350MW超臨界直流鍋爐低氮燃燒優化及分析

大唐陜西富平熱電有限公司 劉昱奇

目前我國的空氣質量堪憂，防治霧霾刻不容緩，雖然產生霧霾的原因沒有徹底研究清楚，但在國家環保減排政策以及社會輿論下，使得電力行業有著非常大的減排壓力，而在我國發電行業中，燃煤發電機組還是主要的發電主力。排放的氣體中NOx是有毒的，也是致使我國出現陰霾天、空氣污染以及破壞臭氧的主要原因。在我國控制大氣污染中，控制NOx這個問題不可忽視，對于生態環境以及人們的健康，通過降低NOx的排放量能夠有效的進行保護。對于NOx的量通過采用低氮燃燒技術能夠有效的進行降低，但是會對鍋爐的經濟性及穩定安全造成影響。

本篇文章采取某廠生產的2×350MW 超臨界燃煤機組鍋爐，在主燃燒器上方布置兩組SOFA 燃燒器，燃燒技術采用擺動式四角切圓。并對燃燒器的特點以及布置情況進行介紹，對于主燃燒器區域的NOx的生成量通過調整SOFA 燃燒器3層噴嘴來進行降低，對于燃燒器以及鍋爐設計要達到穩燃，以防高溫腐蝕，對燃盡率進行提升，從而做到NOx的排放降低。

采取的方法要想達到上述要求通常會有矛盾產生，如提高穩燃需對燃燒區域的溫度進行提升，但這就會使高溫腐蝕及結渣出現，且NOx的量也會隨之加大，如適當控制二次風量能夠對NOx 排放進行降低，還能減少結焦的發生。結合實際情況來采取配煤分層混燒，對鍋爐運行氧量進行優化，以此來對NOx的排放量進行降低，而運行的經濟性要在環保要求的前提下盡可能兼顧。

1 治理NOx 現狀

對于NOx的危害、NOx的生成以及NOx排放的降低技術國內外做了充分的研究，大致分為快速型NOx，燃料型NOx及熱力型NOx三種。其中占比最高的是燃料型NOx，約80～90%之間，其次是熱力型、最后是快速型。燃燒中脫氮的低氮技術及燃燒后的脫硝技術是當前應用在鍋爐中降低NOx的主要方法。

脫氮技術分為煙氣再循環、燃料分級燃燒、空氣分級燃燒以及低氧燃燒等。其主要原理就是把燃燒器形成燃盡區，主還原區以及氧化還原區，而四角切圓鍋爐能夠形成中心區以及近壁區，以此可以在爐膛內把燃料和配風進行低氧、低溫、分級以及分區燃燒，從而對煤礦燃燒中生成的NOx量進行降低。

當前電廠的低氮技術有一定的問題存在，在采用該技術時，在高溫下鍋爐水爐壁會出現腐蝕，對爐膛產生焦塊，燃燒后灰渣含碳量一直都很高。當前低氮燃燒技術有著穩燃性、配煤、配風變低等問題[1]。經多年研究改進低氮技術來對上述問題進行解決，根據高溫腐蝕原理，在冷區管壁制造氧化氣體，對管壁清潔度的時間進行延長，以此對發生高溫腐蝕的進度進行減緩。

最近幾年，我國很多機構都在對低氮技術進行研究，不再是模仿國外技術，創新了很多。在防止高溫腐蝕方面還有防止結焦、同軸燃燒技術等。例如在鍋爐運行中，對于煤粉的燃燒通過加大吹風量使其燃燒更充分，包括控制煤粉細膩程度以及調整燃盡風，都能對NOx的排放量進行降低[2-3]。

2 優化后布置燃燒器的方式

2.1 鍋爐概述

選取我國某廠生產的2×350MW 超臨界燃煤機組鍋爐，該鍋爐設計采用側煤倉布置、固態排渣系統、平衡通風、四角切向燃燒等技術。使用的是煙煤，煤粉燃燒器為擺動式燃燒器，制粉系統采用的是正壓直吹式，設計中速磨煤機和冷一次風機四角布置，切向燃燒[4-5]。該設備有五層煤粉噴嘴，鍋爐配置的中速磨煤機有五臺，對煤種進行校核時，五臺機器都運行，而對設計煤種進行燃用時，只有四臺運行，一臺作為備用。

2.2 布置燃燒器的方式

燃燒器的方式采取低NOx切圓燃燒系統，四角布置，大風箱與切角，擺動式燃燒器，形成雙切圓燃燒。通過對NOx生成機理進行分析，低NOx系統主要是為了是因揮發份氮對NOx的轉化進行降低，主要方法為對空氣分段燃燒以及氧量的燃料進行控制。主要組成低NOx燃燒系統的有：輔助風噴嘴，緊湊燃盡風以及分離燃盡風。

燃燒系統在降低NOx時，對低負荷穩燃以及燃燒效率的提升要重點考慮。燃燒系統技術不斷發展更新，在預防高溫腐蝕以及爐內結渣方面有著良好的效果。主風箱有五層煤粉噴嘴，燃料風布置在噴嘴四周。每相鄰兩層噴嘴布置一層風噴嘴。在主風箱上部設有兩層CCOFA 噴嘴，布置SOFA 燃燒器以及SOFA 噴嘴，下部設有一層UFA 噴嘴。

SOFA 燃燒器，主燃燒器以及連同煤粉噴嘴的周界風都有單獨的二次風擋板，都是采用氣動執行器進行操作的。主燃燒器采用擺動結構來瞞住鍋爐氣溫調節，由水冷壁來通過風冷作為燃燒器的冷卻，在工地上把燃燒器內殼與廠內裝配好的外殼進行組裝[6]。

3 對NOx 排放進行降低的方法

3.1 二次風門擋板及控制

二次風門擋板在每層風室都有配置，風門擋板在每角主燃燒器中配置的有二十二只，氣動執行機構有十七只。每層風室有兩只偏置輔助風，通過連桿來對風室進行控制。角式SOFA 燃燒器和墻式SOFA 燃燒器每角配置的風門擋板以及執行機構都有三只。這樣，執行機構在每臺鍋爐中配置的總數量為九十二只，根據爐膛安全監視和機爐協調控制系統進行操作，通常同一層封門擋板動作保持同步。對于二次風量分配到每層風室是采取二次風門擋板進行調節的，以此來對良好的燃燒指標與工況進行保證。

3.2 二次風門擋板的控制原則

根據運行或停運函數關系來控制A 層到E 層這五層的燃料風擋板的開度，運行時本層煤機轉速與開度有函數關系，調節一次風氣流著火點。停運時，總空氣流量與開度有函數關系，此外給煤機A 轉速與AAA 層二次風擋板是函數關系，總空氣流量與CCOFA 和SOFA 二次風擋板是函數關系，以此來控制NOx的排放量。

AA、AB、BC、CD、DE、EE、AAB、ABB、BBC、BCC、CCD、CDD、DDE、DEE 這十四層二次風擋板是對大風箱和爐膛出口壓差進行控制，空氣流量與壓差有函數關系。表1是擋板開度控制，對二次風門擋板函數關系如表2～4。

表1 總空氣流量和燃燒器大風箱壓差函數關系

表2 總空氣流量和CCOFA-Ⅰ與Ⅱ間的函數關系

表3 總空氣流量和SOFA Ⅰ-Ⅵ間的函數關系

表4 燃料風擋板開度和給煤機轉速間的函數關系

為了對煤粉噴嘴燒壞進行預防，在著火點保證正常的情況下，要根據表中的數據來執行燃料風擋板開度，盡可能的開大。由于工程所使用的系統為LNTFS 燃燒系統，其燃燒風在二次風中所占的比例較低，假如燃料風擋板開度小，那么很容易就會燒壞噴嘴。燃燒器為了預防其燒壞（燃燒器燒壞見圖1），需要隨著總空氣流量的變化而相應的調整，其函數關系如表5所示。

表5 總空氣流量和停運燃燒器擋板開度間的函數關系

設計燃燒器和鍋爐的要求是兩者同時都能夠達到穩燃，以此來燃燼率進行提高，以免有高溫腐蝕和結渣，減少NOx排放。為了滿足上述要求通常使用的方法都相互矛盾。比如為了對燃燒區域的溫度進行提高、從而對穩定性與燃燒效率進行提升，這通常會使得高溫腐蝕和結渣出現，并且還會增加NOx 排放，而對燭燃燒器區域的二次風量適當的進行控制，能夠對NOx 排放進行減少，還能夠對可能在水冷壁上出現的結焦進行降低。

CFS 噴口在每層一次風噴口上下進行設置，布置時的角度為正切22°，能夠增高靠近水冷壁區的氧濃度，以防高溫腐蝕和結焦發生。另外，在該噴口設置的有擋板風門，根據鍋爐實際的運行情況來進行調整。

把頂部燃燼風進行12°的反切，這種方式能夠對著火區旋轉火球效應進行保證，還可以加速燃燼，強化著火，又能對爐膛出口處的殘余旋轉氣流進行減少，從而能夠對爐膛出口左右兩側的煙溫差進行減少。另外，NOx的生成通過這種分級送風方式來降低。

二次風噴嘴能夠根據爐膛出口的煙溫差進行水平擺動調整，從而能夠對爐膛出口的左右煙溫差進行減少。把一二次風噴嘴設計成圓弧面，這樣其在上下擺動時能夠避免噴口變形而碰撞到風室隔板，以免擺動角度失真。

4 科學的燃燒運行優化調整

對于不同的負荷、不同型式的燃燒器、不同的燃燒條件、不同的空氣量、不同的溫度變化以及不同的煤種，其生成的NOx量也是不同的。所以，對于NOx的量進行降低，主要采取的方式就是要對燃燒措施進行優化調整，在滿足環保要求下對經濟性也要兼顧到。

爐內分層配煤混燒。根據穩燃、排放濃度以及配煤摻燒來消化經濟煤種，在下層穩燃煙煤，中層配置褐煤，對于NOx的生成通過低氧燃燒能夠進行控制。上層配置貧煤，對二次分級燃燒有利。

根據煤種、負荷配風。額定負荷下，煙煤在下層用于穩燃，適合配中等風，褐煤最好少配風，否則生成的NOx量會比較大。貧煤適合多配風，以保證燃盡。而縮腰倒寶塔型是根據穩燃配風、低氧以及分級方式進行考慮中較為合適。為了對NOx的量進行更好的控制，可以通過經濟煤種摻配比的加大以及負荷降低，來保證穩燃。

對控制鍋爐運行氧量進行優化。氧量的大小不但會對鍋爐經濟性進行影響，對控制NOx的產生作用是非常大的。采用低氮技術其要求要更加的明確，負荷在300MW 以上時，氧量按照2.5%控制，負荷在300～260MW 時氧量為2.5～2.9%之間，負荷在250～170MW 時氧量為2.9～3.9%之間，負荷在170MW 及以下時氧量為3.9～4.4%之間，燃燒最好要保持低氧。

該廠1、2爐自投產之后，對于NOx生成量一直進行優化調整，對于鍋爐運行氧量通過燃燒器噴嘴以及擺角的調整來進行控制，在對環保要求滿足下又兼顧了經濟性，噴氨量進行減少，取得了非常不錯的成果，其經濟效益是非?？陀^的。