低NOx排放燃烧技术及燃烧优化

第三届全国火力发电厂锅炉专业技术交流研讨会157低NOx排放燃烧技术及燃烧优化在胜利发电厂670t/h锅炉上的应用与研究郭勇（胜利油田胜利发电厂）摘要：本文介绍了煤燃烧过程中NOx生成机理和电站锅炉采用低NOx燃烧技术。通过对胜利发电厂670t/h锅炉燃烧器改造后，进行炉膛出口氧量、一次风压、二次风配风方式、燃烧器上下组的给粉方式、一次风煤粉浓淡比等试验，对NOx排放量、飞灰可燃物含量等影响规律的研究，得出水平浓淡煤粉燃烧技术能大幅度降低NOx排放量，同时给出锅炉优化运行方式。关键词：NOx低NOx燃烧技术燃烧优化1、引言随着我国电力工业的迅速发展，火电装机容量逐年剧增，作为大气污染控制项目之一的氮氧化物（NOx）问题也日趋突出。发电量每增加100×108kWh，NOx排放量便增加2.9～3.8×104吨。煤燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO（约占氮氧化物总量的95%）和NO2（约占氮氧化物总量的5%），一般统称NOx。大气中的NOx有90%来自于燃烧产物，其中火力发电厂的排放量约占总量的50%。近年来NOx的危害已受到人们的关注，绝大多数国家和地区都制定了较严格的限制NOx排放的法规和标准。中国也于2003年开始实施NOx排放指标限制规定。因此控制电站锅炉NOx的排放量势在必行。2、NOx生成机理氮氧化物按其在燃煤锅炉中形成的机理分为三种。①燃料型NOx，它是燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化生成的氮氧化物。在煤粉锅炉中，约占总的NOx的排放量的75%～80%。燃料型NOx占主导地位。②热力型NOx,它是空气中的N2在燃烧的高温下氧化生成的氮氧化物。在温度小于1300℃时，几乎看不到NO的产生。只有当温度高于1500℃时，NO的产生才明显起来。在煤粉锅炉中，热力型NOx所占比例较小。③快速型NOx,它是碳化氢系燃料在燃烧时分解,其分解的中间产物和NO2反应产生的氮氧化物。在煤粉锅炉中，所占比例很小(在5%以下)，快速型NOx可忽略不计。第三届全国火力发电厂锅炉专业技术交流研讨会1583、降低NOx排放技术措施影响NOx生成量的因素有燃料种类、燃料含氮量、燃烧方式、锅炉容积热负荷、除渣方式、燃烧器结构和运行等。其中，燃烧器结构和运行的影响比较显著。控制燃烧过程中NOx的生成量所采用的措施原则为：降低过量空气系数和氧气浓度，使煤粉缺氧燃烧；降低煤粉燃烧区的温度，防止在局部高温区燃烧；缩短煤粉及其烟气在高温区的停留时间；采用低NOx煤粉燃烧器。3.1煤粉燃烧器结构形式对NOX的影响胜利发电厂670t/h锅炉原燃烧器的形式为直流燃烧器，为提高锅炉燃烧的安全性和经济性，2004年大修中与哈尔滨工业大学合作，将直流燃烧器改造成水平浓淡分离式燃烧器，该燃烧器的特点是燃料分股—浓淡煤粉燃烧，在煤粉管道末端的燃烧器出口处，设置煤粉浓缩器使一次风在水平方向上分成的浓淡两股气流。其中一股为煤粉浓度相对高的煤粉气流，含大部分煤粉；另一股中的煤粉浓度相对较低的煤粉气流，以空气为主。浓煤粉气流在向火侧，有利于着火和稳燃；淡煤粉在浓煤粉气流和水冷壁之间的背火侧喷入炉内，在水冷壁附近形成氧化性气氛，有利于防止结渣和防止水冷壁高温腐蚀；两股一次风煤粉气流各自偏离化学当量比，可以有效地降低NOx的生成：浓煤粉气流是富燃料燃烧，由于着火稳定性得到改善，使挥发分析出速度加快，更造成挥发分析出区域缺氧，由于贫氧燃烧，燃烧温度低，降低了热力型NOx。而淡煤粉气流是贫燃料燃烧，由于过量空气系数偏大，使得燃烧温度降低，控制了NOx的形成。3.2煤粉燃烧器运行方式与炉内燃烧方式对NOX影响燃料型NOx的快速形成主要集中于燃料的着火阶段，这时煤粉热解产生大量的挥发份。如果氧气不足，NO的形成受到抑制。根据这一原理，在运行方式上，实行炉内空气分级燃烧。通过改变送风方式，控制炉内空气的分布，使煤在着火阶段缺氧，即在燃烧器出口和燃烧中心区域造成还原性气氛，从而降低NOx的生成量。未燃尽的炭粒将在炉膛上部的燃尽区和燃尽风混合并完全燃烧，炉内空气分级燃烧的实现形式主要有两种，即轴向空气分级燃烧和径向空气分级燃烧。3.2.1轴向空气分级燃烧将燃烧所需的空气（二次风）分两部分送入炉膛：一部分为主二次风，约占总二次风量的70%～85%，另一部分为燃尽风（OFA），约占总二次风量的15%～30%。炉膛内的燃烧分成三个区域，即热解区、贫氧区和富氧区（见图1）。第三届全国火力发电厂锅炉专业技术交流研讨会1593.2.2径向空气分级燃烧径向空气分级燃烧是在与烟气流垂直的炉膛截面上组织分级燃烧。它是通过将二次风射流部分偏向炉墙来实现的（见图2）。主燃区已处于还原性气氛，从而降低NOx的排放量；靠近炉墙附近由于二次风射流偏向炉墙（采用侧边风），这里温度已经较低，可以抑制NOx的生成，也可以避免水冷壁的高温腐蚀；同时这里已处于氧化性气氛，不再使灰熔点下降而导致附近的结渣。4、工程应用实例及分析4.1燃烧器改造前的运行状况胜利发电厂电厂2号锅炉是东方锅炉厂设计制造的DG-670/13.7-8A型超高压自然循环，一次中间再热的煤粉炉，单炉膛，四角切圆燃烧，中储式热风送粉制粉系统。锅炉设计煤种为贫煤。炉膛截面尺寸为11920mm×10880mm，高度为42500mm。四角切圆燃烧方式，火焰在炉膛中心形成假想切圆，其直径为φ736mm。锅炉原先的燃烧器为夹心风直流燃烧器。一次风4层布置，二次风共6层布置，三次风2层布置。煤粉燃烧起改造前分上下两组布置，下组燃烧器自下而上依次为：底部二次风、一次风、一次风、二次风和油二次风；上组燃烧器自下而上依次为：二次风、一次风、一次风、二次风、二次风、三次风、三次风。三次风反切12°，4层一次风火嘴带有夹心风，第三届全国火力发电厂锅炉专业技术交流研讨会160但在运行中停用。受燃烧器形式的限制，锅炉不投油稳燃复合较高，不能满足生产的实际需要。燃烧器改造前2号锅炉年燃油量在600顿左右，同时，随着煤炭市场形势越来越紧张，锅炉燃煤严重的偏离设计煤种，导致锅炉飞灰可燃物含量升高，严重影响锅炉机组的经济性。表1设计煤质CHONSMAVQ%%%%%%%%Kj/kg64.892.832.400.981.086.021.8215.7223873表2煤粉燃烧器改造前NOx排放量测试结果项目123锅炉负荷（t/h）630530430锅炉效率（%）90.0691.2791.01NO(mg/m3)1156113810764.2水平浓淡燃烧器的改造思想煤粉火焰的着火稳燃,本质上是高温挥发分和高温细煤粉颗粒的均相及非均相着火和稳燃。浓度越大,揣动越强,温度越高,挥发分释出量越多,越容易着火,在燃烧器出口附近能否组织一个高温、高煤粉浓度和高揣动度的稳燃区,是挥发分低的贫煤能否稳燃的关键。如果能对一次风喷燃器出口的风粉进行分离，一股为高煤粉浓度气流，含一次风中的大部分煤粉；另一股中的煤粉浓度很低，以空气为主，就可有效解决低负荷燃烧不稳问题。水平浓淡燃烧的思想是：通过装在一次风煤粉管道上的高浓缩比的煤粉浓缩器使一次风分成水平方向上的浓淡两股气流，其中一股为高煤粉浓度气流，含一次风中的大部分煤粉；另一股中的煤粉浓度很低，以空气为主。由于采用了这样一种燃烧方式，使得经过浓缩后的浓煤粉气流位于向火侧，能够明显的改善煤粉着火和燃烧的稳定性，提高燃烧效率，并提高了燃烧器在低负荷时不投油的稳燃能力。在燃用低挥发份、高灰份的无烟煤和贫煤时，效果尤为明显。淡煤粉气流位于背火侧，使环绕水冷壁处的气流氧量增加、温度降低，从而减轻了炉膛燃烧区域的结焦特性和高温腐蚀。4.3试验工况燃烧器改造后，胜利发电厂2号锅炉的最低稳燃负荷由原来的130MW降低到100MW，降低了机组故障检修时的助燃用油量。锅炉效率由原来的90.06%，提高到91%，同时第三届全国火力发电厂锅炉专业技术交流研讨会161NOx排放量由原来的1100mg/m3左右下降到750mg/m3左右，以下是不同工况下的试验方式和试验结果分析。表3额定负荷下试验工况表工况一次风压炉膛出口氧量给粉方式二次风配风方式13.12.5均等方式三23.12.8均等方式三33.13.6均等方式三43.14.2均等方式三53.13.6均等方式一63.13.6均等方式一73.13.0均等方式一83.13.0均等方式二93.13.0均等方式三103.12.8均等方式三113.12.8正塔方式三123.12.8倒塔方式三133.12.8浓淡比小、正塔方式三143.12.8浓淡比大、正塔方式三153.13.6均等方式一163.13.6均等方式一注：a、在满足其他试验参数的条件下，二次风风门开度为：方式一：一层为67%、三层为64%、四层为69%、五层为70%、七层为68%、八层为60%方式二：一层为80%、三层为65%、四层为65%、五层为50%、七层为50%、八层为30方式三：一层为70%、二层为60%、四层为55%、五层为80%、七层为70%、八层为60其中二层、六层为夹心风，正常运行时为关闭状态b、给粉方式：均等：上组燃烧器一次风给粉机转速：410r/min；下组燃烧器一次风给粉机转速：430r/min。正塔：上组燃烧器一次风给粉机转速：376r/min；下组燃烧器一次风给粉机转速：460r/min。倒塔：上组燃烧器一次风给粉机转速：435r/min；下组燃烧器一次风给粉机转速：386r/min。4.4试验结果及其分析在200MW负荷下，燃烧调整试验结果如下：4.4.1炉膛出口氧量对锅炉飞灰可燃物与NOx排放量含量的影响（工况1、2、3、4）第三届全国火力发电厂锅炉专业技术交流研讨会162图3炉膛出口氧量对锅炉飞灰可燃物含量的影响图4锅炉炉膛出口氧量对NOx排放量的影响由图4可见，锅炉在满负荷运行情况下，炉膛出口氧量对锅炉NOx排放量的影响较大，随着炉膛出口氧量的增加，NOx排放量也随着增加。同时由图3可以看出飞灰可燃物的含量在氧量3%-4%之间时最小，因此，综合考虑燃烧的经济性和NOx排放量，应该将炉膛出口氧量控制在3.0%左右。4.4.2一次风压对锅炉飞灰可燃物含量和NOx排放量的影响表4一次风压对锅炉飞灰可燃物含量和NOx排放量的影响项目单位工况5工况6电负荷MW199200一次风压kPa3.2953.004飞灰可燃物含量%3.462.96锅炉出口NOx排放量mg/m3907.9928.6由表4可见，一次风压在3.004kPa时飞灰可燃物含量较小。而一次风压对NOx排放量的影响在空气预热器出口的测量结果在数值上变化不大。因此，为了保证较低第三届全国火力发电厂锅炉专业技术交流研讨会163的飞灰可燃物含量及NOx排放量，同时考虑一次风压对煤粉在管道内的沉积，一次风压应保持在3.0kPa左右。4.4.3二次风配风方式对飞灰可燃物含量、NOx排放量的影响表5二次风配风方式对飞灰可燃物含量、NOx排放量的影响项目单位工况7工况8工况9电负荷MW199200200配风方式/方式一方式二方式三飞灰可燃物含量%4.234.783.76锅炉出口NOx排放量mg/m3817973762由表5试验数据可知，方式二配风方式的飞灰可燃物含量要高于方式一、三配风下的飞灰可燃物含量。这说明分级燃烧方式适合胜利发电厂的锅炉设计特点，并且二次风配风方式对NOx排放量有较大的影响。在炉膛出口氧量保持一定的情况下，方式一、二的配风下NOx排放量要比方式三配风方式多26.4%和9.4%。可见，煤粉和空气的早期混合对NOx排放量具有较大的影响。改变二次风的配风方式，即相对于改变了某一范围内的粉量、风量之比。对于方式三的配风方式来说，提高了下组燃烧器的一次风喷口区域的煤粉量/风量之比，在这一区域就形成沿炉膛方向空气的分级燃烧，从而可降低NOx生成量。4.4.4燃料分配方式对NOx排放量的影响表6燃料分配方式对NOx排放量的影响项目单位工况10工况11工况12电负荷MW199200200给粉方式/均等正塔倒塔飞灰可燃物含量%4.023.614.93锅炉出口NOx排放量mg/m3733.4704.8776.3由表6可