基于風煤調平的煤粉鍋爐低氮燃燒控制新技術

文 // 程加東 張茂勇 李學顏

1 青島立宇科技開發有限責任公司 2 北京中科華譽工業能源技術研究所

1 問題的提出

1.1 風煤分配不平衡對鍋爐的影響

電站煤粉鍋內燃燒狀態具有決定性的作用，如果一次風媒系統分配不平衡，爐內空氣動力場出現明顯偏離等問題，會導致爐內的燃燒狀況惡化。目前在我國電站鍋爐的運行中，由于難以精確、實時、全面地監測煤粉濃度、各風管風量風壓等參數，并缺乏調平依據和手段，在已建成投產的300MW、600MW、1000MW級的各類機組鍋爐中，均大量存在一次風媒系統不平衡、二次風分配不平衡等問題。雖然在鍋爐建成調試時進行了基本風煤系統的調平，但其實際調節效果缺乏精確評估依據，其數據缺乏可靠性，而采用高精度煤粉濃度檢測儀、高精度風速風量測量儀等的實測表明，電站鍋爐風煤不平衡問題較為突出和普遍。

1.2 常規低氮燃燒技術存在的問題及其成因

目前電站鍋爐已廣泛采用低氮燃燒技術以達到NOX的排放指標。實測表明，低氮燃燒改造可顯著降低NOX的生成量，但其又會產生其它諸多問題，例如機組最小技術出力降低，調峰能力差；AGC控制的調節特性能差，主汽壓力偏差大、汽包水位波動，在低負荷時在原有控制方式下的爐膛壓力波動大；運行經濟性差，主要體現在飛灰含碳量增大；再熱汽溫偏低。導致上述問題的主要原因是在應用中存在著技術瓶頸，即燃燒器之間煤粉分配偏差過大，有的磨煤機燃燒器之間存在高達±30%～50%的分配偏差，而運行人員經常通過提高二次風量的方法彌補這種偏差，不但增加了排煙損失，也增加了NOX排放濃度。因此，必需對煤粉分配偏差進行調平，以徹底解決上述問題。

2 基于高精度風煤調平的低氮燃燒控制技術路線及實現手段

2.1 技術路線

實現風煤調平低氮燃燒的基本途徑就是解決上述風煤分配不平衡問題，達到各燃燒器噴入的煤粉、一次風、二次風的流量平衡，流速分布和壓力分布的互相匹配，形成最佳的空燃比、空氣動力場和適宜的過量空氣系數，實現燃燒過程的均衡發展、低NOX的燃燒氣氛和適宜的燃燒溫度及燃燒的穩定性。

數字化風煤調平燃燒控制系統首先采用先進的采用絕對量測量方法準確測量出一、二次風量和煤粉的分配狀況及其偏差量，然后用專利設計的調節元件把一、二次風量和煤粉偏差調整到一定的范圍，以保證每個燃燒器內的過量空氣系數基本達到設計值。

進行數字化燃燒控制系統改造的主要內容包括：通過CFD設計把二次風及燃盡風大風箱分隔成與燃燒器及燃盡風噴口數量相對應的分體式風道，并在每個分體式風道加裝風量測量裝置及特制的調節風門；在每個煤粉管上加裝特制的電動球形調節閥及煤粉濃度、流速和質量流量測量裝置；在每臺磨煤機分離器內對應于每個風粉管加裝一臺電動濃度調節擋板。該數字化風煤調平燃燒控制技術系統的組成如圖1所示。

2.2 實現手段

采用新型測量技術實時在線測量并顯示煤粉濃度、流速、質量流量及其變化過程，進而采用專利設計的煤粉濃度調節器和煤粉流速調節器，對煤粉流速和濃度進行在線調整，使煤粉流速、濃度、質量流量達到高度均勻，其中煤粉流速偏差在1m/s以內，煤粉質量流量偏差在±5%以內。采用高精度的煤粉質量流量測量手段和控制執行機構，并與一次風、二次風的精確實時測量與控制相結合，成為有效實施該風煤調平低氮燃燒的關鍵環節。

煤粉質量流量的測量采用絕對量測量原理，其優點是測量結果分辨率高，而且能根據給煤機的測量信號對煤粉質量流量的測量結果進行校驗，及時發現測量系統是否工作正常。

圖2為某電廠進行煤粉調平前后煤粉分配狀況的對比，其中編號為S01的煤粉管的煤粉質量流量由原有高出其它煤粉管近1倍，降低到與其它煤粉管基本相當，可見實施調平的必要性和有效性。

3 基于高精度風煤調平的低氮燃燒技術改造實際案例及其分析

3.1 電廠現狀及原有低氮燃燒實測分析

華能北京（高碑店）熱電廠一期4臺鍋爐，為德國公司設計，武漢鍋爐廠生產的W型火焰、帶飛灰復燃裝置的液態排渣塔式直流鍋爐。從機組投產至今，爐膛振動一直威脅著鍋爐運行安全，并且液態排渣鍋爐燃燒過程產生的氮氧化物濃度較高,機組滿負荷工況下鍋爐燃燒產生的氮氧化物約700mg/Nm3。北京市從2008年7月1日執行第二階段環保排放標準,要求燃煤鍋爐氮氧化物排放濃度小于100mg/Nm3，導致電廠脫硝設備運行壓力大、脫硝運行成本高。從2012年初開始，電廠開始對1～4號爐進行低氮燃燒調整，希望通過燃燒調整，降低SCR入口的氮氧化物濃度。

鍋爐燃燒系統采用德國巴布科克公司設計的WSD型低氮氧旋流燃燒器，該廠的每臺燃燒器都有獨立的二次風管道，并安裝有二次風量在線測量裝置，實現了每臺燃燒器配風的實時在線控制，據此可以通過調整每臺燃燒器出口的過量空氣系數降低火焰中的氮氧化物生成量。由于當初沒有高精度測量與控制煤粉分配的技術，部分燃燒器具有較高的氮氧化物排放。

圖1 高精度數字化燃燒控制系統圖

圖2 某電廠煤粉濃度調節器安裝前后煤粉分配發生變化

3.2 采用風煤精確調平后的試驗對比

煤粉調平試驗采用了德國PROMECON－立宇科技公司的成套風煤在線調平系統，包括高精度數字化實時在線測量儀器，和可以調整煤粉濃度的調節擋板，在試驗中對煤粉流速、濃度和質量流量進行連續測量并對濃度調節器進行調整。表1是對3號磨煤機調整前后每臺燃燒器的過量空氣系數變化情況。

在采用濃度調節擋板調整之前，實測的煤粉質量流量的最大偏差為+12.89%，流速偏差為3.5m/s，燃燒器出口過量空氣系數的最大值和最小值分別為0.84和0.687；而采用濃度調節擋板調整之后，質量流量偏差降低至+5.23%，流速偏差1.5m/s以內，燃燒器出口過量空氣系數的最大值和最小值分別為0.816和0.758。第二次煤粉調平試驗使SCR入口的氮氧化物濃度降低到約350～380mg/Nm3，同時改善和消除了一氧化碳過高、爐墻振動較大等問題。

3.3 新風煤調平系統改造后的減排、節能與穩定燃燒的技術效果評估

經煤粉調平和降低燃燒器內過量空氣系數的試驗，使3號爐每個燃燒器的過量空氣系數都在0.75～0.82之間。四臺爐滿負荷工況下脫硝SCR反應器入口的NOX已經由最初的700mg/Nm3左右降低到目前的350～380mg/Nm3之間，降幅達320mg/Nm3以上，全年4臺爐減少NOX生成量約5100t，減少脫硝尿素消耗量約2800t，減少脫硝燃油消耗量約300t，還可大幅延長脫硝裝置中催化劑板的更換周期。

表13號磨煤機調整前后每臺燃燒器的過量空氣系數變化

通過適當降低每個燃燒器出口的過量空氣系數，飛灰可燃物含量不上升反而有所下降，鍋爐排煙中CO濃度大幅降低，機組供電煤耗下降約4g/kWh。同時由于鍋爐總風量減少，風機電耗明顯下降，4臺爐風機電耗每年減少約900萬kWh。

經過兩年時間的運行證明，鍋爐低氮氧燃燒調整后沒有發生高溫腐蝕、結大焦等威脅鍋爐安全的情況，鍋爐爐墻振動得到明顯改善。這些結果說明通過采用高精度的數字化煤粉調平技術并結合煤粉濃度調節器的應用，能有效降低煤粉流速和質量流量偏差，并結合適當減小燃燒器內過量空氣系數，是降低鍋爐燃燒過程中產生氮氧化物和提高鍋爐效率的有效手段。

因此，該基于風煤調平的低氮燃燒控制新技術方式對電站鍋爐運行具有穩定燃燒、潔凈燃燒、高效燃燒、經濟燃燒等多重重要意義。

4 結論

電站鍋爐由于風煤分配不平衡引起爐內燃燒惡化，而現有低氮燃燒技術在實踐中加劇了上述問題，對鍋爐運行穩定性、安全性、排煙中一氧化碳含量及飛灰含碳量、鍋爐效率等產生不利影響，其根本原因在于對于一次風媒系統、二次風等缺乏精確實時的測量和調節控制方法。

數字化風煤調平低氮燃燒技術系統，依據風煤調平和低氮燃燒機理及其技術實現形式，采用煤粉質量流量測量方法及一次風、二次風的流量測量方法和執行機構，可實現精確測量、進而精準調節燃燒器的空燃比和過量空氣系數，從而保證爐內處于所需的空氣動力場、燃燒處于低NOX穩燃氣氛，降低煙氣中的CO含量、飛灰含碳量及含氧量，大幅降低脫硝裝置入口NOX含量、減少脫硝用尿素、燃油及催化劑等的耗費、減少鼓引風機耗電量等，并可有效提高鍋爐運行的穩定性、安全性。

通過華能北京熱電廠的鍋爐改造實例表明，其實現了精確測量、精確調節一次風媒系統、二次風的參數，可實現氮氧化物生成量由超過700mg/Nm3降低到350～380mg/Nm3、從而降低脫硝運行各項耗費，可降低供電標煤耗超過4g/kWh，可有效改善鍋爐的燃燒狀況，基本消除結大焦、異常振動、停爐等運行問題，有力地驗證了數字化風煤調平低氮燃燒技術系統的有效性。

隨著國家節能環保政策要求日益嚴格，在電站燃煤鍋爐等大型燃煤鍋爐中大規模推廣該新型低氮燃燒技術具有技術可行性和實際需求，估算未來5～10年內可實施的大型鍋爐臺數超過1000臺，每年產生的氮氧化物減排量超過15萬t，市場容量可達600～800億元，并可為我國電力等行業等的大型鍋爐實現近零排放提供重要的新型技術途徑。