600MW燃煤机组NOx排放的试验研究

第1页作者简介：武勇，男，生于1974年3月。毕业于哈尔滨工业大学，热能工程专业，工程硕士。工作单位：哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，现从事锅炉热力性能试验与研究工作，工程师。哈尔滨市，150040联系电话：13895753253600MW燃煤机组NOx排放的试验研究武勇许卫国康达李永星（哈电发电设备国家工程研究中心有限公司哈尔滨150040）摘要:本文在分析NOx生成机理的基础上，以某电厂的600MW燃煤机组1801t/h的锅炉为研究对象，用试验的方法研究了过量空气系数、燃烧器倾角以及顶部燃尽风开度对NOx排放浓度的影响。研究结果表明:在相同负荷下，过量空气系数从1.14(氧量为2.5%)至1.27氧量为4.5%)的过程中，NOx排放浓度随之增加且;燃烧器摆角自下向上摆动时，NOx排放浓度不断减小;顶部燃尽风开度增大时，NOx排放量降低。关键词:Nox；过量空气系数；燃烧器倾角；燃尽风ExperimentalInvestigationofNOxEmisssionina600MWCoal-firedUtilityWuYong,XuWei-guo,KangDa,LiYong-xing（HaDianNationalEngineeringResearchCenterPowerEquipmentCompanyLtd.Harbin150040）Abstract:BasedontheinvestigationofNOxformationmechanism,acoal-firedutilityfillerwhichcapacityis1801t/hwasstudied.TheeffectsonNOxemissionofexcessiveaircoefficient,inclinationofburnerandtheoverfireairflowwereinvestigatedthroughexperimentalmethod.Parameterschangedinexperimentwereoxygen,inclinationofburner,andoverfireairflow.Testresultsindicatedwhenexcessiveaircoefficientchangedfrom1.14(oxygen2.5%)to1.27(oxygen4.5%)，NOxemissionconcentrationincreased;Wheninclinationofburnersswungfromdownwardwardtoup,NOxemissionconcentrationdecreasedcontinuallyamdwhenoverfireairflowwasincreased,NOxemissionwaslowened.Keywords:NOx,excessiveaircoefficient,inclinationofburner,overfireair前言环境问题是当今的全球性问题之一。矿物燃料的燃烧所排放出来的氮氧化物（NOx）已成为环境污染的一个重要方面。为了改善大气环境质量，我国能源以煤为主，燃煤所产生的大气污染物占污染物排放总量的比例较大，其中NOx占67%。[1]资料表明，电站锅炉的NOx占各种燃烧装置NOx排放量总和的一半以上，而其中80%左右为燃煤锅炉排放的[2]。因此，降低NOx排放对于保护环境是非常重要的。NOx的控制可分为燃烧前处理，燃烧中处理和燃烧后处理。[3]燃烧前脱氮主要是燃烧前将燃料转化为低氮燃料。这种方法技术复杂，成本较高，在我国应用较少。燃烧中脱氮主要从两个方面考虑:一是抑制燃烧中NOx的形成;二是还原已形成的NOx。目前，控制燃烧过程中NOx生成的技术主要有:低NOx燃烧器、空气分级燃烧、再燃技术、烟气再循环等。燃烧后脱氮主要指烟气脱硝:包括选择性催化还原(SCR)法、选择性非催化还原(SNCR)法、湿式的氧化吸收法等。烟气脱硝的效率可高达90%以上，但由于需要昂贵的催化剂(SCR)以及需要增加装置和占用空间等不利因素，导致成本较高，因而其应用受到较大限制。在燃煤机组中，影响NOx排放的因素很多，主要有煤质特性、炉膛结构、燃烧器形式和运行参数等。当炉膛结构、燃烧器形式和入炉煤质都确定以后，影响NOx生成量的因素主要是运行参数。本次试验以某电厂600MW机组的1801t/h燃第2页煤锅炉为研究对象，通过改变过量空气系数、燃烧器倾角以及煤量配给方式等参数，进行NOx排放的试验研究。1锅炉简介该电厂锅炉采用CE技术，炉膛π型布置，燃烧器四角布置、切向燃烧，一次中间再热，配有6台型号为MPS-245型的中速磨煤机，每台磨煤机供一层煤粉燃烧器。锅炉蒸发量为1801t/h，过热蒸汽温度为540℃。锅炉设计煤种为烟煤，燃烧系统布置有六层低NOx煤粉燃烧器，从下而上分别为A、B、C、D、E、F层，还布置有十层二次风喷口，四层油风喷口和二层燃尽风喷口。系统还配有电除尘器和湿法烟气脱硫系统。2NOx生成机理煤炭燃烧过程中产生的NOx主要包括NO、N02以及少量的N20等。目前，按常规燃烧方式所生成的NOx中，NO约占90%；NO2占5～10%；N20极少，仅占1%左右。根据燃烧过程中NOx的生成机理，可以分为三种，即:热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。热力型NOx是由空气中的氮在高温条件下氧化而成的，主要是在1500℃以上的高温区产生的，其生成速度主要受温度的影响，随着温度的升高，NOx的生成速度呈指数规律迅速增加。燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃烧过程中热分解并发生氧化反应而生成的。在600～800℃时就会产生，在总NOx产物中占60～80%。影响其生成的因素主要有:(1)燃料与氧量的化学当量比。燃料与氧量的化学当量比在燃烧过程中影响燃料氮向NOx的转化率，其中存在一个最佳当量比使NOx转化率达到最小值。超过此最佳当量比后，若继续增加当量比，燃料氮向NOx的转化率却开始增加；(2)燃烧区温度。一般地，温度水平越高NOx的生成量越多;(3)煤与空气混合程度的影响。混合情况直接决定了燃烧的过程和NOx排放，一般地，混合越充分，NOx排放越少。快速型NOx是碳氢化合物在燃烧过程中，当燃料过浓时，在反应区附近会快速生成的。它在整个NOx中数量极少。3试验内容及方法试验中研究的主参数有:氧量、燃烧器倾角及燃料配比。试验中所需要的各个试验数据从电厂DCS中采集，每分钟采集一次，工况稳定后取30分钟的平均值，试验中所需的煤样和灰样在现场取样并进行分析。3.1试验工况试验过程中，锅炉的入炉煤种为混煤，煤质分析见表1。本文就12个工况进行了试验，试验时，机组发电负荷为590～600MW，试验中改变的参数主要是过量空气系数(以省煤器出口含氧量表示)、燃烧器倾角及顶部燃尽风挡板开度等。根据试验数据，分析氧量变化、燃烧器倾角及顶部燃尽风倾角等对NOx排放的影响。表1入炉煤质工业分析%元素分析%Qnet,arMJ/kgMarAarVdafCarHarOarNarSar27.7724.414135.442.778.290.430.8912.5273.2结果分析（1）氧量对NOx排放的影响分别在燃烧器水平、向上摆动10o、向上摆动20o和向下摆动10o、向下摆动20o五个不同的燃烧器倾角下测试不同氧量对排烟中NOx浓度的影响，NOx随氧量的变化如图1所示。20022024026028030032034036038040022.533.544.55氧量%NOxmg/m3上20上10水平下10下20图1排烟中NOx浓度与氧量变化的关系从图1中可见，氧量从2.5%增加到4.5%的过程中，排烟中NOx浓度随着增加，这表明燃料中氮燃烧生成NOx的转化率随氧量的增加而增加。因此，要控制NOx的排放，要在满足燃料燃尽的前提下，采用较小的过量空气系数来运行。第3页（2）燃烧器倾角对NOx排放的影响燃烧器倾角变化对排烟中NOx浓度的影响如图2所示。从图中可见，当燃烧器从下向上摆动时，排烟中NOx浓度随之降低。当燃烧器自下向上从-20o摆动到+20o时，NOx浓度降低了19.4%，这是由于，在燃烧器自下向上摆动的过程中，火焰中心是向上移动的，烟气在炉膛内的停留时间缩短，燃料中氮在炉膛内的反应时间也相应缩短，生成的NOx减少，从而减少了排烟中NOx的浓度。200220240260280300320340360-30-20-100102030燃烧器倾角NOxmg/m3氧量3%氧量4%氧量5%图2排烟中NOx浓度与燃烧器摆角的关系（3）顶部燃尽风（OFA）对NOx排放的影响20021022023024025026027028029030010203040506070顶部OFA开度%NOxmg/m3氧量3.5%氧量3%图3顶部燃尽风（OFA）对NOx排放的影响在氧量为3%，3.5%时，调解顶部燃尽风挡板开度，进行测试。燃尽风挡板开度对NOx排放浓度的影响如图3所示。如图可见，在顶部燃尽风挡板开度逐渐开大时，排烟中NOx浓度随之降低。这是因为，当顶部燃尽风增大时，使氧量的分配相炉膛上部移动，而下部燃烧区氧量降低，形成富燃料的还原性气氛，抑制NOx的生成。4结论从以上试验研究的结果可知，通过调解过量空气系数、燃烧器摆角和顶部燃尽风挡板开度，都可以对NOx的排放浓度进行控制：（1）氧量从2.5%增加到4.5%的过程中，排烟中NOx浓度随着增加。因此，运行过程中，在满足燃料燃尽的前提下，应采用较小的过量空气系数来减少NOx的排放。（2）当燃烧器从下向上摆动时，排烟中NOx浓度随之降低。当燃烧器自下向上从-20o摆动到+20o时，NOx浓度降低了19.4%。因此，运行中也可以通过对燃烧器倾角的调整来控制NOx的排放。（3）通过调节顶部燃尽风的测试可知，在顶部燃尽风挡板开度逐渐开大时，排烟中NOx浓度随之降低。参考文献：[1]曾汉才.燃烧与污染[M].华中理工大学出版社，1992.[2]方立军，高正阳，殷立宝，等.无烟煤与贫煤的混煤NOx排放特性试验研究，2001，32（9）：11-14.[3]陈顺民，李巍，李守伟等.再燃低NOx燃烧技术原理及影响因素分析，应用能源技术，2008，126（4）：17-20..第2页