很大程度上不適用，對鍋爐的蒸汽參數、飛灰爐渣、排煙溫度、熱工品質(zhì)等指標產(chǎn)生新的影響，同時(shí)鍋爐低負荷穩燃能力下降。

 

3.4熱工自動(dòng)控制性能下降，蒸汽參數波動(dòng)大，機組AGC響應速率慢

 

低氮燃燒器改造后，在同一煤種下同負荷下，由于燃料在爐內燃燒反應減緩，各級受熱面的煙溫分布和吸熱量發(fā)生變化，具體表現有，熱工自動(dòng)控制遲緩和過(guò)調現象明顯增加，導致蒸汽參數波動(dòng)大；對于一些區域，對機組AGC響應速率要求較高，往往出現AGC響應速率遲緩，不能滿(mǎn)足電網(wǎng)的要求。主要原因是熱工的控制系統定值、控制曲線(xiàn)沒(méi)有進(jìn)行相應的優(yōu)化調整，如：原靜態(tài)、動(dòng)態(tài)負荷—煤量控制曲線(xiàn)，制粉系統冷、熱風(fēng)門(mén)解耦控制系統，減溫水自動(dòng)控制系統；一次調頻鍋爐主控前饋系統。

 

3.5燃燒器上部水冷壁區域高溫腐蝕加劇，過(guò)熱器產(chǎn)生結焦

 

鍋爐水冷壁高溫腐蝕現象在對沖燃燒和“W”火焰燃燒鍋爐上較為突出，主要是燃燒器區水冷壁存在著(zhù)較強的還原性氣氛如CO、H2S等，燃燒區域氧含量在2%以下會(huì )產(chǎn)生大量CO，由于低氮燃燒其中采用了低氧燃燒，勢必會(huì )使增加CO的產(chǎn)生，加劇水冷壁區域高溫腐蝕。

 

因增加了高位燃盡風(fēng)，在總風(fēng)量不變的情況下，二次風(fēng)量減小，導致煤粉缺氧燃燒，一次風(fēng)與二次風(fēng)摻混時(shí)間都發(fā)生推遲,使得爐內煤粉燃燒過(guò)程拉長(cháng)，爐膛火焰中心上移,相應爐膛出口煙溫升高，未能燃燼的成分隨氣流上升到上部區域與燃盡風(fēng)等強烈混合，在此區域開(kāi)始劇烈燃燒，造成此區域溫度高，容易引起過(guò)熱器超溫、結焦和積灰。

 

3.6鍋爐煤種適應性變差

 

低氮燃燒器改造后，經(jīng)過(guò)燃燒優(yōu)化調整，在一定程度上能使NOx的排放水平和鍋爐經(jīng)濟性取得較好匹配，但鍋爐燃用煤種發(fā)生變化后，原先鍋爐經(jīng)濟指標和環(huán)保指標的平衡關(guān)系旋即被打破，如：高熱值、高揮發(fā)分煤種時(shí)，NOx的排放濃度雖略有增加但較易調整控制，也伴隨著(zhù)出現燃燒器噴口易結焦、過(guò)熱器易超溫、過(guò)熱減溫水量增加等現象；當燃用劣質(zhì)煤或水分偏大的煤種時(shí),NOx的排放濃度雖略有降低但調整控制較困難，特別是上層燃燒器煤質(zhì)較差時(shí),再熱器超溫情況明顯增加等。

 

 

目前，燃煤電廠(chǎng)鍋爐低氮燃燒技術(shù)尚未全部完成改造，同時(shí)該技術(shù)的應用中出現的問(wèn)題正逐漸暴露，根據已發(fā)現問(wèn)題，研究對策如下：

 

4.1改造前的充分評估

 

鍋爐的排放指標尤其是NOx的排放濃度與煤種、鍋爐選型、燃燒器型式密切相關(guān)，對于在運鍋爐，爐型已確定，但由于近年來(lái)，燃煤電廠(chǎng)為了增加營(yíng)利能力和應對多變電煤的市場(chǎng)，鍋爐燃用的煤質(zhì)大多進(jìn)行摻混且劣于原設計煤種，因此低氮燃燒技術(shù)改造前，首先應充分評估鍋爐現有主要燃用煤種和常用煤種，在改造可行性論證中由于煤種選定不當造成改造后NOx減排效果不明顯并產(chǎn)生新的問(wèn)題的不乏其數，其次是對在運鍋爐進(jìn)行摸底試驗，充分評估鍋爐運行中存在的燃燒性能、蒸汽參數、受熱面壁溫、結焦結渣、運行調整、熱工自動(dòng)等方面的問(wèn)題，提出科學(xué)合理改造預期目標，權衡鍋爐經(jīng)濟指標和環(huán)保指標，并通過(guò)改造有效改善現有存在的問(wèn)題。

 

4.2科學(xué)的燃燒運行優(yōu)化調整

 

鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造后，燃燒器的型式已確定，但對于不同的煤種，燃燒條件的不同、鍋爐負荷的不同、燃燒溫度的變化、所需的空氣量不同，NOx的生成量將會(huì )變化，所以鍋爐運行方式將起主導作用，因此降低NOx排放量的主要措施是燃燒優(yōu)化調整，并且在滿(mǎn)足環(huán)保排放要求的前提下要*大程度兼顧運行經(jīng)濟性。具體措施如下：

 

4.2.1爐內分層配煤混燒

 

結合鍋爐的配煤摻燒，在兼顧排放濃度、穩燃等方面條件下*大程度消化經(jīng)濟煤種，建議煙煤宜在配置下層燃燒器保鍋爐穩燃；褐煤揮發(fā)分高宜配置在中間層燃燒器低氧燃燒可控制NOx的產(chǎn)生；貧煤宜配置在上層燃燒器有利于著(zhù)火和二次分級燃燒。同時(shí)各磨煤機應根據不同煤種確定其合理的經(jīng)濟煤粉細度。

 

4.2.2根據煤種、負荷配風(fēng)

 

額定負荷工況下，煙煤揮發(fā)分高在下層燃燒器主要用于穩燃，宜配中等風(fēng)，如配以大風(fēng)量則不利于控制NOx的產(chǎn)生和整個(gè)爐內的低氧燃燒；褐煤若配以大風(fēng)量則NOx的生成量較大，宜少配風(fēng)；貧煤、無(wú)煙煤揮發(fā)分低，為確保燃燼宜多配風(fēng)?？紤]穩燃、低氧、分級，配風(fēng)方式宜采用縮腰倒寶塔型，即：下層風(fēng)門(mén)開(kāi)度30-50%，中間風(fēng)門(mén)開(kāi)度不宜小于10%，上層風(fēng)門(mén)開(kāi)度50-70%，不建議SOFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度長(cháng)期在100%。當負荷降低時(shí)，在保證穩燃的基礎上經(jīng)濟煤種摻配比例可增大，對控制NOx的產(chǎn)生有利。

 

4.2.3優(yōu)化控制鍋爐運行氧量

 

燃料在鍋爐燃燒中氧量的大小的控制，不僅影響鍋爐運行的經(jīng)濟性，更為重要的是對NOx產(chǎn)生的控制起著(zhù)決定性作用；鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造后，更應對低氧燃燒有明確

 

的認識，額定負荷工況下，燃用貧煤、無(wú)煙煤爐膛氧量宜控制在3.5-4%，燃用煙煤爐膛氧量宜控制在2.5-3%，燃用褐煤爐膛氧量宜控制在2%，低負荷運行時(shí)爐膛氧量宜在基礎上增加1%。

 

4.2.4優(yōu)化熱工自動(dòng)控制

 

鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造后，燃料在爐內燃燒過(guò)程相對延緩和延長(cháng)，熱工的控制系統定值、控制曲線(xiàn)應做相應的優(yōu)化調整。在改造后鍋爐實(shí)際運行情況中發(fā)現，在機組增加負荷時(shí)，風(fēng)量調節明顯滯后于煤量的變化，汽溫快速升高；減負荷時(shí)，煤量調節明顯滯后于風(fēng)量的變化，汽溫快速下降；存在主汽壓力和主再熱汽溫大幅波動(dòng)的現象，氧量自動(dòng)的投入明顯不協(xié)調。因此，應優(yōu)化原靜態(tài)、動(dòng)態(tài)負荷—煤量控制曲線(xiàn)，優(yōu)化制粉系統冷、熱風(fēng)門(mén)解耦控制，優(yōu)化減溫水自動(dòng)控制系統，增加一次調頻鍋爐主控前饋，優(yōu)化負荷響應能力。

 

4.2.5水冷壁噴涂防結焦、腐蝕材料

 

鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造后，原先結焦嚴重的鍋爐，因主燃區的溫度下降較多，爐內溫度分布更加均勻，水冷壁的沾污結渣情況會(huì )有很大改善；另外通過(guò)配煤摻燒、優(yōu)化磨煤機組合方式也可有效改善水冷壁的沾污結渣情況；在爐底噴灑防結焦劑在一些鍋爐上應用也較好。

 

對于對沖燃燒和“W”火焰燃燒鍋爐的高溫腐蝕，可將側墻部分水冷壁鰭片去掉,通入一定量的二次風(fēng),降低側墻水冷壁附近的氧化性氣氛,高溫腐蝕得到緩解。目前，在水冷壁上噴涂防腐蝕材料也可起到有效防腐作用。

 

4.2.6持續燃燒優(yōu)化調整

 

鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造后，除與燃用煤種有關(guān)外，主要與鍋爐的運行方式有關(guān)，鍋爐運行氧量、配風(fēng)方式、磨煤機運行組合方式等在煤種變化和負荷變化后都要進(jìn)行摸索優(yōu)化，根據鍋爐燃燒優(yōu)化調整試驗，當煤質(zhì)有較大變化后，一般需近兩個(gè)月的調整，才能摸索出環(huán)保排放指標和運行經(jīng)濟指標均兼顧的規律，因此持續燃燒優(yōu)化調整是必不可少。

 

 

由于鍋爐低氮燃燒器改造投運時(shí)間不長(cháng)，問(wèn)題暴露的還不完全，同時(shí)我們對問(wèn)題的認識還不充分，對處理問(wèn)題的經(jīng)驗還不足，為緩解燃煤發(fā)電廠(chǎng)的環(huán)保壓力，降NOx的減排技術(shù)沿需進(jìn)一步研究和發(fā)展，環(huán)保設施的水平需進(jìn)一步提升，更為重要的是在新的減排技術(shù)和環(huán)保設施應用后產(chǎn)生的問(wèn)題處理能力要進(jìn)一步提升，為燃煤發(fā)電廠(chǎng)的可持續發(fā)展爭取更大的環(huán)保效益。