300MW机组锅炉低NOx燃烧器改造试验研究

2014-12-16关风一徐有宁张骞

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2014年4期

关风一，徐有宁，张骞

(沈阳工程学院 a.研究生部;b.能源与动力学院，辽宁沈阳110136)

NOx是主要的大气污染物之一，不但是形成酸雨的主要成分，而且对人体的呼吸道也可造成严重伤害，浓度较高时可致人死亡。随着我国工业经济的快速发展，对能源的需求不断增加，其中以煤炭为燃料的火力发电机组是能源供应的主要组成部分。由于煤炭燃烧时会生成大量的氮氧化物，因此，降低火力发电机组锅炉运行时产生的NOx对国家的发展有着重要意义［1，2］。

1 立体分级低氮燃烧技术

立体分级低氮燃烧技术［3］是百叶窗水平浓淡煤粉燃烧技术与炉内垂直空气分级燃烧的有机结合，在保证锅炉效率的前提下，大幅度地降低NOx的排放量，使燃用低挥发分的贫煤锅炉的脱硝效果更加明显。针对某电厂300 MW锅炉机组进行立体分级低氮燃烧技术改造，预期目标为使 NOx的排放量低于500 mg/m3。

1.1 水平浓淡燃烧技术［3.4］

水平浓淡煤粉燃烧技术是在水平方向上将煤粉气流分为两股浓、淡气流供入炉膛进行燃烧的技术。其原理为:在一次风管道内安装1个百叶窗式煤粉浓缩器，浓缩器内布置4级隔板，使得煤粉气流在流经百叶窗煤粉浓缩器时，在隔板的作用下产生不同程度的偏转，形成两股浓、淡煤粉气流，两股煤粉气流均在偏离化学当量比的条件下进行燃烧，进而降低NOx的生成，其布局如图1所示。

图1 浓缩器布局

1.2 垂直空气分级燃烧技术

垂直空气分级燃烧技术是在主燃烧器上方安装燃尽风喷口，则炉膛在垂直方向上分为3个区域，即主燃区、还原区和燃尽区。将燃料燃烧所需的空气量分成两级送入炉膛，第一级是在主燃烧区燃烧器喷口投入炉膛，第二级是在主燃烧器上方布置的燃尽风喷口投入。

2 锅炉设备概况及改造措施

2.1 锅炉型式及燃烧器布置情况

锅炉为东方锅炉厂生产的DG1025/18.2-II12型亚临界自然循环汽包炉，采用四角切圆燃烧方式，每角燃烧器共布置15层喷口，包括5层一次风喷口(其中B层为小油枪燃烧器)、7层二次风喷口、2层三次风喷口和1层顶二次风(OFA风)喷口。其中，在2层二次风喷口处布置大油枪燃油装置，用于锅炉的点火及低负荷稳然，其布置情况如图2所示。所有一次风管道内均布置百叶窗式水平浓淡燃烧器，顶二次风喷口方向反切15°。大油枪燃油装置由2层布置在二次风喷口中的8只简单机械雾化油枪组件组成，供锅炉点火和低负荷稳燃用，油枪总出力为30%BMCR。

图2 燃烧器布置

2.2 燃烧系统改造措施

锅炉燃用煤种为低挥发分贫煤，煤质工业分析如表1所示。

表1 煤质工业分析

根据锅炉燃用煤质状况和运行需求，以保证锅炉效率及降低NOx排放量为目的，采用新型水平浓淡煤粉燃烧器与燃尽风技术联合使用对原有设备进行改造。技术改造的主要措施如下:

1)原始的OFA系统由高位分离式燃尽风系统替代，其目的是将炉膛分成3个区域，即主燃区、还原区和燃尽区。沿炉膛垂直方向分级投入燃烧所需的风量，主燃区所需的实际的过量空气系数变为λp=0.85～0.9，燃尽风率为 0.25 ～0.3，如表 2 所示。燃尽风以高速投入，一般喷口出口速度为45～50 m/s，且每个燃尽风喷口均可以在水平和垂直方向上组合摆动，水平摆幅为±10°，垂直摆幅为±15°。

2)将具有高浓缩比和低阻力等特性的新一代煤粉浓缩器加装在风管位置，形成新一代水平浓淡风煤粉燃烧设备。

3)在一次风浓缩喷口处安装V型隔板，用于延迟浓、淡一次风的混合。在一次风喷口侧安装侧二次风喷口，形成“风包粉”的环境，减少水冷壁处的结渣。

4)对四角主燃烧器摆动机构进行改造，加装联杆机构和垂直联杆执行机构。主燃烧器喷口摆动角度的范围在±20°内，三次风和最上层顶二次风摆动角度范围在 ±15°内。

表2 各级风风率、风速、风温

5)将G层的三次风分成上、下两组，替换原DF层和EF层的二次风，分别设于DF层和EF层的风室中。原二次风改为三次风喷口的周界风，将DE层的大油枪系统下移至DD层。FF层的三次风维持不变，并采用喷口摆动结构。将下层三次风管道一分二，下移至最上层一次风燃烧器与下二次风喷口的标高处，降低三次风出口的风速。

3 热态优化试验结果与分析

3.1 配风方式对锅炉热效率和NOx排放量的影响

以空气预热器出口氧量基本一致(氧量取3.3%左右)为前提，煤粉在不同的配风方式下燃烧所产生的NOx排放量情况会有很大的不同。一般情况下，二次风配风方式可分为均等、倒塔和正塔3种，其目的在于考察不同方式对NOx的排放量和锅炉热效率的影响情况，如图3所示。

图3 不同配风方式对NOx排放量及锅炉热效率影响

由图3分析可知:

1)采用倒塔配风方式时，NOx排放浓度最低，均等配风时次之，正塔配风时最大，约为625 mg/m3，比倒塔配风方式多162 mg/m3。这是由于倒塔配风方式的氧量供应适中，可使燃料在炉膛内合理燃烧;

2)采用倒塔配风方式时，下层燃烧器送进炉膛氧量较少，使得煤粉在贫氧状况下燃烧;上层燃烧器送风量较大，但该燃烧区域温度较低，在主燃区形成上部过量空气系数大、下部过量空气系数小的燃烧状态会抑制NOx的生成。

3)在这3种配风方式下，空气预热器出口温度差别不大，只是飞灰可燃物含量有一些差别。倒塔配风方式下的锅炉热效率比其他两种方式高，因为燃烧初期的氧量不足，使得煤粉颗粒中还有大量的碳未燃尽，但随着氧量的增加，富氧环境会使未完全燃烧的碳燃烧地更加充分。

3.2 出口氧量对锅炉热效率和NOx排放量的影响

采取倒塔配风方式来考察空气预热器出口氧量对飞灰可燃物含量和NOx排放浓度的影响，如图4所示。

图4 出口氧量对锅炉热效率和NOx排放量的影响

锅炉在带满负荷运行时，空气预热器出口氧量对飞灰可燃物中的含碳量的影响较大。随着空气预热器出口氧量的增加，飞灰可燃物中的含碳量呈抛物线形式发展，当氧量达到3.6%以后，飞灰可燃物中的含碳量略有下降。这是由于:

1)随着氧量的增加，炉内过量空气系数随之增加，煤粉在主燃烧区域燃烧充分。

2)由于送风量的增加将导致炉内温度下降，使得燃烧充分度降低，进而飞灰可燃物含量增加。在空气预热器出口烟温没有大波动的情况下，飞灰可燃物含量的变化在某种程度上可代表锅炉效率的变化趋势。

空气预热器出口氧量可以反映出炉内的燃烧情况，并且也会影响NOx的排放情况。由图4可以看出，当空气预热器出口氧量为3.36%时，NOx排放浓度(为460 mg/m3)最低，此时热效率为93.02%;当氧量为3.6%时，NOx排放浓度为475 mg/m3;当出口氧量在3.3% ～3.72%时，NOx排放浓度波幅较小，稳定于460～482 mg/m3。随着空预器出口氧量的增加，炉内总体的燃烧趋于氧量充足，当超出某一临界氧量时，会利于NOx的生成，所以NOx的排放量呈现先降低后升高的态势。