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2000 t/h等级以上燃煤锅炉性能与氮氧化物排放试验研究

2017-07-22 09:49:48本网

  2000t/h等级以上燃煤锅炉性能与氮氧化物排放试验研究王学栋1陈方高2胡志宏1(1.山东电力研究院,2.大唐山东分公司)式、燃烧煤种对锅炉性能、NOx排放浓度的影响。数据分析表明,锅炉性能和NOx排放浓度与锅炉结构和燃烧器型式、燃烧煤种关系密切。

  煤炭是我国主要的一次能源,燃煤对环境的主要污染有烟尘污染、有害气体(NOX、SO2、CO等)污染、CO2及热污染等,NOX污染是其中的一个主要污染项目。我国大气污染物中,有60%NOX来自于煤的燃烧,研究发现每燃烧1t煤就产生89kg氮氧化物。2004年全国煤炭消耗量近19亿吨,火电厂发电用煤占了全国燃煤的近60%,随着经济的稳定快速发展和电力工业燃煤量的增加,NOX排放量越来越大。我国正逐步加大对火力发电锅炉排放NOX的控制和治理力度,于1996年8月开始实施电站锅炉NOX排放浓度不大于650mg/Nm3的排放指标规定,2003年重新修订后的标准进行分时段控制,对氮氧化物排放又提出了更严格的要求。

  根据NOX生成机理,其生成量受燃烧过程和燃煤锅炉运行参数的影响。对于电站燃煤锅炉,影响NOX生成的因素非常复杂,其中锅炉结构和燃烧器型式、燃烧的煤种对炉内燃烧过程有着重要影响,因此对NOX排放起着重要作用。本试验针对近期投产的不同燃烧器、不同炉型的2000t/h等级及以上容量燃煤锅炉,由锅炉性能试验和NOX排放浓度测试数据,分析了锅炉结构和燃烧器型式、煤种、低NOX燃烧技术对NOX排放、锅炉低负荷稳燃能力以及锅炉性能的影响,并试验研究锅炉运行参数的影响,通过燃烧调整和运行参数优化,使锅炉效率和NOX排放达到最佳。

  1锅炉性能试验和NOx排放浓度测试目前,由于我国越来越重视NOX排放浓度控制,因此近期投产的2000t/h等级及以上容量燃煤锅炉,在保证锅炉燃烧效率的同时,普遍采用新型低NOX燃烧技术和燃烧器。

  对山东电网及周边省份的7台典型的2000t/h等级及以上容量燃煤锅炉性能和NOx排放浓度进行了测试,锅炉型式包括墙式燃烧锅炉、四角切圆燃烧锅炉、W火焰锅炉等;燃烧煤种包括无烟煤、贫煤、烟煤和混合煤各类煤种;燃烧器型式包括旋流燃烧器和直流燃烧器。由测试数据分析了锅炉结构和燃烧器型式、以及低氮燃烧技术、煤种、锅炉运行参数对NOX排放浓度、锅炉低负荷稳燃能力以及锅炉性能的影响。

  1.1试验方法试验依据GB1084-88电站锅炉性能试验规程,试验中采用KM9106烟气分析仪进行NOX排放浓度测试。在空预器出口烟道,采用网格法进行烟气取样,样品经混合器后进入烟气分析仪,对O2、NOX的排放浓度进行测量,每一个试验工况取45组数据平均,并根据GB13223-2003火电厂大气污染物排放标准将含氧量修正到6%或过量空气系数修正到1.4.在空预器出口烟道,利用网格法和K分度热电偶进行排烟温度的测量;用飞灰等速取样器在代表点等速采样,确定飞灰含碳量;在捞渣机出口,人工采集炉渣并缩分,作为炉渣代表样;煤粉在给煤机上方的取样口取得,所取样品立即进行化学分析,以保证分析结果的准确性和及时性,另外,留取所有试验工况下原煤进行元素分析。通过以上方法确定锅炉不完全燃烧热损失和排烟热损失,从而确定锅炉燃烧热效率和其他特性。

  1.2锅炉性能和NOX排放浓度测试数据为了分析锅炉结构和燃烧器型式等因素对NOX排放浓度和锅炉性能的影响,测试了7台具有不同炉膛结构、燃烧器型式、燃烧不同煤种的2000t/h等级及以上容量锅炉的性能和NOX排放浓度,测试数据见表1.表1典型结构形式锅炉的性能和NOx排放浓度测试数据电厂国电聊城鲁能河曲华能德州国电费县华电潍坊黄岛邹县锅炉容量/t-h-12027202822091913210221023033燃烧方式W型火焰四角切圆墙式燃烧墙式燃烧四角切圆四角切圆墙式燃烧狭缝式喷燃器布置于直流式摆动燃DS双调风旋流燃烧轴向旋流同轴燃烧系统,上同轴燃烧系统,顶低NOX旋流式前后炉拱上,下腹部的烧器,采用较大器,顶部有2层4燃烧器部6层浓煤粉喷部设有2层HT-NR3燃烧器,燃烧器型式三次风用于调节火焰比例的长度和分级燃烧CCOFA+SOFA个燃尽风喷嘴OFA1,OFA2嘴,下部6层淡煤CCOFA喷嘴,5顶部一层10只燃粉喷嘴,四角布置层可水平摆动的尽风喷嘴(AAP)SOFA喷嘴2锅炉性能和NOx排放浓度的影响因素2.1锅炉结构和煤种对锅炉性能和NOx排放的影响由表1测试数据可知,不同炉型和燃烧器型式的锅炉,其NOx排放浓度和锅炉性能差别很大。烟煤锅炉,设计和试验的最低稳燃负荷较低,在30%上下;无烟煤、贫煤锅炉,最低稳燃负荷较高,在50%上下,与烟煤锅炉差距较大;黄岛、潍坊、邹县、费县4个电厂,由于试验煤种与设计煤种的挥发分差别较大,锅炉最低稳燃负荷没有达到设计值。燃用无烟煤、贫煤的锅炉与烟煤锅炉相比,其NOx排放浓度高出许多,锅炉燃烧热效率也低,说明锅炉结构型式和煤种对锅炉性能和NOx排放浓度影响巨大。

  一般来说,煤的挥发分越高,炉内NOx的生成量越少的设计。煤的挥发分高着火性能好,锅炉设计时则选取较低的炉膛温度和煤粉气流着火温度,降低了燃料N的转换率,也降低了热力型NOx的生成量;②煤的燃烧性能影响着锅炉的运行方式。挥发分高的煤容易着火和燃尽,运行中往往采用较低的过剩空气系数,降低了燃料N的转换率;③煤的燃烧性能强烈影响着煤粉的着火过程和炉膛内的氧量、温度分布状况,挥发分多,煤粉着火提前,迅速燃烧的挥发分更多地消耗掉煤粉气流着火阶段的氧气,增强了煤粉气流低温燃烧阶段的还原性气氛,生成的NOx部分被还原,减少了最终的锅炉出口NOx排放浓度。

  火焰锅炉炉膛下部着火区域几乎全部由耐火材料覆盖形成绝热层,炉膛最高温度接近煤的理论燃烧温度,温度往往在1500C以上,目的是保证难燃烧的无烟煤与贫瘦煤稳定着火燃烧,同时为提高煤粉燃尽性能,运行中又控制较高的省煤器出口氧量(O2=4%5%),较高的炉膛温度和过多的空气量保证了较高的锅炉燃烧效率,同时也造成了高达1500mg/Nm3的NOx排放浓度。聊城亚临界2027偷锅炉在TMCR工况下,锅炉效率为92.967%,超过保证值92.5%,而NOx排放浓度为1100 mg/Nm3.W火焰锅炉燃烧温度高,除了燃料型NOx受很高的燃烧温度影响而大量生成外,也具备热力型NOx大量生成的条件(富氧燃烧、结渣的卫燃带温度超过1800K、炉内燃烧热负荷较常规炉型大、炉膛温度水平高、炉内大量局部高温区域、燃料在高温区停留时间长、每组燃烧器的燃烧火焰集中和高温),最终导致了NOx排放浓度居高不下,目前W火焰锅炉NOx排放浓度最高,远高于国家目前的排放标准。

  潍坊超临界2102t/h锅炉采用直流燃烧器、四角切圆燃烧、燃烧贫煤,为了燃烧充分,锅炉运行采用所试验锅炉中最高的过量空气系数,其截面热强度、燃烧区域的燃烧温度也比较高,因此NOx排放浓度也较高,达到958 mg/Nm3,仅次于W火焰锅炉。

  河曲电厂、黄岛电厂、邹县电厂锅炉,燃烧烟煤,锅炉效率都达94%以上,NOx排放浓度在450 mg/Nm3以下,最低达326mg/Nm3.NOx排放浓度低,锅炉燃烧热效率高,一方面是燃料特性的影响,燃煤挥发分最高接近40%(分别为37.82%、27.82%和26.89%),煤粉易于着火燃尽;同时由于煤的着火性能好,锅炉设计时选取较低的炉膛温度,燃烧过程中采用较低的过量空气系数(分别为2.85%、4.9%和3.03%),这两个因素都显著降低了燃料型NOx和热力型NOx的生成量;与贫煤锅炉和W火焰锅炉相比,NOx排放浓度降低了许多。

  从表1中数据,比较同样采用四角切圆燃烧方式的潍坊和黄岛超临界2102 t/h锅炉,都采用直流摆动式燃烧器,但其NOx排放浓度和锅炉效率差别很大,相同容量的潍坊电厂锅炉,由于烧贫煤,比相同容量、烧烟煤的黄岛电厂锅炉,其效率低1.2%,NOx排放浓度高约500 mg/Nm3,说明燃料对NOx排放浓度和锅炉性能有着重要影响。

  不同型式锅炉,燃烧不同煤种时,其氧量变化很大,从最低2.85%到最高6.05%,对应的NOx排放浓度从326 mg/Nm3增加到1097mg/Nm3,燃烧高挥发分烟煤,采用的氧量低些(从2.85%到4.9%),燃烧贫瘦煤和无烟煤混合煤、无烟煤、贫煤时,采用的氧量较高(约6%上下),因此其NOx排放浓度也高。在所有锅炉运行参数的影响因素中,炉膛内平均氧量以及氧浓度分布对NOx排放浓度的影响最明显,几乎所有锅炉NOx排放浓度测量值都随炉膛出口过剩空气系数的增加而增加,因此,煤种和氧量对锅炉性能和NOx排放浓度影响是相辅相成的。烟煤容易着火,采用的氧量少,炉内燃烧温度低,同时抑制热力型NOx和燃料型NOx的产生,NOx排放浓度低。

  总之,锅炉结构即炉型与燃烧方式关系密切,炉型对NOX排放浓度和燃烧热效率的影响实质上主要是炉膛燃烧热强度和温度分布状态的影响。不同的燃料,由于着火性能不同,其燃烧温度和所需炉内氧量差别很大,因此对锅炉效率和NOX排放浓度影响的差别也较大。

  2.2低NOX燃烧器对锅炉性能和NOX排放浓度的影响煤粉燃烧器有直流燃烧器和旋流燃烧器两种,分别用于切圆燃烧锅炉和墙式燃烧锅炉,燃烧器型式对锅炉性能和NOX排放浓度有着重要影响。由于环保意识的加强,近期投产的大容量锅炉燃烧器采取许多措施来提高锅炉性能和降低NOX排放。

  黄岛电厂锅炉采用四角布置、切向燃烧的摆动式燃烧器,其低NOX同轴燃烧系统(LNCFS)设计的主要任务是减少挥发分氮转化成NOX,方法是建立早期着火和使用控制氧量的燃料/空气分段燃烧技术。LNCFS的主要组件为:①紧凑燃尽风(CCOFA);②可水平摆动的分离燃尽风(SOFA);③预置水平偏角的辅助风喷嘴(CFS);④宽调节比(WR)煤粉喷嘴。LNCFS通过在炉膛的不同高度布置CCOFA和SOFA,将炉膛分成3个相对独立的部分:初始燃烧区、NOX还原区和燃料燃尽区,这种改进的空气分级方法通过优化每个区域的过量空气系数,在有效降低NOX排放的同时能最大限度地提高燃烧效率;同时还采用宽调节比(WR)的煤粉喷嘴和同心切圆燃烧方式(CFS)的多隔仓辅助风设计技术。WR煤粉喷嘴中装有V型钝体,使得一次风在V型钝体前方形成稳定的回流区,卷吸高温烟气,起到稳定火焰的作用,从而能有效降低NOX的生成,延长焦炭的燃烧时间,保证煤粉颗粒的充分燃尽,提高锅炉燃烧效率;同心切圆(CFS)燃烧方式使得部分二次风气流在水平方向分级,在初始燃烧阶段推迟了空气和煤分的混合,NOX形成量减少。正因为采用先进的低NOX同轴燃烧系统,黄岛电厂锅炉效率和NOX排放浓度都达到比较好的水平,分别是93.58%和449mg/Nm3.采用同样低NOX燃烧系统的潍坊电厂锅炉与采用W火焰的聊城电厂锅炉相比,在燃料成分基本相同的情况下,NOX排放浓度低140mg/Nm3.不同型式的新型旋流燃烧器(如德州电厂双调风旋流燃烧器和邹县电厂HT-NR3旋流燃烧器)经过技术改造,实现沿射流轴向的分级燃烧过程,避免形成高温、富氧的局部环境,降低了NOX排放。新型旋流燃烧器的特点是在燃烧器的出口实现空气逐渐混入煤粉空气气流,合理地控制燃烧器区域空气与燃料的混合过程,以阻止燃料氮转化为NOX和热力型NOX的生成,同时又保证较高的燃烧效率。德州电厂2200t/h锅炉采用双调风低NOX旋流燃烧器前后墙对冲布置,设计贫煤和无烟煤混烧,煤的着火稳燃性能较差,为了稳定燃烧,炉膛水冷壁覆盖有一定数量的卫燃带以提高炉膛温度,运行中常常因为炉内温度过高而结焦。由燃烧温度分析,该炉型的NOX排放浓度应该高于同煤种其他炉型的NOX排放浓度,但实际测量值较小,比燃烧贫煤的潍坊电厂锅炉小许多,这主要是由于双调风低NOX旋流燃烧器较好地控制了燃烧器区域空气与燃料的混合过程,降低了燃料型NOX的生成量,因而具有较好的降低NOX排放浓度的作用,但锅炉效率比设计值低许多,主要是由于试验煤种与设计煤种偏差较大,灰分较设计煤种小,固定炭较设计煤种大,试验煤种较设计煤种难以燃尽,导致飞灰可燃物较高,未燃尽炭热损失增加。邹县电厂锅炉燃烧器采用前后墙对冲分级燃烧技术,在炉膛前后墙各分三层布置低NOX旋流式HT-NR3煤粉燃烧器,每层布置8只,全炉共设48只燃烧器,在最上层燃烧器的上部布置了一层共10只燃尽风喷口(AAP)。HT-RN3旋流式煤粉燃烧器提高了高浓度煤粉气流的快速点燃和火焰的稳定能力,同时内、外二次风在燃烧的不同阶段分别送入炉膛,与一次风和煤粉的混合时间延迟,强化了分级送风的效果,在燃烧器出口处形成了富燃料区和高温区,极大地降低了NOX排放和不投油低负荷稳燃能力,燃烧器上部的燃尽风喷口,保证了煤粉颗粒的完全燃烧,提高了锅炉燃烧效率。在所试验锅炉中,邹县电厂锅炉效率最高,为94.825%,NOX排放浓度最低,为326mg/Nm3,低于燃烧相同挥发分的黄岛电厂锅炉,为449mg/Nm3.所试验锅炉中,河曲电厂亚临界2028t/h锅炉的NOX排放浓度较低,而且其效率也比较高,这其中固然有燃料的原因,锅炉燃烧烟煤,着火温度和炉内燃烧温度比较低,因此形成的热力和燃料型NOX也比较低;同时其先进的燃烧系统也起着很重要的作用。锅炉采用四角布置的直流式摆动燃烧器,每角燃烧器设置五层一次风喷口,喷嘴可上下摆动,一次风可以上下摆动20°,二次风可以上下摆动30°。为了减少NOX的生成量,采用较大比例的CCOFA+SOFA,既能保证燃烧后期供风,又能达到分级送风的目的。每个燃烧器上部有3个SOFA燃尽风室,保证了煤粉颗粒的完全燃烧,提高了锅炉燃烧效率。

  3调整锅炉燃烧方式降低NOX排放由于燃煤锅炉性能和NOX生成量受运行参数影响比较大,因此可以通过改进锅炉的燃烧方式来达到降低NOx排放和提高锅炉燃烧效率的目的。燃煤锅炉运行参数中影响NOx生成量的因素主要有:一次风速、煤粉浓度、煤粉细度、辅助风配风方式、各层煤粉浓度分配、入炉总风量、锅炉负荷等。试验针对采用不同燃烧器、燃烧不同煤种的2000t/h等级及以上容量燃煤锅炉,通过改变燃烧方式和运行参数来降低NOx的生成量,并研究运行参数变化对锅炉燃烧效率和NOx排放的影响。

  3.1省煤器出口氧量调整试验锅炉总风量的变化影响着锅炉排烟量、煤粉燃尽程度。

  调整黄岛电厂锅炉省煤器出口氧量,即改变总风量,了解省煤器出口氧量变化对NOx排放、锅炉热效率的影响。

  试验过程中,维持锅炉负荷、一次风量、热一次风压力、炉膛风箱压差、燃料风挡板开度、投运燃烧器及其摆角不变,改变省煤器出口氧量。锅炉热效率、NOX排放浓度随氧量的变化趋势见。

  随着省煤器出口氧量的增加,排放烟气量增大,造成排烟损失仍增加,固体未完全燃烧热损失如明显下降,排烟损失的升高小于固体未完全燃烧损失94的降低,锅炉热效率在试验氧量3.3%4.7%范围内随省煤器出口氧量的增加而升高,NOX排放也同步增加(所示)。这主要是因为随着省煤器出口氧量的增加,炉膛主燃烧器区域的氧量增加,该区域的燃烧温度也同步上升,使得热力型NOX上升所致。随着省煤器出口氧量的增加,总减温水量先降低后升高,这是由于氧量增加后,后屏和末过的对流吸热量增加,分隔屏吸热相对减少(分隔屏较多地接受炉膛辐射热,而炉膛温度基本没有改变),热量的分配比例改变了。减温水量变化会导致整个机组热效率的变化,减温水量增加,整个机组热效率降低。

  锅炉进行掺烧贫煤试验,随掺烧贫煤量的不同,控制不同的省煤器出口氧量。在B、C层煤粉喷嘴掺烧贫煤的额定负荷下,应保持省煤器出口氧量在4.25%左右,燃烧烟煤时省煤器出口氧量可以降低到3.2%左右。试验数据表明,只要锅炉燃烧调整恰当,可以保持较低的q4和q2热损失,锅炉效率达到94%左右。随着省煤器出口氧量的增加,NOX排放同步增加,但能保持在较低水平,各工况下NOX排放浓度始终低于400mg/Nm3.潍坊电厂超临界2102偷锅炉,在机组电负荷为420MW,省煤器出口氧量从4.2%增加到6.0%时,空预器出口NOX排放浓度从494.2mg/Nm3增加到666.25mg/Nm3,增加了34.81%.3.2燃尽风层风量配比的调整试验燃尽风层的风量配比直接影响燃烧区域的风量分配和燃烧份额。对于黄岛和潍坊电厂锅炉采用的低NOX同轴燃烧系统,上部布置可水平摆动的分离燃尽风,同时采用同心切圆燃烧方式,在燃烧初始阶段推迟了空气和煤粉的混合,NOX形成量少,通过合理的配风,达到降低NOX排放的目的。在潍坊电厂锅炉上进行配风方式调整试验,减少底部二次风量,增加上部SOFA风,对降低NOX排放起到一定作用。潍坊电厂锅炉SOFA配风方式调整试验结果如表2所示。

  同时,调整SOFA风摆角也起到调整炉内燃烧的作用,将黄岛电厂锅炉SOFA风水平摆角从反切15°变到反切5°,其他主要运行参数保持不变,NOX排放浓度从253mg/Nm3变到269mg/Nm3,可知SOFA风水平摆角对NOX排放有影响。

  反切角度由15°减小到5°后,NOX排放升高了。

  表2潍坊电厂超临界2102偷锅炉配风方式调整试验结果工况1工况2工况3工况4省煤器出口氧量/%邹县电厂超超临界3033t/h锅炉在满负荷工况下,燃烧校核煤种,维持给煤量、一次风量、燃烧器和燃尽风的中心风、内二次风、外二次风挡板不变,改变燃尽风层大风箱入口挡板开度,调整燃尽风量,试验结果如中实心黑点所示。随燃尽风量增加,主燃烧区域风量和燃烧份额降低,烟气温度降低,NOX排放浓度直线下降,飞灰含碳量也随之增大,增加趋势先缓后急,燃尽风量较小时,飞灰含碳量增加较慢,燃尽风量超过700 t/h后,飞灰含碳量增加较快。燃尽风量增大,燃烧区域的过量空气系数减小,大大加剧燃烧区域的不完全燃烧程度,煤粉燃尽率明显降低,飞灰含碳量明显上升。尽管在燃烧器上部有大量的燃尽风进入炉膛,但是燃尽时间短和后期混合的不充分,仍然使燃烧效率降低,如中实心三角点所示。

  燃尽风量t/h燃尽风量对飞灰含炭量和NOx的影响3.3锅炉负荷和燃烧器投运方式的调整试验锅炉蒸发增加,则NOx排放浓度上升。主要是因为锅炉蒸发量增加,炉膛热负荷上升,炉膛温度水平提高,热力型NOx增加;同时煤粉在炉内燃烧充分,锅炉未完全燃烧热损失和排烟损失减少,锅炉效率提高。表3给出了聊城电厂和潍坊电厂锅炉热效率、NOx排放浓度与机组负荷、锅炉蒸发量的关系。

  同时燃烧器投运方式与锅炉负荷关系密切,锅炉负荷变化,燃烧器投运方式需要作相应的调整。维持风门挡板和运行氧量不变,改变锅炉负荷及燃烧器投运方式,邹县电厂锅炉试验结果如表4所示。机组电负荷从1000 MW,ABCDE五层燃烧器投入运行时的飞灰含碳量和NOX排放低于ABCDEF六层燃烧器全部投运的工(下转第8页)硫含量越多,所需脱硫剂的给入量也越大,脱硫塔入口烟温越高,脱硫率越低。如果要保持较高的脱硫率,则随着锅炉负荷的变化,喷水量也要随之变化。口

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