３００ＭＷ燃煤機組降低鍋爐ＮＯｘ排放的試驗研究

艾　輝

[摘 要]對于現今已采用低NOx燃燒技術的電站鍋爐,燃燒調整是降低NOx排放的主要方法。通過對某電廠1025t/h鍋爐進行燃燒調整試驗研究,分析了電站鍋爐運行參數對NOx排放量的影響,確定了鍋爐低NOx運行方式,為鍋爐的低NOx運行起到了指導作用。

[關鍵詞]燃燒調整;低NOx排放;試驗研究

我國的煤炭產量高居世界第一,故燃煤火力發電是我國主要的發電形式,據統計,我國約80%的電力能源、70%的工業燃料、60%的華工原料、80%的供熱和民用燃料都來自煤。研究發現每燃燒1t煤就產生約8~9kg氮氧化物,所以燃煤鍋爐是我國氮氧化物污染的主要污染源之一。由于鍋爐排煙中的氮氧化物會造成酸雨和光化學煙霧,對人類健康乃至整個生態系統的危害相當大,故對其排放量的控制已引起全球范圍的普遍重視。因此現在電站從保護環境和自身利益考慮已經開始非常注重控制NOx的排放。

降低NOx排放現在已經有了很多方法,但對電廠來說最經濟和快捷的方法還應該是燃燒調整。燃燒調整通常是通過調整影響NOx生成的因素,如過量空氣系數,風粉配比,風量配比等,以達到在燃燒過程中把NOx的生成量降到最低并且不損失鍋爐效率。通過對某電廠1025t/h鍋爐進行試驗研究,分析了NOx排放量與電站鍋爐運行參數的關系,以指導鍋爐的低NOx運行。

一、設備簡介

哈熱電廠300MW機組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限公司按引進美國燃燒公司技術設計生產制造的亞臨界中間一次再熱自然循環汽包爐,配300MW機組,鍋爐型號為HG-1025/17.5-YM36,平衡通風,采用BBD4060B型雙進雙出式鋼球磨煤機正壓直吹式制粉系統,單爐膛,四角切圓燃燒方式。

鍋爐采用一次風正壓直吹系統,配有3臺BBD4060B雙進雙出球磨機,分別對應六層燃燒器,燃燒器采用四角布置,同心切圓燃燒方式。燃燒器噴嘴結構一次風四周通以周界風,一、二次風間隔布置,每角燃燒器風箱分成13層、頂部附加分離式SOFA兩層噴嘴消旋和控制NOx的排放量,周結風用已冷卻一次風噴嘴并控制燃料著火點,為了改善著火性能、提高火焰的穩定性,燃燒器采用上下濃淡分離寬節比WR煤粉噴嘴及同心切圓燃燒方式,這樣不僅能使煤粉完全燃燒,同時也減少了煤粉氣流對水冷壁的沖刷,減輕了爐膛的結焦。本燃燒器采用CE傳統的大風箱結構,由隔板將大風箱分割成若干風箱,在各風室的出口處布置數量不等的燃燒器噴嘴,頂部燃盡風室可作上30o,下5o的擺動,一次風嘴可上下擺動各20o,二次風噴嘴可作上下各30o的擺動,已此來改變燃燒中心區的位置,調節爐膛各輻射受熱面的吸熱量,從而調節再熱汽溫。每只燃燒器共有6種16個風室15個噴嘴。其中頂部燃盡風室二個,上部空氣風室一個,煤粉風室6個,油風室三個。根據各風室的高度不同,布置數量不等的噴嘴。頂部燃盡風室,每個風室布置一個噴嘴。為了防止爐膛結焦,采用較小單只噴嘴熱功率,煤粉噴嘴的周界風為非對稱型式,在噴嘴出口的向火面為小周界風量,背火面為大周界風,其目的是增加水冷壁附近的氧化性氣氛,防止燃燒器區域結焦。同時,在燃燒器上下各設有50mm高的防焦風,采用燃燒器分組拉開式布置及合理配風,形式,可有效的控制NOx排放量。本煤粉燃燒器采用WR寬調比煤粉燃燒技術,有利于保證及時著火及燃燒穩定,確保及時燃盡,能有效抑制NOx排反放,保證鍋爐效率。

二、試驗

1.試驗標準。試驗依據是中華人民共和國國家標準GB10184-88《電站鍋爐性能試驗規程》、此電廠《300MW鍋爐運行規程》和《電業安全工作規程》(熱力機械部分)。

2.試驗數據的采集。在A、B空預器出口矩形煙道垂直段中利用網格法進行煙氣分析和溫度的測量;使用空預器出口與電除塵入口水平段中的飛灰取樣器確定飛灰含碳量;從爐底灰池人工采集爐渣并縮分,作為爐渣代表樣;原煤在試驗開始前在給煤機出口處進行采樣;煤粉在給粉機插板門附近的取樣口取得,所取樣品立即送到化學進行分析化驗,以保證分析結果的準確性和及時性;另外,留取所有試驗工況下原煤進行元素分析;鍋爐主要運行參數采用人工抄表。

3.試驗內容和試驗結果。對于燃煤鍋爐來說,影響NOx生成的因素非常復雜,主要包括3個方面:①煤種:包括煤的種類、揮發分、含氮量、發熱值等;②爐膛結構:包括爐型、燃燒器結構、爐膛熱負荷;③運行工況:包括一次風速、煤粉濃度、二次風配風方式、煤粉細度、各層煤粉濃度分配、入爐總風量、燃盡風、鍋爐負荷等。本試驗主要是通過改變運行工況來降低NOx的生成量,為了確定其中各個因素對NOx排放的影響,試驗采用單因素輪換法(即在改變某一工況參數試驗時,其他可調參數保持不變)。(1)一次風速對NOx的影響。改變一次風速是指在負荷為270MW時,保持其他參數都不變時,只改變一次風風壓來調整一次風速。從圖1中可以看出,NOx排放量隨著一次風速提高而增加。因為在煤粉燃燒器中,一次風對外圍空氣會產生卷吸和引射作用,形成回流區域,一次風速提高,回流量明顯增加,回流區由于卷吸的附近高溫煙氣含有許多CH基團,它對NOx起到還原作用,所以回流區實際是高溫還原區,一次風速增加,還原區加長,NOx減低;但對上部的燃燒器而言,一次風速增加,著火熱增加,著火推遲,NOx增加,綜合起來考慮,NOx排放是隨一次風速增加而增加的。但一次風速太低會使鍋爐效率降低,因此對于此鍋爐有一個最佳的一次風速,通過試驗分析,得出最佳值在23m/s左右。

(2)二次風配風方式對NOx影響。保持總的送風量不變,一次風門的開度不變,只改變二次風門和頂部SOFA的開度來改變二次風的送風方式。采用倒寶塔型送風方式NOx排放量最少,但是倒寶塔送風下部風量較小,容易使灰渣損失增大,而且很容易產生燃燒不盡;而采用縮腰送風時,因為主燃燒器區域的氧濃度降低,既能降低主燃燒區域的火焰溫度,又能抑制燃料氮形成的中間產物與氧的化合,從而降低了NOx的排放量。綜合考慮,還是采用腰送風為最佳的送風方式。

(3)過量空氣系數對NOx的影響。過量空氣系數是通過改變送風機的送風量來調整的,用空氣預熱器出口的煙氣含氧量來控制,保持各風門開度不變。試驗在270MW負荷下進行。從圖2可以看出,隨著過量空氣系數增加,NOx排放量呈單調增加趨勢,這是因為燃燒區域氧量增加,爐內溫度升高,熱力NOx生成量增加;同時,燃燒區域氧濃度的增加也為燃料氮的中間產物與氧反應提供了可能性,燃燒NOx的生成量隨之增加,所以總的NOx排放量增加。

(4)鍋爐負荷對NOx的影響。機組負荷的影響,實際是氧濃度、爐膛溫度等多種因素的綜合影響。鍋爐負荷降低時爐膛溫度也下降,一般情況下當負荷降低不多時,運行氧量變化不大,因此NOx的排放濃度也下降。但是,在大多數情況下,爐膛氧量比爐膛溫度的影響更大。試驗證明,在鍋爐負荷降低的過程中,只有當爐膛內氧量和火焰附近氧量變化不大時,NOx的排放濃度才會隨著爐膛溫度的降低而降低。有的鍋爐在低負荷運行時氧量明顯增大,NOx排放濃度不但不降低,反而會增加。在此試驗中,鍋爐負荷對NOx的排放量影響不是很大,因為隨著負荷的降低,爐溫降低,其中熱力型NOx減少,而此時過量空氣系數增大,使燃料型NOx增大,所以總的NOx排放量變化不是很明顯。

(5)燃盡風量對NOx的影響。由試驗測得的數據看出,對頂部SOFA的開度增加或減小對NOx的排放量沒有很明顯的影響,主要原因是國內大風箱的結構限制了過燃風離開主風口的距離和過燃風風速,從而使過燃風擋板開度對NOx的排放并無明顯影響。

(6)各層煤量分配對NOx的影響。當煤粉上少下多時,降低了火焰中心位置,延長了煤粉在還原區的停留時間,可以使NOx排放量降低。

(7)煤粉細度對NOx的影響。在不考慮低NOx燃燒的情況下,煤粉越細NOx越高。但在分級情況下進行,由于煤粉變細,表面積加大,對NOx的還原增強,所以NOx是降低的。

3.結論

(1)一次風速對NOx的排放量有影響,綜合考慮NOx的排放和鍋爐運行效率,其有一個最佳一次風速。二次風的配風方式推薦使用縮腰送風為佳,開大上部燃盡風門,對NOx的排放影響不是很明顯;增加送風量,NOx的排放量單調增加,負荷降低,爐內過量空氣系數增加,NOx增加,但過量空氣系數過低,會影響鍋爐的運行效率;煤層分配采用上少下多的方式,并且提高煤粉細度也對降低NOx和提高效率有明顯的好處;磨煤機投運,采用相鄰運行比隔層運行對NOx生成的影響較明顯。

(2)推薦運行方式:維持最佳送風量、最佳一次風速,二次風為縮腰配風;煤層分配采用上少下多的方式;適當提高煤粉細度;磨煤機運行采用鄰磨運行。利用此運行方式。NOx的排放量降低到490mg/m3,比原來降低了約30%。

參考文獻:

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[4] 程俊峰,曾漢才 ,熊蔚立, 等 .降低300MW貧煤鍋爐 NOx 排放的試驗研究[J]. 中國電機工程學報, 2002, 22(5).□ (編輯/李舶)