火電廠鍋爐低氮燃燒改造與運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整分析

許瑞杰(秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066000)

0 引言

我國電力生產(chǎn)依然以煤炭燃燒形式為主，其中鍋爐設(shè)備扮演者極其重要的角色。傳統(tǒng)火電廠生產(chǎn)中過于重視經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)能，忽視了環(huán)境保護(hù)的要求，大量的粉塵、NOx、CO排放到大氣中，嚴(yán)重影響城市生態(tài)環(huán)境。習(xí)近平總書記在十九大會議中提出“金山銀山，不如綠水青山”。因此火電廠不僅僅要注重經(jīng)濟(jì)效益，同時也要實(shí)現(xiàn)社會效益、環(huán)境效益并重。火電廠鍋爐運(yùn)行生產(chǎn)中，可以通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)來控制廢棄排放指標(biāo)，積極采用低氮燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)鍋爐改造，加強(qiáng)污染氣體排放總量、排放濃度控制，減少對自然環(huán)境的負(fù)面影響，提高火電廠鍋爐運(yùn)行的綜合效益。

1 火電廠鍋爐低氮燃燒改造技術(shù)原則

1.1 把握現(xiàn)實(shí)存在的問題

根據(jù)鍋爐運(yùn)行緊密結(jié)合受熱面出現(xiàn)的問題與情況，設(shè)定解決問題的改造方案，如鍋爐金屬管材老化嚴(yán)重，則要進(jìn)行更換升級；如果是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備布置不合理，則要從系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度進(jìn)行處理。

1.2 聯(lián)合制定改造方案

制定方案通常是由制造廠家制定設(shè)計方案，根據(jù)火電廠鍋爐運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行參數(shù)，對可能存在的影響因素進(jìn)行論證、分析，確保整個改造方案的科學(xué)合理性。全方位考量局部改造對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的影響。如在管材設(shè)計中，如果管材老化需要進(jìn)行升級，則通常受熱面規(guī)格不發(fā)生變化；如果因設(shè)計問題進(jìn)行改造，則要綜合考量受熱面管材布置、重量變化、管材規(guī)格等，還要提前明確煙氣系統(tǒng)阻力、汽水側(cè)阻力影響。改造圖紙要到鍋爐運(yùn)行現(xiàn)場進(jìn)行校對，充分考慮現(xiàn)場空間環(huán)境的限制，新管排布置要貼合設(shè)計圖紙內(nèi)容，做好實(shí)地測繪工作[1]。

1.3 科學(xué)應(yīng)用低氮燃燒技術(shù)

為了能夠減少鍋爐燃燒中的NOx排放量，要積極采用低氮燃燒技術(shù)，并配合煙氣脫硝技術(shù)。通過研究發(fā)現(xiàn)，低氮燃燒技術(shù)借鑒了NOx生成機(jī)理，主要應(yīng)用了的低氧燃燒、煙氣再循環(huán)。通過在縱向部位增設(shè)燃燒器，可以實(shí)現(xiàn)氧化還原、主還原、燃盡區(qū)三個模塊形成。在此過程需要結(jié)合鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況，在合適位置安裝燃燒器，有助于鍋爐內(nèi)部有機(jī)染料、配風(fēng)的低氧低溫燃燒，同時進(jìn)行分區(qū)、分級處理，嚴(yán)格控制NOx的排放量，起到清潔燃燒效果。

2 鍋爐低氮燃燒改造方案

對于低氮燃燒改造來說，做好燃燒器選擇是前提，必須要符合鍋爐改造標(biāo)準(zhǔn)，之后結(jié)合鍋爐NOx、粉塵排放要求，對主燃燒器再次進(jìn)行改造，做好OFA噴口和二次風(fēng)設(shè)計工作，從而滿足改造要求。其主要表現(xiàn)在：

2.1 優(yōu)選燃燒器

結(jié)合鍋爐低氮燃燒的實(shí)際要求，制定科學(xué)的低氮燃燒改造方案，根據(jù)具體改造方案優(yōu)選燃燒器。在我國主要是應(yīng)用水平濃淡燃燒器、垂直濃淡燃燒器。水平濃淡燃燒器主要是在水平方向?qū)崿F(xiàn)不同濃度煤粉劃分，可以應(yīng)用在爐內(nèi)脫硫體系中，射流到爐內(nèi)中心位置，徑直卷吸能力、風(fēng)包煤效果非常強(qiáng)。垂直濃淡燃燒器的原理與水平式濃淡燃燒器機(jī)理類似，但運(yùn)行過程相反，主要是向垂直的方向進(jìn)行煤粉分離，應(yīng)用效果也較為理想。在選擇燃燒器過程中要根據(jù)鍋爐運(yùn)行實(shí)際情況和NOx排放標(biāo)準(zhǔn)合理選擇，切勿盲目，不僅要隔離爐內(nèi)濃淡煤粉，還要控制具體的分離比例、數(shù)據(jù)參數(shù)等，盡可能減少爐內(nèi)的低氮?dú)埩袅俊?/p>

2.2 主燃燒器改造

在主燃燒器改造當(dāng)中，除了要確定主燃燒器標(biāo)準(zhǔn)高度，還要固定好四角風(fēng)箱風(fēng)道、擋板風(fēng)箱位置，將彎頭、噴口全部更換，保證每個構(gòu)件均可以達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。在最最末層使用插入式等離子燃燒器，更改余下一次風(fēng)燃燒器為濃淡燃燒器，根據(jù)實(shí)際改造方案做好濃淡燃燒器類型選擇。結(jié)合以往的改造方案，高耐熱性鋼板使用效果較好，可以保持四層中間二次風(fēng)噴口時刻保持封閉狀態(tài)，之后將余下的二次風(fēng)噴口更換，兼顧貼壁風(fēng)噴口布設(shè)位置，保持水冷壁表面上含有充足的氧氣，避免氧氣過少無法滿足標(biāo)準(zhǔn)，否則可能在圍爐內(nèi)出現(xiàn)溫度超標(biāo)、結(jié)渣、腐蝕等問題[2]。此外，要將剩余二次風(fēng)噴口進(jìn)行整改，重點(diǎn)改變射流方向，重點(diǎn)控制一次、二次風(fēng)射流方向噴口角度，保證前期缺氧燃料、后期供給氧之間混合足夠充分。

2.3 OFA噴口和二次風(fēng)設(shè)計

雖然鍋爐燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，因此可以采用結(jié)構(gòu)更加簡單的OFA噴口。在具體應(yīng)用中，要在原有基礎(chǔ)上應(yīng)用OFA噴口，這樣不僅可以提高噴口反切性能，還可以有效控制爐內(nèi)氣流量，保持爐內(nèi)出煙口溫度的穩(wěn)定性。如果所用的OFA噴口尺寸、運(yùn)行風(fēng)速、運(yùn)行風(fēng)量等指標(biāo)無法滿足低氮燃燒改造標(biāo)準(zhǔn)，可以直接將耐熱板封堵，也可以重新進(jìn)行改造。在燃燒器上部設(shè)置大比例二次風(fēng)，對爐內(nèi)空氣分級燃燒，降低NOx的生成，提高鍋爐內(nèi)部的燃燒率。此外，在二次風(fēng)設(shè)計當(dāng)中，要重點(diǎn)考慮風(fēng)量大小、燃盡區(qū)位置等因素。

3 低氮燃燒運(yùn)行優(yōu)化原理與要求

低氮燃燒優(yōu)化調(diào)整需要在保證鍋爐運(yùn)行安全基礎(chǔ)前提下展開設(shè)計，考慮各個優(yōu)化方案使用中鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，綜合考量含氧量、各個風(fēng)門、煤粉粗細(xì)等參數(shù)，優(yōu)化調(diào)整低氮燃燒運(yùn)行情況。如在一次風(fēng)、二次風(fēng)、周界風(fēng)調(diào)整當(dāng)中，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行二次風(fēng)門開度調(diào)整，保持內(nèi)部的低氧燃燒。理論上，燃盡風(fēng)越強(qiáng)、含氧量越低、NOx生成量越少。而減少NOx生成量可以減少對自然環(huán)境的負(fù)面影響。但在實(shí)際運(yùn)行中二次風(fēng)開度不能過大[3]。要結(jié)合NOx具體排放量、火電廠鍋爐運(yùn)行效率、調(diào)節(jié)優(yōu)化綜合難度等多個方面進(jìn)行分析。不同火電廠的鍋爐燃燒技術(shù)指標(biāo)不同，低氮燃燒系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整必須要結(jié)合實(shí)際情況，深入考察鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造，計算鍋爐燃燒的實(shí)際效率信息，對燃燒設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，這樣才能夠提高爐內(nèi)的燃燒率。科學(xué)定制合理的優(yōu)化方案，以保證鍋里燃燒穩(wěn)定性為核心，對爐內(nèi)燃燒情況進(jìn)行優(yōu)化，全方位考量燃燒料、制粉系統(tǒng)對燃燒率造成的影響。

4 低氮燃燒優(yōu)化調(diào)整措施

為了能夠在保證鍋爐燃燒效率基礎(chǔ)上，降低NOx、粉塵排放量，必須要從多個方面展開調(diào)節(jié)，包括“三風(fēng)”、燃盡風(fēng)與擺角、爐膛內(nèi)含氧量、煤粉細(xì)度等，綜合考慮各項(xiàng)影響因素，這樣才能夠全面提高低氮燃燒改造效益。

4.1 一次風(fēng)、二次風(fēng)、周界風(fēng)優(yōu)化調(diào)整

在進(jìn)行主燃燒區(qū)調(diào)整當(dāng)中，要特別關(guān)注低氧燃燒的實(shí)際需求，做好二次風(fēng)門實(shí)際開度控制，把控好燃盡風(fēng)量、控氧量之間的關(guān)系，根據(jù)鍋爐機(jī)組內(nèi)部的實(shí)際運(yùn)行狀況，對鍋爐優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對比采用多種配風(fēng)方案，采取多元化的鍋爐運(yùn)行模式，盡可能減少NOx實(shí)際排放量，控制鍋爐生產(chǎn)帶來的污染問題，提高火電廠生產(chǎn)的環(huán)境效益。對于二次風(fēng)開度控制來說，通常最上層二次風(fēng)開度要控制在35%以內(nèi)，每層周界風(fēng)開度要在15%～20%范圍內(nèi)，最下層二次風(fēng)開度不得低于70%，如果最下層二次風(fēng)開度不足70%，則在煤粉燃燒過程中容易出現(xiàn)缺氧問題，快速增加煙氣的生成量。考慮到二次風(fēng)組合模式、NOx排放量、鍋爐汽體溫度等存在著相互影響作用，因此在進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整過程中，要根據(jù)這些數(shù)據(jù)參數(shù)綜合進(jìn)行調(diào)整[4]。特別要關(guān)注制粉系統(tǒng)工作模式、鍋爐負(fù)載情況、鍋爐工作情況等，綜合分析鍋爐低氮燃燒實(shí)際效益，從中找出現(xiàn)存問題，針對性對存在問題的參數(shù)展開調(diào)整。

4.2 燃盡風(fēng)系統(tǒng)與擺角優(yōu)化調(diào)整

結(jié)合以往工作經(jīng)驗(yàn)可知，在主燃燒器擺角在30%以內(nèi)時，則燃燒器上的傾角就越大，增加了爐膛兩側(cè)面汽體溫度、煙氣溫度的差距，因此想要保持汽體溫度保持較高、較穩(wěn)的環(huán)境中，要適當(dāng)?shù)恼{(diào)小燃燒器擺角。開啟OFA時，此時加熱器兩側(cè)汽體溫度變差會增大，所以此時要調(diào)小OFA的開度，同時保持NOx生成量相對較低。如果增加燃盡風(fēng)擺角，勢必會對鍋爐汽體溫度、灰飛值等各項(xiàng)參數(shù)造成影響，但整體影響并不大；如果擺角下傾，則會顯著增加NOx排放量，NOx生成量也會有所增加。通過對低氧燃燒過程進(jìn)行分析考量，結(jié)合NOx排放量、鍋爐燃燒率，要做好擺角裝置的優(yōu)化調(diào)整工作。可以讓燃盡風(fēng)擺角適當(dāng)上傾調(diào)整，減少兩側(cè)汽體溫度之間的偏差，保證擺角運(yùn)行功效。

4.3 爐膛內(nèi)含氧量調(diào)節(jié)

在正式進(jìn)行低氮燃燒系統(tǒng)調(diào)節(jié)前，火電廠技術(shù)人員要提前分析NOx等有害氣體排放量的影響因素，在確定了主要因素之后，再采取針對性的解決措施，保證鍋爐污染氣體排放控制的效果。爐膛內(nèi)的氧氣含量與NOx排放量有直接關(guān)系，也就是爐膛內(nèi)氧氣含量越高，則NOx氣體生成量也就越高。在提出NOx排放量控制的目標(biāo)后，即可進(jìn)行爐膛含氧量調(diào)整工作，適當(dāng)降低爐膛含氧量參數(shù)，確定最佳含氧量動態(tài)范圍。雖然在理論上降低爐膛的含氧量可以減少NOx生成量、排放量，但如果爐膛內(nèi)含氧量過低會直接影響鍋爐其他部位正常運(yùn)行，如會大大增加飛灰類可燃物(由于氧氣少，導(dǎo)致不完全燃燒)，增加了爐膛內(nèi)含碳量，降低爐膛內(nèi)部系統(tǒng)的運(yùn)行效率。可見，含氧量調(diào)節(jié)必要在科學(xué)的范圍下進(jìn)行，最好維持在2.5%～3.5%之內(nèi)[5]。

4.4 鍋爐煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)

除了以上方法，還可以通過煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)降低NOx生成量。部分鍋爐由于在更換了低氮燃燒器之后，由于爐膛低氧燃燒以及運(yùn)行調(diào)整參數(shù)不精準(zhǔn)，會出現(xiàn)飛灰含碳值異常上升。產(chǎn)生低氮燃燒改造鍋爐效率與NOx排放量控制相矛盾的情況，而通過對煤粉細(xì)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，將煤粉細(xì)度均值下調(diào)40%～50%，之后借助工況優(yōu)化調(diào)整燃燒值，可以下降火焰中心，有效控制飛灰值，同時降低NOx生成量[6]。這是由于降低煤粉細(xì)度，能夠加強(qiáng)在分級燃燒度，提升焦炭中氮的釋放速率，加強(qiáng)NOx還原能力。據(jù)調(diào)查顯示，煤粉細(xì)度下降會導(dǎo)致煤粉系統(tǒng)電耗增加大約0.02%左右，但考慮到燃燒效率提升，所以鍋爐整體運(yùn)行效率更高一些。

5 結(jié)語

綜上所述，火電廠鍋爐低氮燃燒改造工程具有工藝標(biāo)準(zhǔn)高、技術(shù)性強(qiáng)、專業(yè)嚴(yán)格、實(shí)施過程復(fù)雜等特點(diǎn)，因此必須要全方位加強(qiáng)低氮燃燒器改造方案的研究工作。通過科學(xué)改造、合理調(diào)整，提高鍋爐燃燒效率，有效控制NOx生成量，提高了火電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)境效益。未來，隨著我國對環(huán)境保護(hù)工作愈加重視，火電廠管理人員要將環(huán)境保護(hù)作為科學(xué)生產(chǎn)前提，根據(jù)政策要求、生產(chǎn)狀況，對鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)進(jìn)一步升級改造，確保鍋爐運(yùn)行能夠滿足社會可持續(xù)發(fā)展需求。