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1、1基于风煤调平的煤粉锅炉低氮燃烧控制新技术研究程加东 1 张茂勇 2 李学颜 1摘要：本文分析了电站锅炉由于风煤分配不平衡对炉内燃烧的不利影响及现有常规低氮燃烧技术在实践中存在的诸多问题，提出了数字化燃烧控制新技术方案，并在华能北京热电厂进行了实验研究，实现了大幅降低 NOx 生成量 45%以上、降低供电标煤耗4g/kWh 以上、并明显改善锅炉运行安全性，与现有常规低氮燃烧技术相比在减排技术效果、节能性、安全性和经济性等方面具有显著优势，可为我国大型燃煤锅炉实现近零排放提供新的技术实现途径。关键词：风煤平衡 煤粉浓度 数字化 低氮燃烧1 问题的提出1.1 风煤分配不平衡对锅炉运行安全性、NOx
2、 生成量及锅炉效率的影响电站煤粉锅炉燃烧器过量空气系数对炉内燃烧状态具有决定性的作用，如果一次风媒系统分配不平衡、炉内空气动力场出现明显偏离等，将会导致炉内的燃烧状况恶化。我国电站锅炉的运行实践中，由于目前难以精确、实时、全面地监测煤粉浓度、各风管风量风压等参数，并缺乏调平依据和手段，在已建成投产的 300MW 级、600MW 级、1000MW 级的各类机组锅炉中，均大量存在一次风媒系统不平衡、二次风分配不平衡等问题，而在锅炉建成调试时虽然进行了基本风煤系统的调平，但其实际调节效果缺乏精确评估依据，其数据缺乏可靠性，而采用高精度煤粉浓度检测仪、高精度风速风量测量仪等的实测表明，电站锅炉风煤不平
3、衡问题较为突出和普遍。1.2 目前常规低氮燃烧技术存在的问题及其成因目前电站锅炉已广泛采用低氮燃烧技术以达到氮氧化物的排放指标，实测表明，低氮燃烧改造可显著降低 NOx 的生成量，但其又会产生其它诸多问题，例如机组最小技术出力降低，调峰能力差；AGC 控制的调节特性能差，主汽压力偏差大、汽包水位波动，在低负荷时在原有控制方式下的炉膛压力波动大；运行经济性差，主要体现在：飞灰含碳量增大；再热汽温偏低 1。导致上述问题的主要原因是在应用中存在着技术瓶颈：即1 青岛立宇科技开发有限责任公司2 北京中科华誉工业能源技术研究所2燃烧器之间煤粉分配偏差过大，有的磨煤机燃烧器之间存在高达30%50%的分配偏
4、差，而运行人员经常通过提高二次风量的方法弥补这种偏差，由此不但增加了排烟损失，也增加了氮氧化物排放浓度。因此，必需对煤粉分配偏差进行调平，以彻底解决上述问题。2 基于高精度风煤调平的低氮燃烧控制技术路线及实现手段2.1 技术路线实现风煤调平低氮燃烧的基本途径就是解决上述风煤分配不平衡问题，达到各燃烧器喷入的煤粉、一次风、二次风的流量平衡、流速分布和压力分布的互相匹配，形成最佳的空燃比、空气动力场和适宜的过量空气系数，实现燃烧过程的均衡发展、低 NOx 的燃烧气氛和适宜的燃烧温度及燃烧的稳定性。数字化风煤调平燃烧控制系统首先采用先进的采用绝对量测量方法准确测量出一、二次风量和煤粉的分配状况及其偏
5、差量，然后用专利设计的调节元件把一、二次风量和煤粉偏差调整到一定的范围，以保证每个燃烧器内的过量空气系数基本达到设计值。进行数字化燃烧控制系统改造的主要内容包括：通过 CFD 设计把二次风及燃尽风大风箱分隔成与燃烧器及燃尽风喷口数量相对应的分体式风道，并在每个分体式风道加装风量测量装置及特制的调节风门；在每个煤粉管上加装特制的电动球形调节阀及煤粉浓度、流速和质量流量测量装置；在每台磨煤机分离器内对应于每个风粉管加装一台电动浓度调节挡板。该数字化风煤调平燃烧控制技术系统的组成如下图所示。3图 1：高精度数字化燃烧控制系统图2.2 实现手段采用新型测量技术实时在线测量并显示煤粉浓度、流速、质量流量
6、及其变化过程，进而采用专利设计的煤粉浓度调节器和煤粉流速调节器，对煤粉流速和浓度进行在线调整，使煤粉流速、浓度、质量流量达到高度均匀，其中煤粉流速偏差在 1 米/秒以内，煤粉质量流量偏差在5%以内。采用高精度的煤粉质量流量测量手段和控制执行机构，并与一次风、二次风的精确实时测量与控制相结合，成为有效实施该风煤调平低氮燃烧的关键环节。煤粉质量流量的测量采用绝对量测量原理，其优点是测量结果分辨率高，而且能根据给煤机的测量信号对煤粉质量流量的测量结果进行校验，及时发现测量系统是否工作正常。下图为某电厂进行煤粉调平前后煤粉分配状况的对比，其中编号为 S01 的煤粉管的煤粉质量流量由原有高出其它煤粉管近
7、 1 倍降低到与其它煤粉管基本相当，可见实施调平的必要性和有效性。图 2：某电厂煤粉浓度调节器安装前后煤粉分配发生变化3 基于高精度风煤调平的低氮燃烧技术改造实际案例及其分析43.1 电厂现状及原有低氮燃烧实测分析华能北京（高碑店）热电厂一期四台锅炉，系德国 BABCOCK 公司设计、武汉锅炉厂生产的 W 型火焰、带飞灰复燃装置的液态排渣塔式直流锅炉。从机组投产至今，炉膛振动一直威胁着锅炉运行安全，并且液态排渣锅炉燃烧过程产生的氮氧化物浓度较高,机组满负荷工况下锅炉燃烧产生的氮氧化物约 700mg/Nm3。北京市从 2008 年 7 月 1 日执行第二阶段环保排放标准,要求燃煤锅炉氮氧化物排放
8、浓度小于 100mg/Nm3，导致电厂脱硝设备运行压力大、脱硝运行成本高。从 2012 年初开始，电厂开始对 14 号炉进行低氮燃烧调整，希望通过燃烧调整，降低 SCR 入口的氮氧化物浓度。锅炉燃烧系统采用德国巴布科克公司设计的 WSD 型低氮氧旋流燃烧器，该厂的每台燃烧器都有独立的二次风管道，并安装有二次风量在线测量装置，实现了每台燃烧器配风的实时在线控制，据此可以通过调整每台燃烧器出口的过量空气系数降低火焰中的氮氧化物生成量。由于当初没有高精度测量与控制煤粉分配的技术，部分燃烧器具有较高的氮氧化物排放。3.2 采用风煤精确调平后的试验对比煤粉调平试验采用了德国 PROMECON立宇科技公司
9、的成套风煤在线调平系统，包括高精度数字化实时在线测量仪器，和可以调整煤粉浓度的调节挡板，在试验中对煤粉流速、浓度和质量流量进行连续测量并对浓度调节器进行调整。以下数据是对#3 磨煤机调整前后每台燃烧器的过量空气系数变化情况。表 1 对#3 磨煤机调整前后每台燃烧器的过量空气系数变化燃烧器名称调整前燃烧器出口过量空气系数调整后燃烧器出口过量空气系数31 燃烧器 0.80 0.8232 燃烧器 0.69 0.7633 燃烧器 0.84 0.8134 燃烧器 0.78 0.82在采用浓度调节挡板调整之前，实测的煤粉质量流量的最大偏差为+12.89%，流速偏差为 3.5 米/秒，燃烧器出口过量空气系数
10、的最大值和最小值分别为 0.84 和 0.687；而采用浓度调节挡板调整之后，质量流量偏差降低至+5.23%，流速偏差 1.5 米/秒以内，5燃烧器出口过量空气系数的最大值和最小值分别为 0.816 和 0.758。第二次煤粉调平试验使 SCR 入口的氮氧化物浓度降低到约 350380mg/Nm3，同时改善和消除了一氧化碳过高、炉墙振动较大等问题。3.3 新风煤调平系统改造后的减排、节能与稳定燃烧的技术效果评估经煤粉调平和降低燃烧器内过量空气系数的试验，使 3 号炉每个燃烧器的过量空气系数都在 0.75-0.82 之间。四台炉满负荷工况下脱硝 SCR 反应器入口的 NOX已经由最初的 700m
11、g/Nm3左右降低到目前的 350380mg/Nm 3左右，降幅达 320mg/Nm以上，全年四台炉减少氮氧化物生成量约 5100 吨，减少脱硝尿素消耗量约 2800 吨，减少脱硝燃油消耗量约 300 吨，还可大幅延长脱硝装置中催化剂板的更换周期。通过适当降低每个燃烧器出口的过量空气系数，飞灰可燃物含量不上升反而有所下降，锅炉排烟中一氧化碳浓度大幅降低，机组供电煤耗下降约 4g/kWh。同时由于锅炉总风量减少，风机电耗明显下降，四台炉风机电耗每年减少约 900 万度。经过两年时间的运行证明，锅炉低氮氧燃烧调整后没有发生高温腐蚀、结大焦等威胁锅炉安全的情况，锅炉炉墙振动得到明显改善。这些结果说明
12、通过采用高精度的数字化煤粉调平技术并结合煤粉浓度调节器的应用，能有效降低煤粉流速和质量流量偏差，并结合适当减小燃烧器内过量空气系数，是降低锅炉燃烧过程中产生氮氧化物和提高锅炉效率的有效手段。因此，该基于风煤调平的低氮燃烧控制新技术方式对电站锅炉运行具有稳定燃烧、洁净燃烧、高效燃烧、经济燃烧等多重重要意义。4 结论与讨论（1） 电站锅炉由于风煤分配不平衡引起炉内燃烧恶化，而现有低氮燃烧技术在实践中加剧了上述问题，对锅炉运行稳定性、安全性、排烟中一氧化碳含量及飞灰含碳量、锅炉效率等产生不利影响，其根本原因在于对于一次风媒系统、二次风等缺乏精确实时的测量和调节控制方法。（2） 数字化风煤调平低氮燃烧
13、技术系统，依据创新性的风煤调平和低氮燃烧机理及其技术实现形式，采用领先的煤粉质量流量测量方法及一次风、二次风的流量测量方法和执行机构，可实现精确测量、进而精准调节燃烧器的空燃比和过量空气系数，从而保证炉内处于所需的空气动力场、燃烧处于低 NOx 稳燃气氛，降低烟气6中的一氧化碳含量、飞灰含碳量及含氧量，大幅降低脱硝装置入口 NOx 含量、减少脱硝用尿素、燃油及催化剂等的耗费、减少鼓引风机耗电量等，并可有效提高锅炉运行的稳定性、安全性。（3） 此一技术系统在华能北京热电厂的锅炉改造实例表明，其实现了精确测量、精确调节一次风媒系统、二次风的参数，可实现氮氧化物生成量由超过 700mg/Nm降低到
14、350380mg/Nm、从而降低脱硝运行各项耗费，可降低供电标煤耗超过4g/kWh，可有效改善锅炉的燃烧状况，基本消除结大焦、异常振动、停炉等运行问题，有力地验证了数字化风煤调平低氮燃烧技术系统的有效性。（4） 随着国家节能环保政策要求日益严格，在电站燃煤锅炉等大型燃煤锅炉中大规模推广该新型低氮燃烧技术具有技术可行性和实际需求，估算未来 510 年内可实施的大型锅炉台数超过 1000 台，每年产生的氮氧化物减排量超过 15 万 t，市场容量可达 600800 亿元，并可为我国电力等行业等的大型锅炉实现近零排放提供重要的新型技术途径。1邢秀峰、刘建华、张建伟，低氮燃烧器及脱硝改造后机组存在的问题及应对措施，2014 火电厂污染物净化与节能技术研讨会论文集，中国动力工程学会，2014.07，5458
