三次风布置方式对锅炉出口氮氧化物排放影响

第38卷第11期2016年11月华电技术HuadianTechnologyVol.38No.11Nov.2016热力型燃料型〇l______.'II快速型1300150017001900温獻K图1N0X的煤炭燃烧分类图燃料型N0.是指燃料中含氮化合物在燃烧过程中热分解产生N，CN，HCN等中间产物基团，然后氧化成N0,。燃料型N〇的生成机理非常复杂，根据研究[1]，其生成转化率与煤的含氮量、挥发分、过剩空气系数、燃烧时的最高温度以及氧的浓度有关，是燃煤锅炉N0.的主要来源，占N〇总体含量的60%~80%。热力型N0,是煤炭燃烧时，空气中的N在高温下氧化产生。其生成与温度、压力、N浓度、0浓度以及停留时间有关，其中反应温度、过剩空气系数和停留时间对热力型N0的生成有决定性的影响。如图1所示，当:T1500K时，N0,的生成量很少，而当r1500K时，N0,的生成量随着反应温度的升高而快速增加。一般占燃煤锅炉N0.总体含量的25%~30%。快速型N0是指在碳氢化合物燃料在富燃燃烧时，在反应区附近快速生成的N0.，其生成量受温度影响不大，而与炉膛压力的0.5次方成正比。在燃煤锅炉中，其生成量占N0.总体含量的5%以下，一般在燃用不含氮的碳氢类燃料时才予以考虑。排放量的大小，主要分为燃料型、热力型、快速型3种，如图1所示。500「/T〇引言对煤电机组而言，从燃烧源头控制氮氧化物的生成是脱硝改造的首选方向。我国上世纪末投运的670t/h以下电站锅炉普遍采用中间储仓式乏气送粉系统。乏气亦称为三次风，因其总体风量、湿度较大，且煤粉浓度、温度较低，对锅炉燃烧影响较大。三次风的喷口一般在燃烧器的最上部，以降低对主煤粉气流着火与燃烧的影响。三次风携带大量风粉高速喷人锅炉主燃区末端，形成局部高温，富氧燃烧造成N0生成量较大，因此三次风的布置对降低因锅炉燃烧排放的N0.起着举足轻重的作用。本文以420t/h锅炉在低氮燃烧改造中的三次风布置方案为例，分析、比较不同的三次风布置方式对因锅炉燃烧排放的N0.的影响，为中间储仓式乏气送粉锅炉的低氮燃烧改造方案提供有益借鉴。1锅炉简况上海锅炉厂420t/h锅炉采用固定式直流燃烧器，四角布置，双假想切圆，切向燃烧，每角燃烧器沿高度自上而下排列为^■、三、^二、一'、二二、一'、一'、二■，共布置有8层喷口，其中一次风喷口3层，三次风喷口1层，其余4层为—■次风喷口。制粉系统为钢球磨中间仓储式温风送粉，三次风率18%，三次风含粉量10%〜15%。案例电厂燃用煤种为烟煤，干燥无灰基挥发分在30%〜38%，低氮燃烧改造前N0,排放质量浓度在600~700mg/m3。2氮氧化物生成机理与影响因素煤炭燃烧过程中产生的N0.，按照燃烧温度和收稿日期：016-07-26;修回日期:2216-09-14三次风布置方式对锅炉出口氮氧化物排放影响周杨军(中国华电集团公司浙江分公司，杭州310015)摘要:中储式乏气送粉系统的三次风总体风量、湿度较大，煤粉浓度、温度较低，布置方式不仅对锅炉燃烧、飞灰影响较大，也对锅炉N0,排放起着举足轻重的作用。针对不同低氮燃烧技术改造案例，分析了三次风布置方式对锅炉燃烧和N0.排放的影响，提出了中储式乏气送粉、四角切圆燃烧锅炉低氮燃烧技术改造的优选方案，为同类型机组低氮改造提供有益借鉴。关键词:三次风;低氮燃烧;氮氧化物中图分类号:TK26文献标志码：B文章编号：1674-1951(2016)11-0069-03O0OOSO04321(!,•su)/_转觉*0之•70•华电技术第38卷3低氮燃烧技术改造主要措施由NO,的生成机理可以看出，NO,的生成主要与燃料燃烧温度、煤种特性（煤的含氮量、挥发分含量等）、炉膛内反应区烟气的气氛（烟气内氧气、氮气、NO,和CH,含量）以及炉内停留时间等有关。燃料中的含氮化合物和N在氧化条件下生成NO,，遇到还原性气氛，如缺氧燃烧时，则还原成分子氮。因此低氮燃烧技术改造主要从抑制NO,的生成和还原已生成的NO,着手，一般采用低氮燃烧器（浓淡分离）、低氧燃烧（控制燃烧温度）、空气分级燃烧、燃料分级燃烧(燃料再燃）、烟气再循环等措施，控制燃烧与空气的前期混合，提高人炉的局部燃烧浓度，减少过量空气系数，并利用还原反应降低NO,排放，最终排放浓度取决于NO,的生成反应和还原反应的综合结果。在低氮燃烧改造工程应用中，各厂对一次风、二次风及燃尽风的总体布置差别不大，主要用来满足低氧燃烧、防止结焦、稳燃、燃尽等方面的需要。根据需要的不同，三次风的布置方式可以对锅炉燃烧的稳定性、控制NO,的生成以及锅炉经济性产生相应的影响。4三次风布置方式对锅炉出口NO,排放影响根据运行经验，停役制粉系统可以显著降低锅炉出口NO,。通过消除或减少三次风的影响，可以达到降低NO,目的。下面简要介绍各厂在低氮燃烧改造中三次风布置方式及改造效果，具体布置如图2所示。4.1方案1三次风位置不变早期的低氮燃烧技术改造，主要从低氮燃烧器+空气分级燃烧的角度进行NO,控制。如浙江A厂在低氮燃烧改造中，在保持一、二、三次风原有标高的基础上，一次风采用了浓淡分离燃烧器，加上部分二次风与一次风气流偏置形成贴壁风，实现炉膛水平方向的空气分级燃烧;二次风喷口面积适当缩小，降低主燃区二次风量配比，并在燃尽区增加两层分离式燃尽风（SOFA)喷口，实现炉膛高度方向的空气分级燃烧，即在主燃烧区中心形成有较高煤粉浓度、较高温度、合适氧浓度、较高燃烧强度的富燃料燃烧区，同时在燃尽区送人燃尽风，形成富氧燃烧区，使未燃尽成分充分燃烧。主燃区从高氧燃烧转为低氧燃烧，燃烧强度受限、温度降低，局部出现的还原性气氛抑制了燃烧初期的燃料氮向NO,转化过程，同时燃烧中心温度降低也减小了热力型NO,的生成速率，两者共同实现了炉膛出口低NO,排放，低氮改造效果良好，锅炉出口NO,在350mg/m3左右。该改造整体变动较小，虽然主燃区燃烧温度降低，但燃烧稳定性较好；因燃尽区补人SOFA风燃烧，火焰中心有所抬高，减温水量有所增大，飞灰增大不明显，排烟温度有所增加，锅炉效率小幅降低。图2各方案三次风喷嘴布置示意图4.2方案2三次风浓稀相设置，浓相紧贴主燃区，稀相作SOFA风随着低氮改造要求的提高，减少三次风对低氮燃烧的影响成为大家关注的焦点。浙江B厂在低氮燃烧器+空气分级燃烧改造的基础上提出了对三次风进行浓淡分离，浓相降低高度布置到上一次风与上二次风之间，紧贴主燃区有利于燃尽，并起到上二次风的作用;稀相作为SOFA风的一部分，紧邻下SOFA风布置，形成SOFA风2+1配置，同时浓、稀相三次风喷口均向下倾斜10°，以降低三次风运行对氮氧化物的影响。该改造工程量较A厂稍大，三次风的分离布置，降低了三次风一次大量进人对锅炉燃烧的影响，而布置高度的降低有利于燃尽，也减少了主燃区的二次风量，增强了控制主燃区氧量的能力，低氮改造效果较优，锅炉出口NO,能达到300m//m3左右。改造后火焰中心有所抬高、减温水量有所增大、飞灰增大不明显、排烟温度略有升高、锅炉效率小幅降低。4.3方案3三次风部分引入一次粉管，其余紧贴主燃区布置浙江C厂为耦合选择性非催化还原（SNCR)烟气脱硝对温度窗口的要求，在改造中将部分三次风引人一次粉管，即在两台排风机出口分别引一路三次风管路到给粉层下方，按上下分层，中层对角分第11期周杨军：三次风布置方式对锅炉出口氮氧化物排放影响•71•流各自接入六支一次粉管;其余三次风保留一层喷口，紧贴主燃区布置在上一次风与上二次风之间。部分三次风并入一次粉管，一定程度上提高了一次风粉浓度，有利于燃烧初期的富燃料燃烧，降低燃料氮的转化率;同时实质减少了三次风总量，降低了火焰中心，便于二次风、SOFA风的调节和氧量控制，因此低氮改造效果非常好，锅炉出口氮氧化物能达到220mg/m3左右。考虑温度较低的三次风混入一次粉管降低了进入炉膛的一次风温度，对锅炉燃烧稳定性有一定影响，因此本方案只是分流部分三次风进入一次粉管，一次风粉温度降低50°C左右。改造后系统运行相对复杂，制粉系统启停需要开关三次风与各一次粉管的联通阀；同时三次风联通管如有积粉，在联通阀开启后会造成锅炉主汽压力波动，因此联通管的设置应避免煤粉沉积。该改造降低了炉膛火焰中心，减温水量明显减少，飞灰降低不明显，排烟温度降低，锅炉效率有所升高。4.4方案4三次风浓稀相设置，浓相布置到主燃区中下部,稀相紧贴主燃区布置对燃用烟煤的锅炉来说，燃烧稳定性较好。为此可以把三次风浓相布置到主燃区中部，作中二次风利用(对于只有二层一次风喷嘴的锅炉可布置到主燃区下部作下二次风，具体布置位置应根据燃煤情况及锅炉燃烧稳定性来确定:浓相三次风布置到主燃区中部，因三次风温度较二次风为低，将对锅炉燃烧稳定性造成较大影响;布置到主燃区下部，因缺少二次风托底且接近冷灰斗，部分煤粉颗粒可能直接跌落，炉渣大灰含碳量会有一定的增加），稀相紧贴主燃区作上二次风布置。三次风进入主燃区，有利于煤粉燃尽；同时其在主燃区生成的NO.，由于还原气氛的作用，被还原为N，有助于减少M〇的最终生成量;另外还可以减少主燃区的二次风量，增强空气分级燃烧效果。王伟平等[2]在10t/h锅炉上将三次风分成浓稀相两股气流，浓相煤粉气流从下二次风喷口喷入，稀相煤粉气流从上三次风喷口喷入，改造后大灰含碳量轻微上升，锅炉出口NO降至300m//m3左右。根据王伟平等的试验，考虑小锅炉受空间限制，空气分级燃烧效果相对较差，预计方案4低氮改造效果应该在方案2与方案3之间，接近于方案2的效果，锅炉出口NO能达到250m//m3以下，具体有待实际验证。4.5方案5三次风作超细粉再燃布置由于三次风煤粉粒度远小于一次风煤粉，易着火燃尽，是非常理想的再燃燃料，将其送入主燃区与燃尽区之间的再燃区燃烧可以减低排放。为此须对三次风进行浓缩，将浓缩后的三次风喷入再燃区，形成富燃料燃烧;通过大量生成CH基团的还原性氛围，使在主燃区生成的N〇发生还原反应生成N，从而减低锅炉出口NO。斯东波等在某200MW四角切圆燃烧煤粉炉上实施了三次风再燃技术[3_6]，采用烟气再循环将三次风的超细粉送入炉内进行再燃，在20%带粉量情况下，该三次风再燃方案可以获得50%以上的脱硝率并基本不影响锅炉正常运行。该方案系统采用空预器入口烟气替代热风作为制粉系统干燥剂，改造工程量较大，同时实际运行中受制于三次风带风量不足，降氮效果不及预期，故实际应用案例较少。表1为5种不同类型的三次风布置方案的结果比较。表1各种三次风布置方案结果比较项目方案1方案2方案3方案4方案5出口NOX/(m/•m_3)33030022020350锅炉效率降低降低升高升高降低减温水量增大增大减少减少增大排烟温度升高升高降低降低升高燃烧稳定性很好很好很好好很好5结论低氮燃烧器+空气分级燃烧技术改造是当前低氮燃烧改造的主流方案之一:一次风燃烧器采用浓稀相分离燃烧器，在燃烧初期抑制NO生成。二次风采用与一次风偏置、反切等技术防止炉膛结渣和高温腐蚀，满足分级配风要求。三次风分离成两部分，作为一次风、二次风或SOFA风补入，解决了锅炉燃烧对三次风稳燃、低氮与燃尽的要求，有效控制炉内过量空气系数。综上，对于420t/h中储式乏气送粉四角切圆燃烧锅炉的低氮改造优选方案首推方案3，次选方案4。要追求更好的低氮效果，应结合煤种及锅炉燃烧稳定性情况，对方案3和方案4进行组合应用，即三次风部分引入一次风，其余三次风进入主燃区中部作二次风布置。各厂在实际运行过程中存在操作习惯、运行经验以及煤种差异，对低氮燃烧运行的效果均会有一定影响。参考文献：[1]吴碧君.燃烧过程中氮氧化物的生成机理[J].电力环境保护,2003,19(4):9-12.[2]陈光元，邹显宏,张锡强，等.420t/h锅（下转第75页）第11期柳玉宾，等：某燃气轮机电厂余热利用系统风机故障模拟分析•75•燃气轮机出口背压上限值以下。燃气轮机出口背压变化见表2。可以看出：余热锅炉烟囱隔板快速打开，能够减小背压增加的幅度和超限时间;而余热锅炉烟囱隔板打开的15s内，不能消除背压超限问题。表2引风