３００ＭＷ燃煤机组降低锅炉ＮＯｘ排放的试验研究

艾　辉

[摘 要]对于现今已采用低NOx燃烧技术的电站锅炉,燃烧调整是降低NOx排放的主要方法。通过对某电厂1025t/h锅炉进行燃烧调整试验研究,分析了电站锅炉运行参数对NOx排放量的影响,确定了锅炉低NOx运行方式,为锅炉的低NOx运行起到了指导作用。

[关键词]燃烧调整;低NOx排放;试验研究

我国的煤炭产量高居世界第一,故燃煤火力发电是我国主要的发电形式,据统计,我国约80%的电力能源、70%的工业燃料、60%的华工原料、80%的供热和民用燃料都来自煤。研究发现每燃烧1t煤就产生约8~9kg氮氧化物,所以燃煤锅炉是我国氮氧化物污染的主要污染源之一。由于锅炉排烟中的氮氧化物会造成酸雨和光化学烟雾,对人类健康乃至整个生态系统的危害相当大,故对其排放量的控制已引起全球范围的普遍重视。因此现在电站从保护环境和自身利益考虑已经开始非常注重控制NOx的排放。

降低NOx排放现在已经有了很多方法,但对电厂来说最经济和快捷的方法还应该是燃烧调整。燃烧调整通常是通过调整影响NOx生成的因素,如过量空气系数,风粉配比,风量配比等,以达到在燃烧过程中把NOx的生成量降到最低并且不损失锅炉效率。通过对某电厂1025t/h锅炉进行试验研究,分析了NOx排放量与电站锅炉运行参数的关系,以指导锅炉的低NOx运行。

一、设备简介

哈热电厂300MW机组锅炉为哈尔滨锅炉厂有限公司按引进美国燃烧公司技术设计生产制造的亚临界中间一次再热自然循环汽包炉,配300MW机组,锅炉型号为HG-1025/17.5-YM36,平衡通风,采用BBD4060B型双进双出式钢球磨煤机正压直吹式制粉系统,单炉膛,四角切圆燃烧方式。

锅炉采用一次风正压直吹系统,配有3台BBD4060B双进双出球磨机,分别对应六层燃烧器,燃烧器采用四角布置,同心切圆燃烧方式。燃烧器喷嘴结构一次风四周通以周界风,一、二次风间隔布置,每角燃烧器风箱分成13层、顶部附加分离式SOFA两层喷嘴消旋和控制NOx的排放量,周结风用已冷却一次风喷嘴并控制燃料着火点,为了改善着火性能、提高火焰的稳定性,燃烧器采用上下浓淡分离宽节比WR煤粉喷嘴及同心切圆燃烧方式,这样不仅能使煤粉完全燃烧,同时也减少了煤粉气流对水冷壁的冲刷,减轻了炉膛的结焦。本燃烧器采用CE传统的大风箱结构,由隔板将大风箱分割成若干风箱,在各风室的出口处布置数量不等的燃烧器喷嘴,顶部燃尽风室可作上30o,下5o的摆动,一次风嘴可上下摆动各20o,二次风喷嘴可作上下各30o的摆动,已此来改变燃烧中心区的位置,调节炉膛各辐射受热面的吸热量,从而调节再热汽温。每只燃烧器共有6种16个风室15个喷嘴。其中顶部燃尽风室二个,上部空气风室一个,煤粉风室6个,油风室三个。根据各风室的高度不同,布置数量不等的喷嘴。顶部燃尽风室,每个风室布置一个喷嘴。为了防止炉膛结焦,采用较小单只喷嘴热功率,煤粉喷嘴的周界风为非对称型式,在喷嘴出口的向火面为小周界风量,背火面为大周界风,其目的是增加水冷壁附近的氧化性气氛,防止燃烧器区域结焦。同时,在燃烧器上下各设有50mm高的防焦风,采用燃烧器分组拉开式布置及合理配风,形式,可有效的控制NOx排放量。本煤粉燃烧器采用WR宽调比煤粉燃烧技术,有利于保证及时着火及燃烧稳定,确保及时燃尽,能有效抑制NOx排反放,保证锅炉效率。

二、试验

1.试验标准。试验依据是中华人民共和国国家标准GB10184-88《电站锅炉性能试验规程》、此电厂《300MW锅炉运行规程》和《电业安全工作规程》(热力机械部分)。

2.试验数据的采集。在A、B空预器出口矩形烟道垂直段中利用网格法进行烟气分析和温度的测量;使用空预器出口与电除尘入口水平段中的飞灰取样器确定飞灰含碳量;从炉底灰池人工采集炉渣并缩分,作为炉渣代表样;原煤在试验开始前在给煤机出口处进行采样;煤粉在给粉机插板门附近的取样口取得,所取样品立即送到化学进行分析化验,以保证分析结果的准确性和及时性;另外,留取所有试验工况下原煤进行元素分析;锅炉主要运行参数采用人工抄表。

3.试验内容和试验结果。对于燃煤锅炉来说,影响NOx生成的因素非常复杂,主要包括3个方面:①煤种:包括煤的种类、挥发分、含氮量、发热值等;②炉膛结构:包括炉型、燃烧器结构、炉膛热负荷;③运行工况:包括一次风速、煤粉浓度、二次风配风方式、煤粉细度、各层煤粉浓度分配、入炉总风量、燃尽风、锅炉负荷等。本试验主要是通过改变运行工况来降低NOx的生成量,为了确定其中各个因素对NOx排放的影响,试验采用单因素轮换法(即在改变某一工况参数试验时,其他可调参数保持不变)。(1)一次风速对NOx的影响。改变一次风速是指在负荷为270MW时,保持其他参数都不变时,只改变一次风风压来调整一次风速。从图1中可以看出,NOx排放量随着一次风速提高而增加。因为在煤粉燃烧器中,一次风对外围空气会产生卷吸和引射作用,形成回流区域,一次风速提高,回流量明显增加,回流区由于卷吸的附近高温烟气含有许多CH基团,它对NOx起到还原作用,所以回流区实际是高温还原区,一次风速增加,还原区加长,NOx减低;但对上部的燃烧器而言,一次风速增加,着火热增加,着火推迟,NOx增加,综合起来考虑,NOx排放是随一次风速增加而增加的。但一次风速太低会使锅炉效率降低,因此对于此锅炉有一个最佳的一次风速,通过试验分析,得出最佳值在23m/s左右。

(2)二次风配风方式对NOx影响。保持总的送风量不变,一次风门的开度不变,只改变二次风门和顶部SOFA的开度来改变二次风的送风方式。采用倒宝塔型送风方式NOx排放量最少,但是倒宝塔送风下部风量较小,容易使灰渣损失增大,而且很容易产生燃烧不尽;而采用缩腰送风时,因为主燃烧器区域的氧浓度降低,既能降低主燃烧区域的火焰温度,又能抑制燃料氮形成的中间产物与氧的化合,从而降低了NOx的排放量。综合考虑,还是采用腰送风为最佳的送风方式。

(3)过量空气系数对NOx的影响。过量空气系数是通过改变送风机的送风量来调整的,用空气预热器出口的烟气含氧量来控制,保持各风门开度不变。试验在270MW负荷下进行。从图2可以看出,随着过量空气系数增加,NOx排放量呈单调增加趋势,这是因为燃烧区域氧量增加,炉内温度升高,热力NOx生成量增加;同时,燃烧区域氧浓度的增加也为燃料氮的中间产物与氧反应提供了可能性,燃烧NOx的生成量随之增加,所以总的NOx排放量增加。

(4)锅炉负荷对NOx的影响。机组负荷的影响,实际是氧浓度、炉膛温度等多种因素的综合影响。锅炉负荷降低时炉膛温度也下降,一般情况下当负荷降低不多时,运行氧量变化不大,因此NOx的排放浓度也下降。但是,在大多数情况下,炉膛氧量比炉膛温度的影响更大。试验证明,在锅炉负荷降低的过程中,只有当炉膛内氧量和火焰附近氧量变化不大时,NOx的排放浓度才会随着炉膛温度的降低而降低。有的锅炉在低负荷运行时氧量明显增大,NOx排放浓度不但不降低,反而会增加。在此试验中,锅炉负荷对NOx的排放量影响不是很大,因为随着负荷的降低,炉温降低,其中热力型NOx减少,而此时过量空气系数增大,使燃料型NOx增大,所以总的NOx排放量变化不是很明显。

(5)燃尽风量对NOx的影响。由试验测得的数据看出,对顶部SOFA的开度增加或减小对NOx的排放量没有很明显的影响,主要原因是国内大风箱的结构限制了过燃风离开主风口的距离和过燃风风速,从而使过燃风挡板开度对NOx的排放并无明显影响。

(6)各层煤量分配对NOx的影响。当煤粉上少下多时,降低了火焰中心位置,延长了煤粉在还原区的停留时间,可以使NOx排放量降低。

(7)煤粉细度对NOx的影响。在不考虑低NOx燃烧的情况下,煤粉越细NOx越高。但在分级情况下进行,由于煤粉变细,表面积加大,对NOx的还原增强,所以NOx是降低的。

3.结论

(1)一次风速对NOx的排放量有影响,综合考虑NOx的排放和锅炉运行效率,其有一个最佳一次风速。二次风的配风方式推荐使用缩腰送风为佳,开大上部燃尽风门,对NOx的排放影响不是很明显;增加送风量,NOx的排放量单调增加,负荷降低,炉内过量空气系数增加,NOx增加,但过量空气系数过低,会影响锅炉的运行效率;煤层分配采用上少下多的方式,并且提高煤粉细度也对降低NOx和提高效率有明显的好处;磨煤机投运,采用相邻运行比隔层运行对NOx生成的影响较明显。

(2)推荐运行方式:维持最佳送风量、最佳一次风速,二次风为缩腰配风;煤层分配采用上少下多的方式;适当提高煤粉细度;磨煤机运行采用邻磨运行。利用此运行方式。NOx的排放量降低到490mg/m3,比原来降低了约30%。

参考文献:

[1] 哈尔滨热电有限公司.300MW机组锅炉设备运行规程[S].

[2] 容銮恩,等. 300WM 燃煤锅炉机组[M]. 北京:中国电力出版社,1998.

[3] 岑可法,姚强,骆仲泱,等 .燃烧理论与污染控制[M]. 北京:机械工业出版社,2004.

[4] 程俊峰,曾汉才 ,熊蔚立, 等 .降低300MW贫煤锅炉 NOx 排放的试验研究[J]. 中国电机工程学报, 2002, 22(5).□ (编辑/李舶)