３００ＭＷ燃煤機(jī)組降低鍋爐ＮＯｘ排放的試驗(yàn)研究

艾　輝

[摘 要]對(duì)于現(xiàn)今已采用低NOx燃燒技術(shù)的電站鍋爐,燃燒調(diào)整是降低NOx排放的主要方法。通過(guò)對(duì)某電廠1025t/h鍋爐進(jìn)行燃燒調(diào)整試驗(yàn)研究,分析了電站鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)NOx排放量的影響,確定了鍋爐低NOx運(yùn)行方式,為鍋爐的低NOx運(yùn)行起到了指導(dǎo)作用。

[關(guān)鍵詞]燃燒調(diào)整;低NOx排放;試驗(yàn)研究

我國(guó)的煤炭產(chǎn)量高居世界第一,故燃煤火力發(fā)電是我國(guó)主要的發(fā)電形式,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)約80%的電力能源、70%的工業(yè)燃料、60%的華工原料、80%的供熱和民用燃料都來(lái)自煤。研究發(fā)現(xiàn)每燃燒1t煤就產(chǎn)生約8~9kg氮氧化物,所以燃煤鍋爐是我國(guó)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(huì)造成酸雨和光化學(xué)煙霧,對(duì)人類健康乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的危害相當(dāng)大,故對(duì)其排放量的控制已引起全球范圍的普遍重視。因此現(xiàn)在電站從保護(hù)環(huán)境和自身利益考慮已經(jīng)開(kāi)始非常注重控制NOx的排放。

降低NOx排放現(xiàn)在已經(jīng)有了很多方法,但對(duì)電廠來(lái)說(shuō)最經(jīng)濟(jì)和快捷的方法還應(yīng)該是燃燒調(diào)整。燃燒調(diào)整通常是通過(guò)調(diào)整影響NOx生成的因素,如過(guò)量空氣系數(shù),風(fēng)粉配比,風(fēng)量配比等,以達(dá)到在燃燒過(guò)程中把NOx的生成量降到最低并且不損失鍋爐效率。通過(guò)對(duì)某電廠1025t/h鍋爐進(jìn)行試驗(yàn)研究,分析了NOx排放量與電站鍋爐運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系,以指導(dǎo)鍋爐的低NOx運(yùn)行。

一、設(shè)備簡(jiǎn)介

哈熱電廠300MW機(jī)組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限公司按引進(jìn)美國(guó)燃燒公司技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造的亞臨界中間一次再熱自然循環(huán)汽包爐,配300MW機(jī)組,鍋爐型號(hào)為HG-1025/17.5-YM36,平衡通風(fēng),采用BBD4060B型雙進(jìn)雙出式鋼球磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng),單爐膛,四角切圓燃燒方式。

鍋爐采用一次風(fēng)正壓直吹系統(tǒng),配有3臺(tái)BBD4060B雙進(jìn)雙出球磨機(jī),分別對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)一次風(fēng)四周通以周界風(fēng),一、二次風(fēng)間隔布置,每角燃燒器風(fēng)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(jié)風(fēng)用已冷卻一次風(fēng)噴嘴并控制燃料著火點(diǎn),為了改善著火性能、提高火焰的穩(wěn)定性,燃燒器采用上下濃淡分離寬節(jié)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(shí)也減少了煤粉氣流對(duì)水冷壁的沖刷,減輕了爐膛的結(jié)焦。本燃燒器采用CE傳統(tǒng)的大風(fēng)箱結(jié)構(gòu),由隔板將大風(fēng)箱分割成若干風(fēng)箱,在各風(fēng)室的出口處布置數(shù)量不等的燃燒器噴嘴,頂部燃盡風(fēng)室可作上30o,下5o的擺動(dòng),一次風(fēng)嘴可上下擺動(dòng)各20o,二次風(fēng)噴嘴可作上下各30o的擺動(dòng),已此來(lái)改變?nèi)紵行膮^(qū)的位置,調(diào)節(jié)爐膛各輻射受熱面的吸熱量,從而調(diào)節(jié)再熱汽溫。每只燃燒器共有6種16個(gè)風(fēng)室15個(gè)噴嘴。其中頂部燃盡風(fēng)室二個(gè),上部空氣風(fēng)室一個(gè),煤粉風(fēng)室6個(gè),油風(fēng)室三個(gè)。根據(jù)各風(fēng)室的高度不同,布置數(shù)量不等的噴嘴。頂部燃盡風(fēng)室,每個(gè)風(fēng)室布置一個(gè)噴嘴。為了防止?fàn)t膛結(jié)焦,采用較小單只噴嘴熱功率,煤粉噴嘴的周界風(fēng)為非對(duì)稱型式,在噴嘴出口的向火面為小周界風(fēng)量,背火面為大周界風(fēng),其目的是增加水冷壁附近的氧化性氣氛,防止燃燒器區(qū)域結(jié)焦。同時(shí),在燃燒器上下各設(shè)有50mm高的防焦風(fēng),采用燃燒器分組拉開(kāi)式布置及合理配風(fēng),形式,可有效的控制NOx排放量。本煤粉燃燒器采用WR寬調(diào)比煤粉燃燒技術(shù),有利于保證及時(shí)著火及燃燒穩(wěn)定,確保及時(shí)燃盡,能有效抑制NOx排反放,保證鍋爐效率。

二、試驗(yàn)

1.試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)依據(jù)是中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10184-88《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》、此電廠《300MW鍋爐運(yùn)行規(guī)程》和《電業(yè)安全工作規(guī)程》(熱力機(jī)械部分)。

2.試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。在A、B空預(yù)器出口矩形煙道垂直段中利用網(wǎng)格法進(jìn)行煙氣分析和溫度的測(cè)量;使用空預(yù)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(yàn)開(kāi)始前在給煤機(jī)出口處進(jìn)行采樣;煤粉在給粉機(jī)插板門附近的取樣口取得,所取樣品立即送到化學(xué)進(jìn)行分析化驗(yàn),以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和及時(shí)性;另外,留取所有試驗(yàn)工況下原煤進(jìn)行元素分析;鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)采用人工抄表。

3.試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于燃煤鍋爐來(lái)說(shuō),影響NOx生成的因素非常復(fù)雜,主要包括3個(gè)方面:①煤種:包括煤的種類、揮發(fā)分、含氮量、發(fā)熱值等;②爐膛結(jié)構(gòu):包括爐型、燃燒器結(jié)構(gòu)、爐膛熱負(fù)荷;③運(yùn)行工況:包括一次風(fēng)速、煤粉濃度、二次風(fēng)配風(fēng)方式、煤粉細(xì)度、各層煤粉濃度分配、入爐總風(fēng)量、燃盡風(fēng)、鍋爐負(fù)荷等。本試驗(yàn)主要是通過(guò)改變運(yùn)行工況來(lái)降低NOx的生成量,為了確定其中各個(gè)因素對(duì)NOx排放的影響,試驗(yàn)采用單因素輪換法(即在改變某一工況參數(shù)試驗(yàn)時(shí),其他可調(diào)參數(shù)保持不變)。(1)一次風(fēng)速對(duì)NOx的影響。改變一次風(fēng)速是指在負(fù)荷為270MW時(shí),保持其他參數(shù)都不變時(shí),只改變一次風(fēng)風(fēng)壓來(lái)調(diào)整一次風(fēng)速。從圖1中可以看出,NOx排放量隨著一次風(fēng)速提高而增加。因?yàn)樵诿悍廴紵髦?一次風(fēng)對(duì)外圍空氣會(huì)產(chǎn)生卷吸和引射作用,形成回流區(qū)域,一次風(fēng)速提高,回流量明顯增加,回流區(qū)由于卷吸的附近高溫?zé)煔夂性S多CH基團(tuán),它對(duì)NOx起到還原作用,所以回流區(qū)實(shí)際是高溫還原區(qū),一次風(fēng)速增加,還原區(qū)加長(zhǎng),NOx減低;但對(duì)上部的燃燒器而言,一次風(fēng)速增加,著火熱增加,著火推遲,NOx增加,綜合起來(lái)考慮,NOx排放是隨一次風(fēng)速增加而增加的。但一次風(fēng)速太低會(huì)使鍋爐效率降低,因此對(duì)于此鍋爐有一個(gè)最佳的一次風(fēng)速,通過(guò)試驗(yàn)分析,得出最佳值在23m/s左右。

(2)二次風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)NOx影響。保持總的送風(fēng)量不變,一次風(fēng)門的開(kāi)度不變,只改變二次風(fēng)門和頂部SOFA的開(kāi)度來(lái)改變二次風(fēng)的送風(fēng)方式。采用倒寶塔型送風(fēng)方式NOx排放量最少,但是倒寶塔送風(fēng)下部風(fēng)量較小,容易使灰渣損失增大,而且很容易產(chǎn)生燃燒不盡;而采用縮腰送風(fēng)時(shí),因?yàn)橹魅紵鲄^(qū)域的氧濃度降低,既能降低主燃燒區(qū)域的火焰溫度,又能抑制燃料氮形成的中間產(chǎn)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(fēng)為最佳的送風(fēng)方式。

(3)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NOx的影響。過(guò)量空氣系數(shù)是通過(guò)改變送風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量來(lái)調(diào)整的,用空氣預(yù)熱器出口的煙氣含氧量來(lái)控制,保持各風(fēng)門開(kāi)度不變。試驗(yàn)在270MW負(fù)荷下進(jìn)行。從圖2可以看出,隨著過(guò)量空氣系數(shù)增加,NOx排放量呈單調(diào)增加趨勢(shì),這是因?yàn)槿紵齾^(qū)域氧量增加,爐內(nèi)溫度升高,熱力NOx生成量增加;同時(shí),燃燒區(qū)域氧濃度的增加也為燃料氮的中間產(chǎn)物與氧反應(yīng)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(fù)荷對(duì)NOx的影響。機(jī)組負(fù)荷的影響,實(shí)際是氧濃度、爐膛溫度等多種因素的綜合影響。鍋爐負(fù)荷降低時(shí)爐膛溫度也下降,一般情況下當(dāng)負(fù)荷降低不多時(shí),運(yùn)行氧量變化不大,因此NOx的排放濃度也下降。但是,在大多數(shù)情況下,爐膛氧量比爐膛溫度的影響更大。試驗(yàn)證明,在鍋爐負(fù)荷降低的過(guò)程中,只有當(dāng)爐膛內(nèi)氧量和火焰附近氧量變化不大時(shí),NOx的排放濃度才會(huì)隨著爐膛溫度的降低而降低。有的鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)氧量明顯增大,NOx排放濃度不但不降低,反而會(huì)增加。在此試驗(yàn)中,鍋爐負(fù)荷對(duì)NOx的排放量影響不是很大,因?yàn)殡S著負(fù)荷的降低,爐溫降低,其中熱力型NOx減少,而此時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)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(fēng)量對(duì)NOx的影響。由試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)看出,對(duì)頂部SOFA的開(kāi)度增加或減小對(duì)NOx的排放量沒(méi)有很明顯的影響,主要原因是國(guó)內(nèi)大風(fēng)箱的結(jié)構(gòu)限制了過(guò)燃風(fēng)離開(kāi)主風(fēng)口的距離和過(guò)燃風(fēng)風(fēng)速,從而使過(guò)燃風(fēng)擋板開(kāi)度對(duì)NOx的排放并無(wú)明顯影響。

(6)各層煤量分配對(duì)NOx的影響。當(dāng)煤粉上少下多時(shí),降低了火焰中心位置,延長(zhǎng)了煤粉在還原區(qū)的停留時(shí)間,可以使NOx排放量降低。

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

3.結(jié)論

(1)一次風(fēng)速對(duì)NOx的排放量有影響,綜合考慮NOx的排放和鍋爐運(yùn)行效率,其有一個(gè)最佳一次風(fēng)速。二次風(fēng)的配風(fēng)方式推薦使用縮腰送風(fēng)為佳,開(kāi)大上部燃盡風(fēng)門,對(duì)NOx的排放影響不是很明顯;增加送風(fēng)量,NOx的排放量單調(diào)增加,負(fù)荷降低,爐內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)增加,NOx增加,但過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)低,會(huì)影響鍋爐的運(yùn)行效率;煤層分配采用上少下多的方式,并且提高煤粉細(xì)度也對(duì)降低NOx和提高效率有明顯的好處;磨煤機(jī)投運(yùn),采用相鄰運(yùn)行比隔層運(yùn)行對(duì)NOx生成的影響較明顯。

(2)推薦運(yùn)行方式:維持最佳送風(fēng)量、最佳一次風(fēng)速,二次風(fēng)為縮腰配風(fēng);煤層分配采用上少下多的方式;適當(dāng)提高煤粉細(xì)度;磨煤機(jī)運(yùn)行采用鄰磨運(yùn)行。利用此運(yùn)行方式。NOx的排放量降低到490mg/m3,比原來(lái)降低了約30%。

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