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降低300MW贫煤锅炉NOX排放的试验研究

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-24 10:17:51

程俊峰¹，曾汉才¹，熊蔚立²，黄伟²
1．华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北武汉430074；2．湖南电力试验研究所，湖南长沙 410007 1 引言燃煤锅炉产生的氮氧化物（NO_X）给环境造成了很大的危害，尤其是大型电厂锅炉。300MW及其以上机组的NO_X排放量一般在500~1000mg/m³左右，具体与煤种、燃烧系统和炉膛结构以及运行参数等因素有关，在燃烧贫煤及无烟煤的情况下则偏于上限^[1]。国家环保局最新修订的《火电厂大气污染排放标准》（GB13223-96）对于300MW及以上机组要求NO_X排放量不超过650mg/m³，并于1997年1月1日实施。因此需要深入了解大型贫煤锅炉NO_X的排放特性，为控制NO_X排放并使之达到上述标准提供改造依据。通过对湘潭电厂B厂2号炉改造前后的锅炉效率、NO_X排放的比较，找到适合该种炉型的高效低NO_X技术措施，同时对其它炉型也有借鉴作用。 2 锅炉主要参数及燃烧系统湘潭电厂B厂2号炉300MW机组锅炉，系哈尔滨锅炉厂引进美国CE公司技术生产的HG-1025/18.2-WM10型锅炉，t=540℃/540℃，t_gs=274℃。设计燃用郑州矿务局的贫煤与无烟煤的混煤。采用中储制热风送粉系统。锅炉设计效率为91.6%。该炉燃烧器煤粉喷嘴自下而上分5层布置（依次为A、B、C、D、E），见图1所示，采用双通道大速差燃烧器和WR燃烧器，上部3层为WR燃烧器，可以上下摆动20°；燃尽风喷嘴可以单独手动上摆30°，下摆5°；二次风及上数第1层油喷嘴可作上下30°摆动，以此来改变火焰中心的位置。下部为2只双通道大速差燃烧器。采用一、二次风同心逆时针方向切圆，假想切圆直径为878mm，如图1所示，三次风下倾7°，旋转方向与一、二次风旋向相反，用来减轻炉膛出口气流残余旋转，减小水平烟道两侧热偏差。 3 降低NO_X排放的方案及主要试验工况 针对湘潭电厂300MW锅炉的具体结构，采用如下降低NO_X排放的改造方案：① 三次风管的冷却风管由F159×4.5mm增大到F273×5mm后，截面积增大，三次风率从14%增加到23.3%（3台磨）。由于三次风率加大，三次风口以下处于高温还原区，有利于对NO_X的还原；② 将所增加的三次风率在原三次风喷口以上加设一独立的燃尽风喷口（SOFA），由于增加了还原区内的停留时间，有利于对NO_X的还原，并且有利于贫煤的后期燃尽。因现场改造的困难，故只采用方案①，以下试验都是针对方案①进行的。　

根据NO_X的生成与还原机理，NO_X主要受煤种（挥发分V（%）、含氮量N（%）、灰分A（%）、等）、炉膛结构与燃烧器的布置以及燃烧工况等因素的影响。燃烧工况包括一次风速、二次风配风方式、入炉总风量、负荷、燃尽风量、各层煤量分配、煤粉细度、磨煤机投停以及三次风管冷却风投、停等因素的影响^[2]。试验采用单因素轮换法（即在改变某一工况参数试验时，其它可调参数保持不变）。 4 测量仪器、方法及数据处理 NO_X排放量的测定均结合锅炉燃烧调整试验同步进行，采用MSI500型烟气仪和Test-33型燃烧效率仪同时测定烟气中NO、O₂和CO₂浓度。测量结果为干烟气中的体积浓度，最终结果为每个试验工况下测出数据的算术平均值，并换算至[O₂]=6%干烟气中NO_X（以NO₂计）的质量浓度（mg/m³）。NO_X和O₂是在空气预热器出口处取样测得的。采用飞灰静压平衡等速取样仪进行多点飞灰采样。炉渣从炉底灰池捞渣机主动轮附近连续采集。 5 试验结果及其分析 5.1 一次风速对NO_X和锅炉效率的影响 变一次风速是指在负荷为300MW时，保持其它参数都不变时，只改变一次风风门开度来调整一次风速。从图2中可以看出，NO_X排放浓度随着一次风速降低而降低。因为一次风速降低，导致煤粉气流与二次风的混合延迟，而且煤粉气流的着火热减少，锅炉着火提前，相当于延长了煤粉气流在富燃区的停留时间，所以NO_X减少。但一次风速对效率的影响比较复杂。风速减小时，尽管煤粉气流着火热减少，着火提前，但由于一次风喷口，特别是双通道燃烧器出口的回流区存在^[3]，减弱了一次风气流的刚性，一次风煤粉气流难以到达炉膛深处，与二次风混合不好，会造成煤粉离析现象，机械未完全燃烧热损失q₄（%）会增加；而一次风速太高，一次风粉气流着火热增加，煤粉着火推迟，炉内停留时间缩短，煤粉燃烧不完全，q₄也会增加。一次风速改变对排烟热损失q₂（%）影响不大，所以对本试验锅炉效率存在一最佳风速，实验证明一次风速为22.2m/s时最佳。改造后，由于三次风冷却风的投入，分级程度加大，NO_X有明显降低，但由于燃烧前期过分缺氧，造成飞灰、炉渣含碳量略有增加，锅炉效率有所降低。 5.2 二次风配风方式对NO_X及锅炉效率的影响 试验在300MW负荷下进行。保持入炉总风量不变，一次风风门开度不变，只改变二次风、燃尽风及一次风周界风的风门挡板开度来改变二次风配风方式。如图2所示，从NO_X排放方面来看，采用倒宝塔型配风方式效果最好，这是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反应，所以热力NO_X和燃料NO_X都受到抑制。但采用倒宝塔型配风，由于燃烧器区域下部风量小，容易掉粉，灰渣热损失增加，而且影响燃尽。综合而言，采用缩腰型配风方式最好，不仅NO_X降低很明显，仅次于倒宝塔型配风方式，而且q₂和q₄损失也不大。 5.3 过量空气系数对NO_X和锅炉效率的影响 过量空气系数是通过改变送风机动叶角度来调整的，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300MW负荷下进行。从图3可以看出，无论改造前或改造后，随着过量空气系数增加，NO_X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NO_X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，燃料NO_X的生成量随之增加，所以总的NO_X排放量增加^[4,5]。而过量空气系数增加时，飞灰可燃物减少，q₄损失降低；另外烟气量的增加导致q₂损失增加，最后结果是，改造前，当过量空气系数为1.25时，q₂+q₄损失之和最小。而改造后由于分级程度加大，总的损失略有增加。

5.4 锅炉负荷对NO_X和锅炉效率的影响 如图3所示，随着负荷的降低，入炉煤量逐渐减少，炉内温度有所降低，热力NO_X降低，但由于炉内过量空气系数增加，燃料NO_X排放增加，所以总的NO_X排放变化不大。当负荷从300.12MW降低到240.4MW时，锅炉热效率变化不大，但进一步降低至212.5MW时，q₂+q₄损失有所增加。相对于改造前，改造后总的热损失有所增加，NO_X明显降低。 5.5 燃尽风量对NO_X和锅炉效率的影响 试验是在改造后进行的，锅炉负荷为300MW，配风采用缩腰型配风方式。上层燃尽风门开度从65%增大到90%，下层燃尽风门开度从55%增大到60%，上层二次风风门开度相应减小，一次风周界风及其它二次风风门开度不变，维持入炉总风量不变。试验数据如表2所示。增大燃尽风后，分级程度略有加大，NO_X降低不多，锅炉效率略有提高，这可能是燃尽风率增加，而喷口截面积不变，风速加大，后期混合更好，因此未燃尽碳损失降低。

5.6 各层煤量分配对NO_X和锅炉效率的影响
    本试验是在改造后进行的，从表2中可以看出，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，所以NO_X排放量降低，q₄下降，这主要是煤粉的燃尽时间也延长了^[6]。
5.7 煤粉细度对NO_X排放和锅炉效率的影响
    试验是在改造后进行的，锅炉负荷维持300MW，二次风配风方式保持缩腰型配风，入炉总风量基本保持不变。见表2，煤粉细度增加，q₄下降，过量空气系数变小，q₂也略有下降，所以热效率是增加的。不分级情况下，煤粉越细，NO_X排放量越增加，但试验是在分级情况下进行，由于煤粉变细，表面积加大，对NO_X的还原增强，所以NO_X是降低的。这充分说明在分级燃烧时，可以通过采用细煤粉来补偿因分级带来的燃烧效率降低的问题^[7,8]。
5.8 磨煤机投停对NO_X和锅炉效率的影响
    磨煤机投停对NO_X排放有一定影响。当磨煤机增投时，无论是改前改后，NO_X排放量都变小。当从2台磨变为3台磨时，改造前的NO_X排放从964.84 mg/m³降低到883.36mg/m³，改后情况变化幅度稍微小一点，从795.20 mg/m³变化到770.00mg/ m³。这是因为磨煤机投运时，三次风的投入相当形成了分级燃烧，同时含煤粉的三次风还可以还原已生成的NO_X，而且风量越大，分级程度越大，NO_X排放量降低幅度越大。但三次风加大，燃烧延迟，q₄损失增大。
5.9 三次风的冷却风投停对NO_X和锅炉效率的影响
    试验是在改造前进行的，增投冷却风实际上也是分级程度的增大，因为冷却风是由下部二次风箱引入的，冷却风增加，相当于下部二次风量减少，分级越明显，所以NO_X是降低的。由于三次风出口风速加大，加强了炉内后期混合，锅炉效率变化不大，见表2。

6 结论 （1）当三次风管的冷却风管由F159×4.5mm增大到F273×5mm后，截面积增大，三次风冷却风量增大，分级效果增强，所以NO_X排放下降了约100mg/m³，而效率略有降低，证明改造是有效果的。（2）一次风速对NO_X有一定影响，存在一最佳风速；二次风配风方式对NO_X影响明显，倒宝塔配风最为有利，同时考虑锅炉效率和低NO_X排放，推荐采用缩腰型配风方式，如果把上部燃尽风增大，效果更好；总风量增大，NO_X排放单调增加，由于总风量变化幅度不大，对锅炉效率影响不大；负荷降低，炉内过量空气系数增加，NO_X增加；煤层分配采用上少下多的方式，以及采用提高煤粉细度对降低NO_X和提高效率有明显的好处；磨煤机投运，由于三次风的投入，NO_X是降低的；三次风冷却风的投入也可降低NO_X排放。（3）最佳组合方式：在现有条件下，在维持高效率的同时减少NO_X的排放，可以采用如下综合措施：维持最佳入炉总风量，采用最佳一次风速，二次风配风呈缩腰型配风，并开大燃尽风量，磨煤机尽量多投入运行，并投入三次风冷却风，以增大三次风量，给粉量采取下多上少，并提高煤粉细度。这样，NO_X排放可降至760mg/m³，即比原来降低20%左右，燃烧效率仍可维持原有的较高水平。　 参考文献 [1] 曾汉才，朱全利，聂明局（Zeng Hancai，Zhu Quanli，Nie Mingju）大型贫煤锅炉NO_X排放特性试验研究（Research and test on NO_Xemission performance of a large lean coal-fired boiler）[J]．热力发电（Thermal Power Generation），1999（2）：15-19． [2] 毕玉森，刘振琪（Bi Yusen，Liu Zhenqi）．华能福州电厂CE型角置直流燃烧器的NO_X排放特性（NOx emission performance of CE-type corner fired direct-flow burner in huaneng fuzhou power plant）[J]．热力发电（Thermal Power Generation），1992（2）：35-39． [3] 傅维标（Fu Weibiao）．燃烧学（Combustion）[M]. 北京：高等教育出版社（Beijing：Higher Education Press），1990：377. [4] 曾汉才（Zeng Hancai）．燃烧与污染（Combustion and pollution）[M]. 武汉：华中理工大学出版社(Wuhan：Huazhong Univ. of Sci. & Tech. Press)，1992． [5] 赵惠富（Zhao Huifu）．污染气体NO_X的形成与控制（The formation and control of pollutant NO_X）[M]．北京：科学出版社（Beijing：Science Press），1993． [6] Spliethoff H，Greul U，Ruidiger H，et al．Basic effect on NO_Xem-issions in air staging and reburning at a bench-scale test facility [J]. Fuel，1996，75（5）：560-568． [7] Xiao L S，Cheng J F，Zeng H

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