干排渣系统降氮节能改造技术研究及应用

何彦鹏 刘宏举 郝 峰

国电电力邯郸热电厂

0 引言

自1999年我国引进第一台干排渣系统投运至今，干排渣系统以其系统简单、节水、环保及灰渣综合利用好的优势得到广泛认可和迅速发展[1，2]。随着运行时间的积累和对干排渣系统的深入了解，干排渣系统普遍存在的冷却风量大、炉底漏风严重、扰乱锅炉燃烧、影响锅炉效率等问题逐渐引起了人们的关注。由意大利发明并研制成功的干排渣系统，在国外推广和应用上受到了限制[3，4]。但由于国情的不同，随着我国水资源匮乏问题的日趋严重，干排渣系统于2001年7月被我国列入鼓励发展的节水设备（产品）目录，客观上确定了干排渣系统为首选设备。本文通过对干排渣系统目前存在的主要问题进行分析，从燃烧角度考虑对干排渣系统进行改造，在一定程度上解决干排渣系统目前存在的诸多问题，使干排渣技术的应用更符合国家节能减排的政策方针。

1 干排渣系统存在的主要问题

干排渣系统是将煤粉燃烧后的炉底渣，通过输送钢带缓慢输送至锅炉房外渣仓，输送钢带向外输送高温炉渣的同时，冷空气在炉膛负压的作用下，渣机箱体上开设的进风口逆向冷却热渣，从炉底进入炉膛提供部分煤粉燃烧所需要的空气量。

在实际运行中，由于干排渣系统风量调节机构的可调性差、调节范围窄，缺乏有效的实时进风量调节，因此，未能随排渣量的波动而有效地调节进风量。《大中型火力发电厂设计规范》中“当采用风冷式排渣机方案时，为了保证在所有工况下干排渣机的排渣温度不过高，以满足后续设备的安全运行，设计冷却风量应满足最大排渣量要求，最大出力宜不小于锅炉最大连续蒸发量时燃用设计煤种排渣量的250%”，因此干式排渣系统实际热渣冷却风量往往可达到锅炉总燃烧空气量的4%～5%[5]。

大量的“无序”漏风进入炉膛不仅吸收炉膛辐射热造成炉膛温度降低，而且直接扰乱燃烧的“有序”配风，导致炉膛火焰中心偏移、过热器和再热器超温、减温水量增大、排烟温度升高、机组运行经济性降低等问题。本文结合西南电力设计院、华北电力设计院和国电科学技术研究院等科研单位对干排渣系统的研究得出以下结论。

1.1 干排渣系统对锅炉燃烧的影响

1)在入炉总燃烧空气量保持不变的情况下，炉膛底部漏风将造成燃烧器二次风的风量减少，使燃烧器卷吸高温烟气的能力减弱，从而导致主燃区的燃烧组织变差，煤粉着火推迟、不易燃尽，飞灰含碳量升高。

2)炉膛底部漏风抬高了炉膛火焰中心位置，导致过热器、再热器受热面金属壁超温，引起减温水量增加。

3)燃烧控制炉膛总氧量，干排渣系统冷却风作为燃烧所需空气从炉底送入，经过空气预热器的空气量会相应减少，造成空气预热器吸热量下降，锅炉排烟温度将有所上升。同时炉膛底部漏风抬高了炉膛火焰中心位置，导致空预器入口烟温上升，将引起锅炉排烟温度上升[6]。

1.2 干排渣系统对锅炉低负荷的影响

按照国电电力邯郸热电厂锅炉《运行规程》要求，一般情况下，锅炉正常运行时，无论负荷高或低，炉膛负压都维持在-30 Pa左右，即：无论锅炉负荷如何变化，炉膛对干排渣系统的抽力不变，使低负荷时进入炉膛的热渣冷却风与高负荷时几乎相同。

机组正常运行中，随着锅炉负荷的降低，炉膛燃烧温度、排渣量逐渐下降，热渣冷却风的温度也会随之降低。当低温热渣冷却风由底部进入炉膛后，一方面大量吸收炉膛辐射热，造成炉膛温度进一步降低。另一方面由于低负荷时，热渣冷却风所占比例增加，加上自身升温、扩容膨胀，对燃烧器组织的配风也将产生更强烈的扰动。因此，负荷越低，热渣冷却风对设备安全和经济运行的影响越大。

1.3 干排渣系统对锅炉NOx浓度的影响

影响NOx生成浓度的主要因素为主燃烧区的氧量控制。由于热渣冷却风是由炉膛底部直接进入主燃烧区，对主燃烧区欠氧运行抑制NOx的生成影响很大。受运行安全因素的制约，锅炉低负荷运行时的氧量明显大于高负荷，因此随着负荷的降低，NOx生成浓度呈上升趋势。但是，随着锅炉负荷的降低、热渣冷却风比例的增加，势必助推NOx生成浓度进一步上升。因此，随着负荷的降低，热渣冷却风对NOx生成浓度的影响也就越来越大[7]。

1.4 干排渣系统对锅炉效率的影响

西南电力设计院通过大量试验数据和试验曲线，并结合干排渣系统的运行情况，发现当热渣冷却风比例小于0.45%时，才能保证干式排渣系统对锅炉效率影响较小。在实际运行中，大多数燃煤电厂热渣冷却风比例均大于1.5%。当热渣冷却风比例增加时，锅炉效率也随之下降。以其中一台试验的1000 MW机组为例，仅当热渣冷却风比例由0.40%升至0.96%时，实测锅炉效率降低0.34%[8]。

2 研究对象

国电电力邯郸热电厂12号锅炉型号为B&WB-670/13.7-M型,由北京锅炉厂引进美国B&W(巴布科克·威尔科克斯)公司技术制造。12号炉于1999年9月投产。锅炉为超高压参数、一次中间再热、单汽包、自然循环、半露天、单炉膛、Π形布置、平衡通风、固态排渣煤粉锅炉。锅炉采用钢球磨煤机中间储仓式热风送粉系统，前后墙对冲燃烧方式。前后墙布置18台低NOx燃烧器和16台燃尽风（OFA）燃烧器。锅炉主要参数见表1。

表1 锅炉主要参数

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3 干排渣系统节能改造方案

2010年国电电力邯郸热电厂12号锅炉排渣系统由湿式捞渣机改为干排渣后，由于炉底漏风始终偏高，严重影响NOx的生成浓度和锅炉热效率，2020年4月机组检修期间，对12号锅炉进行了干排渣降氮节能改造。

干排渣系统节能减排改造，即在风机作用下，将与炉底渣完成热交换的热渣冷却风，经干渣机箱体上设置的排风口引出，经除尘器后通过风机送入送风机冷风箱，经空气预热器加热后通过燃烧器“有序、可控”送入炉膛，最终将冷却风由炉膛底部“无序”漏风，改造为由燃烧器组织的“有序”用风。

3.1 干排渣改造冷却风系统流程

钢带上与炉底大渣完成热交换的冷却风→干渣机箱排风口→除尘器→冷却风机（增压）→送风机冷风箱（送风机出口）→空气预热器（加热）→燃烧器（送入炉膛）。干排渣系统节能改造流程见图1。

图1 干排渣系统节能改造流程图

1）调节阀执行机构控制风机运行，控制系统接入DCS管理，实现在集中控制室完成对改造系统的实时监控。

2）抽出的热渣冷风中携带的渣粒经除尘器分离后，通过锁气器返回输送钢带。

3）实时采集冷却风量、冷却风压力、冷却风温度、风机电流、轴承温度、电机温度、渣温等主要运行参数并远程传至DCS。

4）改造系统设置完善的报警功能和连锁保护。

5）改造后将提高锅炉设备对煤质和负荷波动的适应性，有利于提高配煤比例、减少结焦。

6）改造系统接入DCS管理系统，在集中控制室完成改造系统运行参数的实时监控和调整。

4 干排渣系统节能改造后性能试验

为了掌握12号锅炉干排渣系统节能改造后锅炉运行情况，2020年12月国电电力邯郸热电厂委托国电科学技术研究院对12号锅炉干排渣系统节能改造进行了性能鉴定试验。本次性能试验分别在12号锅炉195 MW、140 MW和125 MW负荷下，进行锅炉排烟温度、SCR入口NOx浓度和锅炉效率测试。

4.1 排烟温度及SCR入口NOx测试结果

在各负荷工况运行方式下，锅炉的入炉煤、总给煤量、送/引风机运行电流、总风量、磨煤机运行方式及锅炉运行氧量等参数保持不变的情况下，进行干渣机冷却风机启动前后空气预热器出口烟气温度和SCR入口NOx浓度测试，测试结果见表2。

表2 排烟温度及SCR入口NOx测试结果

4.2 锅炉效率测试及计算结果

在各负荷工况运行方式下，测试送风机入口空气温度、相对湿度，空预器出口烟气成分及排烟温度等参数，采样分析入炉煤质及飞灰、大渣含碳量，按照《锅炉性能试验规程》ASME PTC4.1-1964标用反平衡法计算锅炉效率。根据锅炉原设计边界条件，考虑空预器入口风温和烟气温度对排烟温度的修正，锅炉效率测试结果见表3。

由表3可知，锅炉在195 MW负荷下，干渣机风机投运时锅炉效率为88.12%，干渣机风机停运时锅炉效率为87.80%；在140 MW负荷下，干渣机风机投运时锅炉效率为90.14%，干渣机风机停运时锅炉效率为89.39%；在125 MW负荷下，干渣机风机投运时锅炉效率为89.82%，干渣机风机停运时锅炉效率为89.77%。

5 结论

除渣系统是燃煤锅炉重要的附属系统之一，直接关系到锅炉设备的安全和经济运行。目前干排渣系统已逐渐引领我国火电厂煤粉炉的除渣系统，应注重干排渣系统对脱硝减排降氮以及节能降耗所造成的影响。

国电电力邯郸热电厂12号锅炉排渣系统改造是继大唐清苑热电厂1号锅炉干渣机系统改造后第二次从燃烧角度考虑对干渣机的改造。改造对锅炉设备的深度影响尚需进一步摸索。由改造后的试验数据可见，干排渣系统降氮节能改造对提高炉膛稳燃能力、机组负荷的深度调整，劣质煤种的大比例配煤掺烧、对易结焦煤种的应变能力、前端NOx生成浓度和锅炉整体经济性，都将有进一步深度优化和改善作用。

表3 锅炉效率测试及计算结果

脱硝深度减排干渣机系统降氮节能改造，将使干排渣系统无论在节水、环保、大渣的综合利用方面，以及在锅炉设备安全和经济运行方面，都将成为更完善的排渣系统，更符合国家节能减排的政策。