300MW機(jī)組鍋爐低NOx燃燒器改造試驗(yàn)研究

關(guān)風(fēng)一，徐有寧，張騫

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.研究生部;b.能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110136)

NOx是主要的大氣污染物之一，不但是形成酸雨的主要成分，而且對(duì)人體的呼吸道也可造成嚴(yán)重傷害，濃度較高時(shí)可致人死亡。隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求不斷增加，其中以煤炭為燃料的火力發(fā)電機(jī)組是能源供應(yīng)的主要組成部分。由于煤炭燃燒時(shí)會(huì)生成大量的氮氧化物，因此，降低火力發(fā)電機(jī)組鍋爐運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的NOx對(duì)國(guó)家的發(fā)展有著重要意義［1，2］。

1 立體分級(jí)低氮燃燒技術(shù)

立體分級(jí)低氮燃燒技術(shù)［3］是百葉窗水平濃淡煤粉燃燒技術(shù)與爐內(nèi)垂直空氣分級(jí)燃燒的有機(jī)結(jié)合，在保證鍋爐效率的前提下，大幅度地降低NOx的排放量，使燃用低揮發(fā)分的貧煤鍋爐的脫硝效果更加明顯。針對(duì)某電廠300 MW鍋爐機(jī)組進(jìn)行立體分級(jí)低氮燃燒技術(shù)改造，預(yù)期目標(biāo)為使 NOx的排放量低于500 mg/m3。

1.1 水平濃淡燃燒技術(shù)［3.4］

水平濃淡煤粉燃燒技術(shù)是在水平方向上將煤粉氣流分為兩股濃、淡氣流供入爐膛進(jìn)行燃燒的技術(shù)。其原理為:在一次風(fēng)管道內(nèi)安裝1個(gè)百葉窗式煤粉濃縮器，濃縮器內(nèi)布置4級(jí)隔板，使得煤粉氣流在流經(jīng)百葉窗煤粉濃縮器時(shí)，在隔板的作用下產(chǎn)生不同程度的偏轉(zhuǎn)，形成兩股濃、淡煤粉氣流，兩股煤粉氣流均在偏離化學(xué)當(dāng)量比的條件下進(jìn)行燃燒，進(jìn)而降低NOx的生成，其布局如圖1所示。

圖1 濃縮器布局

1.2 垂直空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

垂直空氣分級(jí)燃燒技術(shù)是在主燃燒器上方安裝燃盡風(fēng)噴口，則爐膛在垂直方向上分為3個(gè)區(qū)域，即主燃區(qū)、還原區(qū)和燃盡區(qū)。將燃料燃燒所需的空氣量分成兩級(jí)送入爐膛，第一級(jí)是在主燃燒區(qū)燃燒器噴口投入爐膛，第二級(jí)是在主燃燒器上方布置的燃盡風(fēng)噴口投入。

2 鍋爐設(shè)備概況及改造措施

2.1 鍋爐型式及燃燒器布置情況

鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1025/18.2-II12型亞臨界自然循環(huán)汽包爐，采用四角切圓燃燒方式，每角燃燒器共布置15層噴口，包括5層一次風(fēng)噴口(其中B層為小油槍燃燒器)、7層二次風(fēng)噴口、2層三次風(fēng)噴口和1層頂二次風(fēng)(OFA風(fēng))噴口。其中，在2層二次風(fēng)噴口處布置大油槍燃油裝置，用于鍋爐的點(diǎn)火及低負(fù)荷穩(wěn)然，其布置情況如圖2所示。所有一次風(fēng)管道內(nèi)均布置百葉窗式水平濃淡燃燒器，頂二次風(fēng)噴口方向反切15°。大油槍燃油裝置由2層布置在二次風(fēng)噴口中的8只簡(jiǎn)單機(jī)械霧化油槍組件組成，供鍋爐點(diǎn)火和低負(fù)荷穩(wěn)燃用，油槍總出力為30%BMCR。

圖2 燃燒器布置

2.2 燃燒系統(tǒng)改造措施

鍋爐燃用煤種為低揮發(fā)分貧煤，煤質(zhì)工業(yè)分析如表1所示。

表1 煤質(zhì)工業(yè)分析

根據(jù)鍋爐燃用煤質(zhì)狀況和運(yùn)行需求，以保證鍋爐效率及降低NOx排放量為目的，采用新型水平濃淡煤粉燃燒器與燃盡風(fēng)技術(shù)聯(lián)合使用對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行改造。技術(shù)改造的主要措施如下:

1)原始的OFA系統(tǒng)由高位分離式燃盡風(fēng)系統(tǒng)替代，其目的是將爐膛分成3個(gè)區(qū)域，即主燃區(qū)、還原區(qū)和燃盡區(qū)。沿爐膛垂直方向分級(jí)投入燃燒所需的風(fēng)量，主燃區(qū)所需的實(shí)際的過(guò)量空氣系數(shù)變?yōu)棣藀=0.85～0.9，燃盡風(fēng)率為 0.25 ～0.3，如表 2 所示。燃盡風(fēng)以高速投入，一般噴口出口速度為45～50 m/s，且每個(gè)燃盡風(fēng)噴口均可以在水平和垂直方向上組合擺動(dòng)，水平擺幅為±10°，垂直擺幅為±15°。

2)將具有高濃縮比和低阻力等特性的新一代煤粉濃縮器加裝在風(fēng)管位置，形成新一代水平濃淡風(fēng)煤粉燃燒設(shè)備。

3)在一次風(fēng)濃縮噴口處安裝V型隔板，用于延遲濃、淡一次風(fēng)的混合。在一次風(fēng)噴口側(cè)安裝側(cè)二次風(fēng)噴口，形成“風(fēng)包粉”的環(huán)境，減少水冷壁處的結(jié)渣。

4)對(duì)四角主燃燒器擺動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，加裝聯(lián)桿機(jī)構(gòu)和垂直聯(lián)桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主燃燒器噴口擺動(dòng)角度的范圍在±20°內(nèi)，三次風(fēng)和最上層頂二次風(fēng)擺動(dòng)角度范圍在 ±15°內(nèi)。

表2 各級(jí)風(fēng)風(fēng)率、風(fēng)速、風(fēng)溫

5)將G層的三次風(fēng)分成上、下兩組，替換原DF層和EF層的二次風(fēng)，分別設(shè)于DF層和EF層的風(fēng)室中。原二次風(fēng)改為三次風(fēng)噴口的周界風(fēng)，將DE層的大油槍系統(tǒng)下移至DD層。FF層的三次風(fēng)維持不變，并采用噴口擺動(dòng)結(jié)構(gòu)。將下層三次風(fēng)管道一分二，下移至最上層一次風(fēng)燃燒器與下二次風(fēng)噴口的標(biāo)高處，降低三次風(fēng)出口的風(fēng)速。

3 熱態(tài)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 配風(fēng)方式對(duì)鍋爐熱效率和NOx排放量的影響

以空氣預(yù)熱器出口氧量基本一致(氧量取3.3%左右)為前提，煤粉在不同的配風(fēng)方式下燃燒所產(chǎn)生的NOx排放量情況會(huì)有很大的不同。一般情況下，二次風(fēng)配風(fēng)方式可分為均等、倒塔和正塔3種，其目的在于考察不同方式對(duì)NOx的排放量和鍋爐熱效率的影響情況，如圖3所示。

圖3 不同配風(fēng)方式對(duì)NOx排放量及鍋爐熱效率影響

由圖3分析可知:

1)采用倒塔配風(fēng)方式時(shí)，NOx排放濃度最低，均等配風(fēng)時(shí)次之，正塔配風(fēng)時(shí)最大，約為625 mg/m3，比倒塔配風(fēng)方式多162 mg/m3。這是由于倒塔配風(fēng)方式的氧量供應(yīng)適中，可使燃料在爐膛內(nèi)合理燃燒;

2)采用倒塔配風(fēng)方式時(shí)，下層燃燒器送進(jìn)爐膛氧量較少，使得煤粉在貧氧狀況下燃燒;上層燃燒器送風(fēng)量較大，但該燃燒區(qū)域溫度較低，在主燃區(qū)形成上部過(guò)量空氣系數(shù)大、下部過(guò)量空氣系數(shù)小的燃燒狀態(tài)會(huì)抑制NOx的生成。

3)在這3種配風(fēng)方式下，空氣預(yù)熱器出口溫度差別不大，只是飛灰可燃物含量有一些差別。倒塔配風(fēng)方式下的鍋爐熱效率比其他兩種方式高，因?yàn)槿紵跗诘难趿坎蛔悖沟妹悍垲w粒中還有大量的碳未燃盡，但隨著氧量的增加，富氧環(huán)境會(huì)使未完全燃燒的碳燃燒地更加充分。

3.2 出口氧量對(duì)鍋爐熱效率和NOx排放量的影響

采取倒塔配風(fēng)方式來(lái)考察空氣預(yù)熱器出口氧量對(duì)飛灰可燃物含量和NOx排放濃度的影響，如圖4所示。

圖4 出口氧量對(duì)鍋爐熱效率和NOx排放量的影響

鍋爐在帶滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，空氣預(yù)熱器出口氧量對(duì)飛灰可燃物中的含碳量的影響較大。隨著空氣預(yù)熱器出口氧量的增加，飛灰可燃物中的含碳量呈拋物線形式發(fā)展，當(dāng)氧量達(dá)到3.6%以后，飛灰可燃物中的含碳量略有下降。這是由于:

1)隨著氧量的增加，爐內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)隨之增加，煤粉在主燃燒區(qū)域燃燒充分。

2)由于送風(fēng)量的增加將導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)溫度下降，使得燃燒充分度降低，進(jìn)而飛灰可燃物含量增加。在空氣預(yù)熱器出口煙溫沒(méi)有大波動(dòng)的情況下，飛灰可燃物含量的變化在某種程度上可代表鍋爐效率的變化趨勢(shì)。

空氣預(yù)熱器出口氧量可以反映出爐內(nèi)的燃燒情況，并且也會(huì)影響NOx的排放情況。由圖4可以看出，當(dāng)空氣預(yù)熱器出口氧量為3.36%時(shí)，NOx排放濃度(為460 mg/m3)最低，此時(shí)熱效率為93.02%;當(dāng)氧量為3.6%時(shí)，NOx排放濃度為475 mg/m3;當(dāng)出口氧量在3.3% ～3.72%時(shí)，NOx排放濃度波幅較小，穩(wěn)定于460～482 mg/m3。隨著空預(yù)器出口氧量的增加，爐內(nèi)總體的燃燒趨于氧量充足，當(dāng)超出某一臨界氧量時(shí)，會(huì)利于NOx的生成，所以NOx的排放量呈現(xiàn)先降低后升高的態(tài)勢(shì)。

3.3 燃盡風(fēng)對(duì)NOx排放量的影響

燃盡風(fēng)的投入量一方面體現(xiàn)了空氣的垂直分級(jí)，另一方面對(duì)NOx排放量有較大的影響，如圖5所示。

圖5 燃盡風(fēng)開(kāi)度對(duì)NOx排放濃度的影響

由圖5分析可知，隨著燃盡風(fēng)風(fēng)門開(kāi)度的增加，在上層燃盡風(fēng)噴口投入的氧量多，迫使下層燃燒器的風(fēng)量減小，空氣在垂直方向上分級(jí)明顯，煤粉在燃燒初期處于貧氧狀態(tài)燃燒，降低了在主燃區(qū)NOx的生成，從而降低了NOx的排放量。

4 結(jié)論

1)在3種配風(fēng)方式中，倒塔配風(fēng)方式降低NOx效果最佳，為460 mg/m3，達(dá)到了改造前的預(yù)期目標(biāo)。

2)空氣預(yù)熱器出口氧量在3.3% ～3.72%時(shí)，NOx排放濃度波幅較小，穩(wěn)定于460～482 mg/m3。

3)燃盡風(fēng)風(fēng)門擋板開(kāi)度的變化對(duì)NOx的排放濃度影響較大，從全關(guān)到全開(kāi)狀態(tài)，NOx的排放濃度約降低120 mg/m3左右。

4)空氣垂直分級(jí)技術(shù)能很好地控制爐內(nèi)的空氣分布，使得燃燒跟充分，進(jìn)而保證鍋爐效率。

［1］曾漢才，姚 斌，程俊峰，等.大型鍋爐NOx排放評(píng)價(jià)及其標(biāo)準(zhǔn)修訂的建議［J］.華中電力，2001(6):20-23.

［2］楊光軍，劉吉臻，譚 文，等.燃煤電廠控制氮氧化物的原則性方法及燃燒優(yōu)化技術(shù)［J］.華東電力，2007，2(2):15-18.

［3］張曉輝，孫 銳，孫紹增，等.200 MW鍋爐空氣分級(jí)低NOx燃燒改造實(shí)驗(yàn)研究［J］.熱能動(dòng)力工程，2008，23(6):676-681.

［4］聶其紅，孫紹增，吳少華，等.新型水平濃淡風(fēng)低NOx煤粉燃燒器在貧煤鍋爐的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(7):155-159.