干排渣系統降氮節能改造技術研究及應用

何彥鵬 劉宏舉 郝 峰

國電電力邯鄲熱電廠

0 引言

自1999年我國引進第一臺干排渣系統投運至今，干排渣系統以其系統簡單、節水、環保及灰渣綜合利用好的優勢得到廣泛認可和迅速發展[1，2]。隨著運行時間的積累和對干排渣系統的深入了解，干排渣系統普遍存在的冷卻風量大、爐底漏風嚴重、擾亂鍋爐燃燒、影響鍋爐效率等問題逐漸引起了人們的關注。由意大利發明并研制成功的干排渣系統，在國外推廣和應用上受到了限制[3，4]。但由于國情的不同，隨著我國水資源匱乏問題的日趨嚴重，干排渣系統于2001年7月被我國列入鼓勵發展的節水設備（產品）目錄，客觀上確定了干排渣系統為首選設備。本文通過對干排渣系統目前存在的主要問題進行分析，從燃燒角度考慮對干排渣系統進行改造，在一定程度上解決干排渣系統目前存在的諸多問題，使干排渣技術的應用更符合國家節能減排的政策方針。

1 干排渣系統存在的主要問題

干排渣系統是將煤粉燃燒后的爐底渣，通過輸送鋼帶緩慢輸送至鍋爐房外渣倉，輸送鋼帶向外輸送高溫爐渣的同時，冷空氣在爐膛負壓的作用下，渣機箱體上開設的進風口逆向冷卻熱渣，從爐底進入爐膛提供部分煤粉燃燒所需要的空氣量。

在實際運行中，由于干排渣系統風量調節機構的可調性差、調節范圍窄，缺乏有效的實時進風量調節，因此，未能隨排渣量的波動而有效地調節進風量。《大中型火力發電廠設計規范》中“當采用風冷式排渣機方案時，為了保證在所有工況下干排渣機的排渣溫度不過高，以滿足后續設備的安全運行，設計冷卻風量應滿足最大排渣量要求，最大出力宜不小于鍋爐最大連續蒸發量時燃用設計煤種排渣量的250%”，因此干式排渣系統實際熱渣冷卻風量往往可達到鍋爐總燃燒空氣量的4%～5%[5]。

大量的“無序”漏風進入爐膛不僅吸收爐膛輻射熱造成爐膛溫度降低，而且直接擾亂燃燒的“有序”配風，導致爐膛火焰中心偏移、過熱器和再熱器超溫、減溫水量增大、排煙溫度升高、機組運行經濟性降低等問題。本文結合西南電力設計院、華北電力設計院和國電科學技術研究院等科研單位對干排渣系統的研究得出以下結論。

1.1 干排渣系統對鍋爐燃燒的影響

1)在入爐總燃燒空氣量保持不變的情況下，爐膛底部漏風將造成燃燒器二次風的風量減少，使燃燒器卷吸高溫煙氣的能力減弱，從而導致主燃區的燃燒組織變差，煤粉著火推遲、不易燃盡，飛灰含碳量升高。

2)爐膛底部漏風抬高了爐膛火焰中心位置，導致過熱器、再熱器受熱面金屬壁超溫，引起減溫水量增加。

3)燃燒控制爐膛總氧量，干排渣系統冷卻風作為燃燒所需空氣從爐底送入，經過空氣預熱器的空氣量會相應減少，造成空氣預熱器吸熱量下降，鍋爐排煙溫度將有所上升。同時爐膛底部漏風抬高了爐膛火焰中心位置，導致空預器入口煙溫上升，將引起鍋爐排煙溫度上升[6]。

1.2 干排渣系統對鍋爐低負荷的影響

按照國電電力邯鄲熱電廠鍋爐《運行規程》要求，一般情況下，鍋爐正常運行時，無論負荷高或低，爐膛負壓都維持在-30 Pa左右，即：無論鍋爐負荷如何變化，爐膛對干排渣系統的抽力不變，使低負荷時進入爐膛的熱渣冷卻風與高負荷時幾乎相同。

機組正常運行中，隨著鍋爐負荷的降低，爐膛燃燒溫度、排渣量逐漸下降，熱渣冷卻風的溫度也會隨之降低。當低溫熱渣冷卻風由底部進入爐膛后，一方面大量吸收爐膛輻射熱，造成爐膛溫度進一步降低。另一方面由于低負荷時，熱渣冷卻風所占比例增加，加上自身升溫、擴容膨脹，對燃燒器組織的配風也將產生更強烈的擾動。因此，負荷越低，熱渣冷卻風對設備安全和經濟運行的影響越大。

1.3 干排渣系統對鍋爐NOx濃度的影響

影響NOx生成濃度的主要因素為主燃燒區的氧量控制。由于熱渣冷卻風是由爐膛底部直接進入主燃燒區，對主燃燒區欠氧運行抑制NOx的生成影響很大。受運行安全因素的制約，鍋爐低負荷運行時的氧量明顯大于高負荷，因此隨著負荷的降低，NOx生成濃度呈上升趨勢。但是，隨著鍋爐負荷的降低、熱渣冷卻風比例的增加，勢必助推NOx生成濃度進一步上升。因此，隨著負荷的降低，熱渣冷卻風對NOx生成濃度的影響也就越來越大[7]。

1.4 干排渣系統對鍋爐效率的影響

西南電力設計院通過大量試驗數據和試驗曲線，并結合干排渣系統的運行情況，發現當熱渣冷卻風比例小于0.45%時，才能保證干式排渣系統對鍋爐效率影響較小。在實際運行中，大多數燃煤電廠熱渣冷卻風比例均大于1.5%。當熱渣冷卻風比例增加時，鍋爐效率也隨之下降。以其中一臺試驗的1000 MW機組為例，僅當熱渣冷卻風比例由0.40%升至0.96%時，實測鍋爐效率降低0.34%[8]。

2 研究對象

國電電力邯鄲熱電廠12號鍋爐型號為B&WB-670/13.7-M型,由北京鍋爐廠引進美國B&W(巴布科克·威爾科克斯)公司技術制造。12號爐于1999年9月投產。鍋爐為超高壓參數、一次中間再熱、單汽包、自然循環、半露天、單爐膛、Π形布置、平衡通風、固態排渣煤粉鍋爐。鍋爐采用鋼球磨煤機中間儲倉式熱風送粉系統，前后墻對沖燃燒方式。前后墻布置18臺低NOx燃燒器和16臺燃盡風（OFA）燃燒器。鍋爐主要參數見表1。

表1 鍋爐主要參數

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3 干排渣系統節能改造方案

2010年國電電力邯鄲熱電廠12號鍋爐排渣系統由濕式撈渣機改為干排渣后，由于爐底漏風始終偏高，嚴重影響NOx的生成濃度和鍋爐熱效率，2020年4月機組檢修期間，對12號鍋爐進行了干排渣降氮節能改造。

干排渣系統節能減排改造，即在風機作用下，將與爐底渣完成熱交換的熱渣冷卻風，經干渣機箱體上設置的排風口引出，經除塵器后通過風機送入送風機冷風箱，經空氣預熱器加熱后通過燃燒器“有序、可控”送入爐膛，最終將冷卻風由爐膛底部“無序”漏風，改造為由燃燒器組織的“有序”用風。

3.1 干排渣改造冷卻風系統流程

鋼帶上與爐底大渣完成熱交換的冷卻風→干渣機箱排風口→除塵器→冷卻風機（增壓）→送風機冷風箱（送風機出口）→空氣預熱器（加熱）→燃燒器（送入爐膛）。干排渣系統節能改造流程見圖1。

圖1 干排渣系統節能改造流程圖

1）調節閥執行機構控制風機運行，控制系統接入DCS管理，實現在集中控制室完成對改造系統的實時監控。

2）抽出的熱渣冷風中攜帶的渣粒經除塵器分離后，通過鎖氣器返回輸送鋼帶。

3）實時采集冷卻風量、冷卻風壓力、冷卻風溫度、風機電流、軸承溫度、電機溫度、渣溫等主要運行參數并遠程傳至DCS。

4）改造系統設置完善的報警功能和連鎖保護。

5）改造后將提高鍋爐設備對煤質和負荷波動的適應性，有利于提高配煤比例、減少結焦。

6）改造系統接入DCS管理系統，在集中控制室完成改造系統運行參數的實時監控和調整。

4 干排渣系統節能改造后性能試驗

為了掌握12號鍋爐干排渣系統節能改造后鍋爐運行情況，2020年12月國電電力邯鄲熱電廠委托國電科學技術研究院對12號鍋爐干排渣系統節能改造進行了性能鑒定試驗。本次性能試驗分別在12號鍋爐195 MW、140 MW和125 MW負荷下，進行鍋爐排煙溫度、SCR入口NOx濃度和鍋爐效率測試。

4.1 排煙溫度及SCR入口NOx測試結果

在各負荷工況運行方式下，鍋爐的入爐煤、總給煤量、送/引風機運行電流、總風量、磨煤機運行方式及鍋爐運行氧量等參數保持不變的情況下，進行干渣機冷卻風機啟動前后空氣預熱器出口煙氣溫度和SCR入口NOx濃度測試，測試結果見表2。

表2 排煙溫度及SCR入口NOx測試結果

4.2 鍋爐效率測試及計算結果

在各負荷工況運行方式下，測試送風機入口空氣溫度、相對濕度，空預器出口煙氣成分及排煙溫度等參數，采樣分析入爐煤質及飛灰、大渣含碳量，按照《鍋爐性能試驗規程》ASME PTC4.1-1964標用反平衡法計算鍋爐效率。根據鍋爐原設計邊界條件，考慮空預器入口風溫和煙氣溫度對排煙溫度的修正，鍋爐效率測試結果見表3。

由表3可知，鍋爐在195 MW負荷下，干渣機風機投運時鍋爐效率為88.12%，干渣機風機停運時鍋爐效率為87.80%；在140 MW負荷下，干渣機風機投運時鍋爐效率為90.14%，干渣機風機停運時鍋爐效率為89.39%；在125 MW負荷下，干渣機風機投運時鍋爐效率為89.82%，干渣機風機停運時鍋爐效率為89.77%。

5 結論

除渣系統是燃煤鍋爐重要的附屬系統之一，直接關系到鍋爐設備的安全和經濟運行。目前干排渣系統已逐漸引領我國火電廠煤粉爐的除渣系統，應注重干排渣系統對脫硝減排降氮以及節能降耗所造成的影響。

國電電力邯鄲熱電廠12號鍋爐排渣系統改造是繼大唐清苑熱電廠1號鍋爐干渣機系統改造后第二次從燃燒角度考慮對干渣機的改造。改造對鍋爐設備的深度影響尚需進一步摸索。由改造后的試驗數據可見，干排渣系統降氮節能改造對提高爐膛穩燃能力、機組負荷的深度調整，劣質煤種的大比例配煤摻燒、對易結焦煤種的應變能力、前端NOx生成濃度和鍋爐整體經濟性，都將有進一步深度優化和改善作用。

表3 鍋爐效率測試及計算結果

脫硝深度減排干渣機系統降氮節能改造，將使干排渣系統無論在節水、環保、大渣的綜合利用方面，以及在鍋爐設備安全和經濟運行方面，都將成為更完善的排渣系統，更符合國家節能減排的政策。