超超臨界鍋爐燃燒器配風(fēng)調(diào)整對NOx排放影響的試驗(yàn)研究

施志敏

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602）

近年來，國家相繼出臺《大氣污染防治行動計(jì)劃》《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》《煤電節(jié)能減排升級與改造計(jì)劃》等規(guī)定。浙能集團(tuán)在國內(nèi)創(chuàng)造性地提出了燃煤機(jī)組排放達(dá)標(biāo)到或優(yōu)于燃?xì)鈾C(jī)組排放標(biāo)準(zhǔn)的方向性目標(biāo)，在全國率先提出“燃煤機(jī)組煙氣超低排放”的概念。浙能溫州發(fā)電有限公司四期擴(kuò)建工程#7、#8機(jī)組的超低排放與主體工程按“三同時”（同時設(shè)計(jì)、同時施工、同時投產(chǎn)）建設(shè)投運(yùn)的超超臨界660 MW機(jī)組[1]。煙氣清潔排放指燃煤機(jī)組達(dá)到《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）中燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值標(biāo)準(zhǔn)，即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵排放濃度≤5 mg/m3、二氧化硫排放濃度≤35 mg/m3、氮氧化物排放濃度≤50 mg/m3[2]。對于電廠來說，降低NOx排放最經(jīng)濟(jì)和快捷的方式就是調(diào)整燃燒過程，而制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式的優(yōu)劣直接影響爐內(nèi)燃燒的質(zhì)量。本文針對溫州電廠四期#7機(jī)組660 MW超超臨界鍋爐進(jìn)行制粉系統(tǒng)燃燒器配風(fēng)優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，就制粉系統(tǒng)的不同組合方式、燃燒器外二次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片調(diào)整、中心風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)等對鍋爐出口NOx排放的影響規(guī)律進(jìn)行分析，以滿足鍋爐出口NOx排放要求。

1 制粉系統(tǒng)及燃燒器簡介

1.1 設(shè)備簡介

7號機(jī)組660 MW超超臨界燃煤鍋爐為北京B&W公司制造的超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，型號為B&WB-1958/29.3-M。采用螺旋爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架和露天布置的Π型鍋爐，制粉系統(tǒng)為中速磨煤機(jī)正壓直吹系統(tǒng)。鍋爐負(fù)荷在BRL工況時保證熱效率不小于94.35%，鍋爐出口NOx排放不超過240 mg/Nm3（以NO2計(jì)，O2=6%）。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，燃用設(shè)計(jì)煤種如表2所示[3]。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 燃煤特性

1.2 制粉系統(tǒng)簡介

采用中速磨煤機(jī)正壓冷一次風(fēng)直吹式制粉系統(tǒng)，配置6臺HP1003-Dyn型碗式中速磨煤機(jī)，采用前后墻對沖燃燒方式，配有24只AireJet燃燒器、12只DRB-4Z型燃燒器，分三層布置在鍋爐的前后墻上，其中24只AireJet燃燒器布置在前、后墻的上層和中層，12只DRB-4Z型燃燒器布置在前、后墻的下層，每層前后排各6只燃燒器。磨煤機(jī)按照推薦的分離器轉(zhuǎn)速與磨煤機(jī)出力關(guān)系曲線運(yùn)行，如圖1所示，并按照推薦的風(fēng)煤比曲線運(yùn)行，如圖2所示。

AireJet燃燒器能夠高效地燃燒煤粉，通過合適的調(diào)節(jié)手段在燃燒器喉口處建立穩(wěn)定的著火點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)燃料和空氣分級燃燒，并與OFA噴口聯(lián)合使用，大幅度降低NOx的排放。

圖1 分離器轉(zhuǎn)速與磨煤機(jī)處理關(guān)系曲線

圖2 風(fēng)煤比曲線

AireJet燃燒器軸向的中心風(fēng)區(qū)域依次被環(huán)形的煤粉噴口、內(nèi)二次風(fēng)區(qū)域、外二次風(fēng)區(qū)域環(huán)繞。憑借中心風(fēng)區(qū)和內(nèi)、外二次風(fēng)區(qū)的設(shè)計(jì)，環(huán)形煤粉噴口的一次風(fēng)粉混合物被自內(nèi)向外和自外向內(nèi)地點(diǎn)燃和著火。軸向的熱中心風(fēng)能夠加速和強(qiáng)化點(diǎn)火，提供更多的氧到燃料內(nèi)部，使火焰根部劇烈燃燒，產(chǎn)生的高溫促使更多的煤粉在燃燒過程早期析出揮發(fā)分。由于火焰內(nèi)部氧的消耗，富燃料狀態(tài)瞬間產(chǎn)生，產(chǎn)生烴基，這些烴基從NO分子中搶奪氧，將NOx還原為無害的氮。內(nèi)二次風(fēng)通過固定軸向葉片快速旋轉(zhuǎn)，與煤粉氣流的外表面相接以加速點(diǎn)火和燃燒。外二次風(fēng)通過可調(diào)軸向葉片適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)，促使近火焰處形成大的內(nèi)部回流區(qū)，卷吸高溫?zé)煔饣亓鞯街行母蝗剂咸帲乖缙谛纬傻腘Ox在進(jìn)入火焰中心欠氧區(qū)后被還原為無害的氮。隨著火焰向爐膛深處傳播，燃燒器的二次風(fēng)繼續(xù)與燃燒產(chǎn)物混合。

DRB-4Z型燃燒器布置為兼有微油點(diǎn)火（僅后墻）及穩(wěn)燃功能的燃燒器，利用了分級燃燒的特點(diǎn)。煤粉噴口位于燃燒器中心區(qū)，可以有效地控制空氣/煤粉在火焰根部的相互作用，二次風(fēng)通過一次風(fēng)道外側(cè)的三個環(huán)形風(fēng)道進(jìn)入燃燒器，二次風(fēng)量可以調(diào)節(jié)。其中，少量的二次風(fēng)進(jìn)入環(huán)繞在一次風(fēng)道外圍的過渡區(qū)，以控制火焰中心富燃料區(qū)域的氧量，這有利于降低NOx的生成量。在過渡區(qū)外環(huán)依次是內(nèi)二次風(fēng)區(qū)和外二次風(fēng)區(qū)，二次風(fēng)可分別進(jìn)入這兩個區(qū)域，通過可調(diào)軸向葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的二次風(fēng)氣流，控制空氣與一次風(fēng)的混合，再通過控制燃燒率及二次風(fēng)量來降低NOx的生成量。二次風(fēng)在燃燒過程中逐漸地與初期燃燒的產(chǎn)物混合，完成煤粉的燃盡，如圖3所示[4]。

圖3 DRB-4Z型燃燒器設(shè)計(jì)原理

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磨煤機(jī)組合方式試驗(yàn)

2.1.1 640 MW左右負(fù)荷試驗(yàn)

在640 MW左右負(fù)荷進(jìn)行了ABDEF、ABCEF、ABCDE磨煤機(jī)組合方式試驗(yàn)，參數(shù)如3表所示。

表3 640 MW左右負(fù)荷試驗(yàn)參數(shù)

ABCEF和ABDEF磨煤機(jī)組合方式對比試驗(yàn)結(jié)果表明，與D磨運(yùn)行相比，C磨運(yùn)行時生成的NOx濃度低，壁溫和汽溫等參數(shù)更好，建議多采用ABCEF的磨煤機(jī)運(yùn)行方式。

2.1.2 500 MW負(fù)荷試驗(yàn)

在500 MW進(jìn)行了ABEF、ACEF、ABDF磨煤機(jī)組合方式試驗(yàn)，參數(shù)如表4所示。

表4 500 MW負(fù)荷試驗(yàn)參數(shù)

ABEF、ACEF、ABDF等磨煤機(jī)組合方式試驗(yàn)結(jié)果表明，相同負(fù)荷啟動一臺上層磨煤機(jī)運(yùn)行，NOx會升高30～50 mg/Nm3，建議在500 MW負(fù)荷附近盡量采用四臺磨煤機(jī)代替五臺磨煤機(jī)運(yùn)行。

2.1.3 330 MW左右負(fù)荷試驗(yàn)

在330 MW左右分別進(jìn)行了ABF、AEF等磨煤機(jī)組合方式試驗(yàn)，參數(shù)如表5所示。

表5 330 MW負(fù)荷試驗(yàn)參數(shù)

ABF、AEF、ABEF等磨煤機(jī)組合方式試驗(yàn)結(jié)果表明，相同負(fù)荷停一臺磨煤機(jī)運(yùn)行，NOx可降低60～100 mg/Nm3，且ABF比AEF的磨煤機(jī)組合方式NOx的生成更少。建議在330 MW負(fù)荷附近盡量采用三臺磨煤機(jī)代替四臺磨煤機(jī)運(yùn)行，在降低廠用電率的同時，降低NOx生成，并保證二次風(fēng)箱壓力。

2.2 燃燒器外二次風(fēng)旋流葉片調(diào)整試驗(yàn)

在維持鍋爐其他運(yùn)行參數(shù)基本不變的條件下，通過調(diào)整燃燒器外二次風(fēng)葉片開度改變外二次風(fēng)的風(fēng)量和旋流強(qiáng)度，以考察燃燒器外二次風(fēng)風(fēng)量和旋流強(qiáng)度變化對鍋爐運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性的影響，如表6所示。

表6 燃燒器外二次風(fēng)旋流葉片調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)

外二次風(fēng)旋流葉片開度越大，氣流的旋轉(zhuǎn)越弱，卷吸高溫?zé)煔饣亓鞯哪芰υ讲睿贿m當(dāng)增強(qiáng)燃燒器（尤其是底層燃燒器）的旋流強(qiáng)度，對提高火炬的穩(wěn)燃能力有利。另外，旋流強(qiáng)度增強(qiáng)還會改變火炬的形狀，對火檢探測有利。旋流葉片旋流增強(qiáng)會在一定程度上增加燃燒器噴口的阻力，提高氣流的抗?fàn)t膛負(fù)壓擾動能力。

2.3 燃燒器內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片調(diào)整試驗(yàn)

在維持鍋爐其他運(yùn)行參數(shù)基本不變的條件下，通過調(diào)整燃燒器內(nèi)二次風(fēng)擋板的開度改變?nèi)紵鲀?nèi)二次風(fēng)的風(fēng)量分配和旋流強(qiáng)度，以考察燃燒器內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)量分配和旋流強(qiáng)度對鍋爐運(yùn)行安全性及經(jīng)濟(jì)性的影響，如表7所示。

表7 燃燒器內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)

改變內(nèi)二次風(fēng)的旋流葉片開度，目的是提高穩(wěn)燃能力，但35°的內(nèi)二次風(fēng)旋流會導(dǎo)致偏燒加重和渣量增加。建議內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片的開度調(diào)整為45°。

2.4 中心風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)

如表8所示，中心風(fēng)關(guān)小，可以提高風(fēng)箱壓力，但SCR入口NOx的生成濃度會顯著升高。中心風(fēng)關(guān)小對提高低負(fù)荷火炬著火區(qū)域溫度和穩(wěn)燃有利，但會增加NOx生成。建議考慮在負(fù)荷低于330 MW時，將運(yùn)行層的1號和6號燃燒器的中心風(fēng)關(guān)小至15%運(yùn)行，其他層的中心風(fēng)仍保持55%的開度

表8 中心風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)

2.5 二次風(fēng)配風(fēng)方式調(diào)整試驗(yàn)

通過改變各層二次風(fēng)的調(diào)風(fēng)套筒開度，分別進(jìn)行了正塔型、倒塔型和均等型二次風(fēng)配風(fēng)方式調(diào)整試驗(yàn)，如表9所示。

表9 二次風(fēng)配風(fēng)方式調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)

倒塔型二次風(fēng)配風(fēng)方式可降低SCR入口NOx的濃度，但會造成爐膛左右側(cè)氧量偏差。建議二次風(fēng)小風(fēng)門采用80、45、30、30、45、80的U型二次風(fēng)配風(fēng)方式，在保證二次風(fēng)箱壓力的同時，提高爐膛爐膛熱負(fù)荷和配風(fēng)的均勻性。

3 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究了制粉系統(tǒng)的運(yùn)行方式，分析了制粉系統(tǒng)的不同組合方式、燃燒器外二次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片調(diào)整、中心風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)等對鍋爐出口NOx排放的影響規(guī)律，相關(guān)結(jié)果可以為鍋爐安全環(huán)保經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供參考。

磨煤機(jī)組合方式較多，必須合理選擇。當(dāng)五臺磨煤機(jī)運(yùn)行時，盡量采取ABEF磨加C磨的方式，在500 MW負(fù)荷運(yùn)行時盡早停運(yùn)上層C或D磨煤機(jī)運(yùn)行，保持ABEF制粉系統(tǒng)運(yùn)行。在330 MW運(yùn)行時保持三臺磨煤機(jī)運(yùn)行，推薦ABF磨煤機(jī)的組合方式。燃燒器外二次風(fēng)旋流葉片開度通過試驗(yàn)表明，推薦AF燃燒器外二次風(fēng)旋流葉片開度55°；BE燃燒器外二次風(fēng)旋流葉片開度60°或70°；CD燃燒器外二次風(fēng)旋流葉片開度70°。

燃燒器內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片開度通過試驗(yàn)表明，推薦燃燒器內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片開度統(tǒng)一開至45°。中心風(fēng)門開度通過試驗(yàn)表明，推薦330 MW及以上負(fù)荷：中心風(fēng)門開至55%；對于330 MW以下負(fù)荷，將未投運(yùn)燃燒器的中心風(fēng)門關(guān)小至10%。在一系列的試驗(yàn)過程中，煤種變化對NOx的排放有一定的影響。