锅炉燃烧调整对N0X排放量影响的分析

锅炉燃烧调整对N0X排放量影响的分析华电乌鲁木齐热电厂 王廷德 蔡明 摘要乌鲁木齐热电厂一期2330MW燃煤机组通过燃烧调整分别对燃烬风、氧量、磨煤机组合方式、配风方式等对NOX排放量的试验进行分析，从中提出了一些通过锅炉燃烧调整降低NOX的方法和建议。关键词 燃烧调整；选择性催化还原技术(SCR)；NOX1 引言在燃煤电厂排放的大气污染物中，NOX因对生态环境和人体健康的危害极大，且难以处理，所以成为重点控制排放的污染物之一，多年来，我国对NOX的治理还很有限。我们知道，目前控制NOX排放的主要措施有燃烧中脱硝和燃烧后脱硝两种。如果在燃烧中采用低NOX燃烧器，加之通过合理的燃烧调整，可大大减少NOX的排放量，从而可大大减轻SCR运行成本，因此通过燃烧调整来减少燃煤电厂污染物的排放，具有积极的意义。煤粉炉烟气中NOx形成分为燃料型、热力型和速度型。在燃用挥发分较高的烟煤时，燃料型NOx含量较多，快速型NOx极少。燃料型NOx是空气中的氧与煤中氮元素热解产物发生反应生成NOx，燃料中氮并非全部转变为NOx，它存在一个转换率，降低此转换率，控制NOx排放总量，可采取：(1)减少燃烧的过量空气系数；(2)控制燃料与空气的前期混合；(3)提高入炉的局部燃料浓度。热力型NOx是燃烧时空气中的N2和O2在高温下生成的NOx，产生的主要条件是高的燃烧温度使氮分子游离增加化学活性，其次是高的氧浓度，要减少热力型NOx的生成，可采取：(1)减少燃烧最高温度区域范围；(2)降低锅炉燃烧的峰值温度；(3)降低燃烧的过量空气系数和局部氧浓度。燃烧调整上，维持低氧量燃烧，以配风为主，兼顾其它问题。本文通过燃烧调整分别对燃烬风、氧量、磨组合方式、配风方式等对NOX排放量的试验并进行分析，并得出结论。2 设备概况为分析锅炉燃烧调整对NOX排放的影响，以乌鲁木齐热电厂330MW机组1146t/h锅炉为对象，进行了试验研究。该锅炉为东方锅炉厂设计制造的亚临界+一次中间再热+自然循环+平衡通风+煤粉固态排渣汽包炉，燃用煤种为烟煤，锅炉配用中速磨，冷一次风正压直吹式制粉系统，共有五台中速碗式磨煤机，其中四台运行1台备用。煤粉燃烧器布置在炉膛四角，切圆燃烧，四角燃烧器中心线与炉膛中心形成两个相切的假想切圆，采用摆动式水平浓淡分离燃烧器。燃烧器喷口布置见图1，燃烧器的这种结构和布置应用了低NOX燃烧技术，具体地有：（1） 燃烧器设计上属于低NOx燃烧技术。本厂锅炉喷燃器射流设计为一、二次风同心反切，#1、4角的一次风射流与前墙夹角分别为4130和46，各层喷燃器四角的二次风射流与一次风射流都有一定程度的夹角，这种设计有利于减少NOx的产生。一是可以减小过剩空气系数。由于炉内煤粉与空气混合强烈，煤粉离开燃烧室的燃尽度增加，因而炉膛过剩空气系数可以减小，省煤器出口烟气含氧量可控制在2.5%（a=1.14）。二是降低烟气中NOx的含量。因二次风略迟后介入一次风气流，减少煤粉火焰根部的氧浓度，抑制了燃料型NOx的形成。（2）采用WR煤粉燃烧器浓淡分离的技术该种燃烧器在气粉混合物流经粉管与燃烧器连接的最后一个弯头时，由于离心的作用，大部分煤粉（6070）紧贴外沿进入粉管上半部，而煤粉气流中的约50的空气进入上半部。由于浓侧煤粉气流的空气量少，故抑制了燃料型NOx供富足氧量加以燃尽，整个过程可减少NOx的生成。即使由于局部温度高，热力型NOx的生成有所增加，但因前者起主要作用，因而浓侧的NOx生成减少。淡侧煤粉气流因空气流量多，燃料型NOx生成增多，但因温度低，热力型NOx大大减少，因而NOx生成量也有所减少。所以WR煤粉燃烧器的应用在设计上减少了煤粉炉NOx的生成。即使由于局部温度高，热力型NOx的生成有所增加，但因前者起主要作用，因而浓侧的NOx生成减少。淡侧煤粉气流因空气流量多，燃料型NOx生成增多，但因温度低，热力型NOx大大减少，因而NOx生成量也有所减少。所以WR煤粉燃烧器的应用在设计上减少了煤粉炉NOx的生成。（3）设置并发挥燃烬风的作用开大最上层的燃尽风开度，可以使燃料层高温区缺氧燃烧，在火焰上升过程温度相对较低时提供富足氧量加以燃尽，整个过程可减少NOx的生成。3 试验方法按GB10184-1988，电站锅炉性能试验规程及330MW机组集控运行规程进行锅炉燃烧调整试验，锅炉燃烧调整每个工况，采用网格法在空气预热器的进、出口分别进行烟气取样，经混合器混合后送到烟气分析小车进行分析。 图1 燃烧器喷口布置示意图4 试验结果与分析4.1 锅炉配风方式对NOx排放量的影响 保持锅炉负荷、氧量、风箱与炉膛的压差、磨煤机组合方式等不变，通过不同的配风方式进行试验，结果如表1所示。从表中可以看出：倒三角配风方式锅炉NOx排放量最低，而正三角配风方式NOx排放量最高，其它两种配风方式NOx的排放量居中。采用倒三角配风方式，在主燃烧区域，锅炉氧量相对较低，因此燃烧的火焰温度也要相对低一些，热力型NOx和燃料型NOx的生成量都减少,在燃烧器区域上部送入过量的空气，有助于燃料燃尽，该区域不是主燃烧区域，火焰温度比较低，即使该区域氧量比较大,NOx的生成量也不会增大，因此，总的NOx排放量比较低，这也说明顶部二次风的投入确实能减少NOx的生成量。但由于燃烧区域下部送入风量比较少，对进入炉膛的煤粉顶托能力不够，致使炉渣可燃物含量比较大。采用正三角配风方式，锅炉的主要风量都从炉膛燃烧区域下部送入，使得主燃烧区域氧量比较大，燃烧的火焰温度也相对较高，从而使热力型NOx和燃料型NOx的生成量增加，总的NOx排放量也就增大。表1 锅炉采用不同配风方式时的试验结果项目均匀配风方式正三角配风方式倒三角配风方式缩腰配风方式SCR进口NOX浓度(mg/Nm3)3303702823154.2燃烬风风门挡板及运行磨燃料风门开度对NOX排放量的影响保持锅炉负荷、氧量、风箱与炉膛的压差、磨煤机组合方式等不变，通过分别调节燃烬风门及运行磨燃料风门开度方式进行试验，结果如表2所示;运行中适当加大燃烬风风门开度有利于降低SCR进口的NOx含量。按东锅厂设备说明书规定，当负荷75BMCR时，燃烬风风门挡板应开始有开度，负荷至100保持全开。如在200MW负荷，SCR投入运行时，可适当保持一定的燃烬风风门挡板开度，以降低SCR进口NOx含量，在保证NOx排放合格的情况下，减少喷氨量。运行中燃料风量的大小对SCR进口NOx含量也有一定的影响，燃料风和一次风喷口角度相同且在其外沿，某一工况下开大燃料风门，燃料风量增加，在燃烧初期属于富氧燃烧，燃料型NOx升高，因此SCR进口NOx含量上升。同理，关小辅助风门，降低辅助风量在总风量不变的情况下相当增加燃料风量，降低了迟介入的风量，燃烧初期属于富氧燃烧，SCR进口NOx含量也是上升的。表2 200MW工况下调整OFA对NOX的影响项目燃烬风OFA开度=5%燃烬风OFA开度=30%运行BCD磨燃料风门开度=20%运行BCD磨燃料风门开度=35%SCR进口NOX浓度(mg/Nm3) 395 375385 4044.3 氧量对NOX排放量的影响一、二次风同心反切的燃烧器设计，有利于风粉混和物的充分混合，有利于适当降低氧量运行，而过高的省煤器出口烟气含氧量导致SCR进口NOx含量高。保持锅炉负荷、配风方式及磨煤机组合方式均不变，通过调节送风量来改变锅炉的氧量，进行试验分析。如表3所示。 从表3数据可以看出：随着O2%的增加，锅炉的NOX排放量也在增加。在O2%增加到一定程度以后NOX排放量的增加渐趋平缓。这是因为随着O2%的增加，炉内燃烧区域的供氧量加强，燃烧强度加强，炉膛火焰温度升高，热力型NOX的生成量增大。另外，燃烧区域氧浓度增加，为燃料中的氮化合物燃烧时的表3 300MW工况下降低氧量对NOX的影响工况1234省煤器出口氧量（%）2.613.033.414.2SCR进口NOX浓度(mg/Nm3)389410446452锅炉效率（%）92.593.492.893热分解产物进一步氧化成NOX提供了条件，从而使燃料型NOX的生成量也增加，因此总的NOX排放量增加。然而随着O2%的进一步增大，送入锅炉的风量已经过大，造成燃烧区域的火焰温度降低，从而使热力型NOX的生成量减少。因此总的NOX排放量的增加趋势平缓。若O2%进一步增大，NOX的生成量还会有降低的趋势。4.4 磨煤机组合运行方式对NOX排放量的影响保持锅炉负荷，过量空气系数和配风方式不变，通过不同的磨煤机组合运行方式进行试验。表4 上、下层制粉对NOX的影响工况 300MW 250MWSCR进口NOX浓度(mg/Nm3)上层组合BCDE 437 450下层组合ABCD 406 423 从表4可以看出BCDE磨组合运行方式的NOx排放量要比ABCD磨组合运行方式的NOx排放量高。其主要原因是：对于上层BCDE磨组合运行方式，高温区域沿炉膛高度方向比较长，而对于ABCD磨组合运行方式，高温区域主要集中在下部，沿炉膛高度方向就比较短，所以其热力型NOX的生成量就比BCDE磨组合运行方式少，从而使下四层磨组合运行方式总的NOX排放量要比上四层磨组合方式少。4.5 风粉混和物浓度对NOX排放量的影响保持锅炉225MW负荷、氧量、风箱与炉膛的压差等不变，通过改变磨煤机运行方式：由四台变成三台运行进行试验，结果如表5所示。从表中可以看出：运行中某些负荷段风粉混合物的变化较大，表5 225MW负荷磨运行台数对NOX的影响调整前调整后备注磨运行台数（台）SCR进口NOX浓度（mg/Nm3） 磨运行台数（台）SCR进口NOX浓度（mg/Nm3）负荷及总风量保持不变四520三413例如：当AGC投入时负荷指令从200MW左右开始上涨，启动第四套制粉系统，在负荷指令变化不大的情况下每台给煤机平均给煤量下降，一次风量上升，风粉混和物的浓度下降，燃烧区域处于相对富氧燃烧。燃料型NOx上升，导致SCR进口NOx含量升高，喷氨量升高。因此在日常运行中需尽量保持较高的平均给煤量，三台磨煤机能正常维持的负荷段尽量不启动第四台磨煤机运行。实践证明225MW负荷时三台制粉运行SCR进口的NOx含量远低于四台制粉运行时SCR进口的NOx含量。4.6 磨煤机进口风量调整对NOX排放量的影响保持锅炉200MW负荷、氧量、风箱与炉膛压差、磨煤机组合方式等不变，通过调节运行磨一次风量进行试验，结果如表6所示。从表中可以看出：增加运行磨煤机一次风量，其风粉浓度发生变化时，会影响NOX的排放。一次风量增加，二次风速相应比较低，刚性也比较弱，二次风会很快与一次风混合。在煤燃烧初始阶段，大部分的挥发分氮（气相氮化合物）随煤中其它挥发物一起释放出来，形成中间产物，如NHi、CH和HCN ，在含氧条件下，这些中间产物会氧化成NOx，使燃料型NOx的生成量增大，从而使总的NOx排放量增大。磨煤机负荷下降时如果不对磨煤机进口风量进行调整，将使风粉混和物浓度下降，燃料型NOx升高。因此日常运行中应根据磨煤机负荷调整磨煤机进口风量，调节风煤比在2.0左右，并根据煤质变化加以调节，在保障燃烧安全经济的同时降低SCR进口NOx含量，降低环保运营成本。表6 制粉运行总风量对NOX的影响调整前调整后备注BCD制粉运行风量（t/h）SCR进口NOX浓度（mg/Nm3） BCD制粉运行 风量（t/h）SCR进口NOX浓度（mg/Nm3）负荷及总风量保持不变60、61、6053050、52、535025 小结影响煤粉炉烟气NOx形成的因素有：煤种（挥发份、氮量、固定碳）、燃料温度、过量空气系数（a值）、反应区的烟气组成（O2、N2、CO等）、反应停留时间、煤粉细度，其中过量空气系数a为最重要的影响因素，降低过量空气系数有利于抑制NOx的生成。从以上调整试验结果可得出以下结论： （1）采用水平浓淡燃烧技术和在燃烧器顶部布置二次风（OFA）的方法，可以降低锅炉的NOx排放量。本台锅炉采用该项技术，通过合理的燃烧调整可降低NOx的排放量，但不能保证达到国家第3时段排放标准（450 mg/Nm3），需要借助烟气尾部脱硝进一步处理。（2）燃料型NOx影响比热力型NOx影响总排放量程度大。机组负荷低时，由于过量空气系数有所增大，其NOx排放浓度反而比300MW满负荷时大。通过对锅炉的燃烧调整优化，可以在保证锅炉热效率比较高的情况下，减少NOx的排放量。（3）合理选择制粉系统运行方式，在汽温允许情况下，尽量选择下层制粉系统运行，适当减少磨的运行台数和减少一次风量，对降低NOx的排放量影响明显。对减少SCR运行成本，大有益处。（4）选用低NOx燃烧技术时，必须根据具体的条件进行技术经济比较，不仅要考虑降低NOx，还要考虑对火焰的稳定性、燃烧效率、蒸汽温度控制、受热面结渣和腐蚀等的影响。锅炉的NOx污染物排放量最低时，锅炉效率不一定最高。 (5)SCR 催化装置的运行费用对电厂运行成本的影响较大，因此，在近期内，我国燃煤电厂应以低NOx燃烧器、合理燃烧调整等作为控制降低NOx污染物排放的主要措施。参考文献1阎维平,洁净煤发电技术(M),北京,中国电力出版社,20022温智勇,宋景慧, 锅炉燃烧调整对氮氧化物排放的影响,广东电力,2004年8月,26-283冯道显，燃煤电厂选择性催化脱硝工艺的实践与探讨，电力环境保护，2005 年6 月，第21 卷第2 期，23-26