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2070 t/h對(duì)沖燃燒超臨界鍋爐NOx排放特性試驗(yàn)研究

2015-02-28 01:26:12湯偉全鄢曉忠
關(guān)鍵詞:氧量爐膛風(fēng)量

湯偉全,鄢曉忠,邱 靖,王 鵬

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410076)

在未來(lái)比較長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi),我國(guó)主要電力生產(chǎn)方式仍將是以煤為一次能源的火力發(fā)電.目前我國(guó)電廠大多燃用劣質(zhì)煤,燃料需要較高的爐溫才能燃盡,這樣就造成NOx排放偏高.隨著國(guó)家對(duì)火電排放要求的提高,以及煤炭資源減少和NOx排放造成的大氣污染的加劇,燃煤發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-4].為了緩解我國(guó)電力短缺和大氣污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀,研究和發(fā)展高效且低NOx排放燃燒技術(shù)是較為有效的途徑.

目前對(duì)于超臨界鍋爐主要通過(guò)采用低NOx燃燒器和先進(jìn)的低NOx燃燒技術(shù)來(lái)降低NOx排放.低NOx燃燒器在降低NOx排放方面已取得較大的進(jìn)展.在低NOx燃燒技術(shù)方面,由于鍋爐燃燒過(guò)程是十分復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),影響燃燒的因素也非常多,所以在低NOx燃燒技術(shù)方面還有待提高.不當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方式將會(huì)造成爐膛較大范圍內(nèi)缺氧、局部高溫、引起水冷壁結(jié)渣和高溫腐蝕,而在局部高溫區(qū)會(huì)產(chǎn)生較多的NOx,對(duì)鍋爐總體NOx的生成起到關(guān)鍵的作用[5-8].NOx的大量排放將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大的破壞,因此通過(guò)了解鍋爐各運(yùn)行因素對(duì)NOx排放的影響,找到降低NOx排放的運(yùn)行方式,對(duì)于電廠的安全運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)具有重要的意義[9].

以湖南某電廠2070 t/h對(duì)沖燃燒超臨界鍋爐為例,該鍋爐在運(yùn)行中長(zhǎng)期出現(xiàn)NOx排放較高的情況.筆者對(duì)該對(duì)沖燃燒超臨界鍋爐進(jìn)行了熱態(tài)試驗(yàn)[10],從機(jī)組負(fù)荷、省煤器出口氧量體積分?jǐn)?shù)、燃盡風(fēng)開(kāi)度、二次配風(fēng)方式等主要運(yùn)行因素入手,分析其對(duì)NOx排放的影響,以期找到降低NOx排放的措施.

1 鍋爐設(shè)備概況

某廠660 MW機(jī)組所配鍋爐為東方鍋爐廠制造的超臨界參數(shù)復(fù)合變壓本生直流鍋爐,其型號(hào)為DG2070/25.5-Ⅱ9型,鍋爐采用單爐膛、一次再熱(再熱氣溫通過(guò)煙氣擋板調(diào)節(jié))、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)、全鋼構(gòu)架、露天布置、平衡通風(fēng).每臺(tái)爐配有24支低NOx旋流式煤粉燃燒器,前后墻各布置3層,每層4只,組成對(duì)沖旋流燃燒系統(tǒng).同時(shí)在前、后墻各布置一層(6只)燃盡風(fēng)噴口,其中2只側(cè)燃盡風(fēng)噴口,4只燃盡風(fēng)噴口,滿足低NOx的要求.采用6臺(tái)上海重型機(jī)械廠生產(chǎn)的BBD4360雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)與之配套.煙煤和本地?zé)o煙煤按3∶7比例混配作為鍋爐的設(shè)計(jì)煤種.鍋爐采用定壓運(yùn)行,也可采用定—滑—定的運(yùn)行方式,在鍋爐熱效率不受影響的前提下,在使用設(shè)計(jì)燃料時(shí)不投油的最低穩(wěn)燃負(fù)荷為不超過(guò)44%BMCR.部分重要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1,燃料特性見(jiàn)表2.

該鍋爐在校核煤種和實(shí)際運(yùn)行煤種情況下,特別是在高負(fù)荷情況下NOx排放質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于國(guó)家規(guī)定的100 mg/m3,最高值達(dá)到560 mg/m3.

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main dsign parameters of boiler

表2 煤質(zhì)特性Table 2 Properties of fuel

2 鍋爐NOx排放特性試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)影響NOx排放的各個(gè)因素單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)分析,了解該鍋爐在不同工況下的NOx排放特性.

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

燃燒測(cè)試主要內(nèi)容是針對(duì)鍋爐的NOx排放特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析,了解影響鍋爐的NOx排放濃度的主要因素,并進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整.其具體內(nèi)容如下:

1)在煤質(zhì)不變的情況下,進(jìn)行變爐膛負(fù)荷的NOx排放濃度的影響試驗(yàn).

2)在煤質(zhì)和負(fù)荷不變的情況下,進(jìn)行變?nèi)急M風(fēng)量的NOx排放濃度的影響試驗(yàn).

3)在煤質(zhì)和負(fù)荷等因素不變的情況下,進(jìn)行改變氧量的NOx排放影響試驗(yàn).

4)在煤質(zhì)和負(fù)荷等因素一定的情況下,進(jìn)行改變配風(fēng)方式的NOx排放影響試驗(yàn).

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用單因素輪換法,即在其他運(yùn)行參數(shù)保持不變的情況下,改變某一工況參數(shù).對(duì)主要運(yùn)行因素變化時(shí)的NOx排放濃度進(jìn)行測(cè)量,并系統(tǒng)地研究各單一因素變化的影響.由于實(shí)際運(yùn)行條件的限制,試驗(yàn)選擇在不同負(fù)荷時(shí)段下進(jìn)行.針對(duì)該鍋爐實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)和具體條件,對(duì)影響NOx排放的主要因素,如:氧量、機(jī)組負(fù)荷、配風(fēng)方式及燃盡風(fēng)開(kāi)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究.在試驗(yàn)時(shí),采用Testo350煙氣成分分析儀對(duì)鍋爐省煤器出口、SCR入口之前的煙氣成分進(jìn)行分析,其他試驗(yàn)所需主要運(yùn)行參數(shù)從DCS系統(tǒng)中讀取.根據(jù)《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算及結(jié)果修正.根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,對(duì)鍋爐NOx排放濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算及修正.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鍋爐負(fù)荷對(duì)NOx排放的影響

針對(duì)機(jī)組負(fù)荷變化對(duì)爐內(nèi)NOx排放質(zhì)量濃度的影響,進(jìn)行了6個(gè)機(jī)組負(fù)荷的試驗(yàn).試驗(yàn)中,爐膛出口氧量保持在3.0%左右,燃盡風(fēng)開(kāi)度為64%,保持煤種不變,配風(fēng)為均等配風(fēng).不同負(fù)荷下的NOx排放量及爐內(nèi)溫度分布情況如圖1和表3所示.

由圖1可以看出,當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從較低負(fù)荷升高到420MW的過(guò)程中,NOx排放質(zhì)量濃度呈現(xiàn)明顯的升高趨勢(shì);再繼續(xù)升高到600 MW的過(guò)程中,NOx排放質(zhì)量濃度表現(xiàn)為下降的趨勢(shì);再隨負(fù)荷繼續(xù)增加,NOx排放質(zhì)量濃度上升.

圖1 機(jī)組負(fù)荷對(duì)NOx排放質(zhì)量濃度的影響Fig.1 Influence of uinit load on NOxemission

表3 不同負(fù)荷下?tīng)t膛溫度分布及氧量濃度Table 3 Furnace temperature distributions and oxygen concentration under different load

低負(fù)荷時(shí),爐內(nèi)熱負(fù)荷不高,燃燒溫度水平也比高負(fù)荷時(shí)低,熱力型NOx的生成受到抑制,再加上此鍋爐運(yùn)行時(shí)氧量維持在3.0%左右,這樣也抑制了燃料型NOx的產(chǎn)生,所以在低負(fù)荷時(shí)NOx總體排放量較低.隨著機(jī)組負(fù)荷的升高,爐內(nèi)熱負(fù)荷明顯增加,爐內(nèi)溫度水平也明顯升高.隨著溫度的升高,O2高溫分解加劇,O2分解生成氧原子,氧原子在NO生成的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中起了活化鏈的作用.首先氧原子與N2反應(yīng)生成NO和N,而N立即被O2氧化生成NO,所以溫度升高,熱力型NOx生成增加.雖然當(dāng)溫度超過(guò)900℃時(shí),燃料氮的轉(zhuǎn)化率升高不明顯,但負(fù)荷增加,燃料入爐的氮總量在增加,燃料型NOx的生成量也會(huì)增加.隨著鍋爐負(fù)荷的升高,NOx排放質(zhì)量濃度并不一直表現(xiàn)為升高的趨勢(shì),原因是只有當(dāng)爐膛內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)與正在燃燒的燃料附近O2體積分?jǐn)?shù)變化不顯著時(shí),NOx排放質(zhì)量濃度才會(huì)隨著爐膛溫度水平和鍋爐熱負(fù)荷的升高而升高.

3.2 燃盡風(fēng)對(duì)NOx排放的影響

變?nèi)急M風(fēng)量試驗(yàn)共進(jìn)行了4個(gè)試驗(yàn)工況,機(jī)組負(fù)荷均為660 MW左右,試驗(yàn)在相同的磨煤機(jī)運(yùn)行組合方式,爐膛出口氧量平均值為2.9%左右,主燃燒區(qū)域各層燃燒器配風(fēng)方式為均等配風(fēng).4組工況總?cè)急M風(fēng)門(mén)開(kāi)度依次為80%,83%,90%和100%,各單個(gè)燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度保持不變,變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量試驗(yàn)結(jié)果如圖2.

由圖2可以看出,隨著燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增加,NOx排放質(zhì)量濃度表現(xiàn)為明顯的下降趨勢(shì).從80%燃盡風(fēng)開(kāi)度工況開(kāi)始增加燃盡風(fēng),NOx排放質(zhì)量濃度下降較為明顯,但隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量的進(jìn)一步增加,NOx排放質(zhì)量濃度下降趨勢(shì)變緩.這主要是由于燃盡風(fēng)處于爐膛上方,此區(qū)域?yàn)槿急M區(qū),同時(shí)也是NOx還原區(qū),當(dāng)總的送風(fēng)量保持不變時(shí),燃盡風(fēng)開(kāi)度的增加會(huì)導(dǎo)致配給主燃燒區(qū)域的二次風(fēng)量減少,從而在主燃燒區(qū)域產(chǎn)生富燃料燃燒區(qū)域,從而在爐內(nèi)垂直方向?qū)崿F(xiàn)了分級(jí)燃燒的效果,限制了燃料型NOx的生成.但在燃盡風(fēng)風(fēng)量進(jìn)一步增加時(shí),其對(duì)爐內(nèi)分級(jí)燃燒的影響作用減弱.

圖2 燃盡風(fēng)風(fēng)量對(duì)鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度的影響Fig.2 Influnence of over fired air flow rate on NOx emission concentration of boiler

另一方面,隨著燃盡風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增大,過(guò)熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度均有略升高的趨勢(shì).這是因?yàn)槊悍坼仩t以輻射傳熱為主,燃盡風(fēng)風(fēng)量增加會(huì)使得爐膛內(nèi)燃盡區(qū)域往爐膛上部延伸,使得過(guò)熱再熱蒸汽溫度上升.同時(shí)隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量的增加,增加了爐膛上方氣流擾動(dòng),汽溫偏差也會(huì)有所減小.因此在保證較低NOx排放質(zhì)量濃度的前提下,適當(dāng)?shù)娜急M風(fēng)量配比對(duì)鍋爐汽溫偏差均有積極作用.

3.3 爐膛出口氧量對(duì)NOx排放的影響

針對(duì)氧量單因素變化的影響,由于送風(fēng)機(jī)出力等原因,在高負(fù)荷爐內(nèi)氧量較難往高濃度調(diào)節(jié),故高負(fù)荷時(shí),在較低氧量下試驗(yàn);而低負(fù)荷時(shí),低氧量情況下,NOx排放并不高,所以選擇在較高氧量下試驗(yàn).而且該鍋爐負(fù)荷具有鮮明的時(shí)段分布特征,上午0~9時(shí)長(zhǎng)期維持在360 MW左右,而其他時(shí)段以滿負(fù)荷(660MW)為主,所以對(duì)鍋爐進(jìn)行了兩組各4個(gè)工況的試驗(yàn).試驗(yàn)在相同的磨煤機(jī)運(yùn)行組合方式,主燃燒區(qū)域各層燃燒器配風(fēng)方式為均等配風(fēng),分別保證負(fù)荷在360,660MW情況下運(yùn)行.其結(jié)果如圖3所示.

圖3 660MW和360MW負(fù)荷下O2體積分?jǐn)?shù)對(duì)鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度的影響Fig.3 Influence of oxygen volumetric fraction on boiler NOxemission at loads of 660MW and 360MW

從圖3可以看出:在試驗(yàn)工況條件下,隨著燃燒氧量的增加,兩種負(fù)荷工況下NOx排放濃度都表現(xiàn)為比較明顯的上升趨勢(shì).特別是在660 MW情況下,當(dāng)鍋爐氧量由2.1%增加至2.6%時(shí),NOx的排放質(zhì)量濃度增加幅度相當(dāng)大,這是因?yàn)檠趿吭黾邮範(fàn)t內(nèi)富氧區(qū)域增加,燃料型NOx排放量增加.雖然氧量增加意味著過(guò)量空氣增多,一定程度上可能會(huì)略微降低爐內(nèi)整體溫度水平,但另一方面隨著氧量的增加,燃燒器區(qū)域的燃燒強(qiáng)度隨之增強(qiáng),這樣在燃燒區(qū)域會(huì)出現(xiàn)局部高溫,那么在這些局部高溫區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較多的NOx,這樣將對(duì)整個(gè)爐膛NOx產(chǎn)生起到較關(guān)鍵性的作用,因而氧量增加也促進(jìn)了熱力型NOx生成.

3.4 配風(fēng)方式對(duì)NOx排放影響

在600 MW負(fù)荷下進(jìn)行變配風(fēng)方式試驗(yàn),爐膛出口氧量平均值保持在3.0%左右,磨煤機(jī)組合方式均為A1,B2,E2,D2,F(xiàn)2,C2 6 臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行,其中E2和C2分別為下層前墻和后墻燃燒器供粉;B2和F2分別給中層前墻和后墻燃燒器供粉;A1和D2分別給上層前墻和后墻燃燒器供粉.由于主燃燒區(qū)分為3層,故通過(guò)調(diào)節(jié)旋流燃燒器二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度,設(shè)置3組工況.工況1:上層配風(fēng)風(fēng)量較大,中層和下層相對(duì)較小;工況2:將3層配風(fēng)大小保持基本接近;工況3:主燃燒區(qū)域上層和下層配風(fēng)較多,中間層配風(fēng)較少,具體配風(fēng)方式如表4.

表4 各配風(fēng)方式下的二次風(fēng)開(kāi)度Table 4 Secondary air flow opening at different modes of air distribution

在3種工況下,燃盡風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度維持40%不變.配風(fēng)方式對(duì)NOx排放質(zhì)量濃度的影響如圖4.由圖4可以看出,配風(fēng)方式對(duì)NOx排放質(zhì)量濃度的影響較為顯著.工況3條件下,即主燃燒區(qū)中間層二次風(fēng)開(kāi)度較小時(shí),NOx排放質(zhì)量濃度最低,工況2的配風(fēng)方式次之,工況1的配風(fēng)方式最高.

圖4 配風(fēng)方式對(duì)NOx排放質(zhì)量濃度的影響Fig.4 Influence of air distribution mode on NOxemission

工況1條件下,上層空氣量過(guò)大,主燃燒區(qū)域上部形成強(qiáng)富氧氣氛,下層燃燒區(qū)域形成的含氮化合物在此區(qū)域迅速被氧化,則會(huì)增加燃料型NOx的生成量,而大量的燃料在此區(qū)域燃燒也提高了此區(qū)域的爐膛溫度水平,進(jìn)而使總NOx排放量增加.工況3條件下,減少中間層燃燒區(qū)域的風(fēng)量,而適當(dāng)增加上層和下層燃燒區(qū)域的風(fēng)量,可使主燃燒區(qū)域中間形成富燃料燃燒區(qū)域,這樣就可以減少氮元素及其中間產(chǎn)物繼續(xù)被氧化為NOx的可能性,從而減少了燃料型NOx的生成;而上部燃燒區(qū)域由于風(fēng)量較工況1有所減少,使得燃燒劇烈程度減低,在一定程度上降低了此區(qū)域的爐膛溫度,從而減少熱力型NOx的生成,使總的NOx生成量減少.工況2均等配風(fēng)情況下,NOx排放質(zhì)量濃度介于之間.由測(cè)試結(jié)果可以看出:主燃燒區(qū)風(fēng)量分配的變化對(duì)該區(qū)域內(nèi)分級(jí)燃燒效果影響較顯著,綜合考慮各配方方式下過(guò)熱、再熱氣溫偏差,采用均勻配風(fēng)較合適.

3.5 多因素變化對(duì)NOx排放的影響

基于單因素對(duì)該鍋爐NOx排放的影響及該鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況,制定了在單因素較優(yōu)情況下的多因素變化對(duì)NOx排放影響的試驗(yàn).由于該鍋爐負(fù)荷的時(shí)段分布特點(diǎn),試驗(yàn)選定在360 MW和660 MW兩種工況,由單因素分析可知,在第2層二次配風(fēng)較小的情況,NOx排放較低,故兩種負(fù)荷下二次配風(fēng)均采用束腰型配風(fēng),氧量和燃盡風(fēng)開(kāi)度如表5,多因素變化情況下的試驗(yàn)結(jié)果如圖5.

表5660MW和360MW負(fù)荷下氧量和燃盡風(fēng)開(kāi)度Table 5 Oxygen volumetric fraction and over fired air rate at loads of 660MW and 360MW

圖5 不同運(yùn)行方式對(duì)NOx排放量的影響Fig.5 Influnence of different operating mode on NOxemission

從圖5可以看出,360 MW負(fù)荷下,氧量為3.0%,燃盡風(fēng)開(kāi)度為40%時(shí),NOx排放質(zhì)量濃度較低;660 MW負(fù)荷下,氧量為2.0%,燃盡風(fēng)開(kāi)度為90%時(shí),NOx排放質(zhì)量濃度也較低.在此基礎(chǔ)上增加氧量,燃盡風(fēng)調(diào)高或降低,NOx排放質(zhì)量濃度都表現(xiàn)為升高的趨勢(shì).

從工況2到工況3,當(dāng)氧量增加,燃盡風(fēng)減少的情況下,NOx排放增加趨勢(shì)較為明顯.因?yàn)橐环矫嫜趿吭黾邮範(fàn)t內(nèi)富氧燃燒區(qū)域增加,熱力型NOx生成增加;另一方面燃盡風(fēng)的減少使?fàn)t內(nèi)垂直方向的分級(jí)燃燒減弱,NOx排放增加較大.從工況3到工況4,氧量和燃盡風(fēng)都增加的情況下,NOx排放增加趨勢(shì)減緩,燃盡風(fēng)開(kāi)度增大,分級(jí)燃燒增強(qiáng),削弱了氧量增加使NOx排放增加的趨勢(shì).

4 結(jié)論

1)隨著機(jī)組負(fù)荷的增加,NOx排放質(zhì)量濃度總體上表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì),鍋爐在高負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)存在NOx排放濃度的較低值.

2)燃盡風(fēng)的比例對(duì)NOx排放有很大影響,燃盡風(fēng)比例增加能明顯降低NOx排放.

3)在試驗(yàn)運(yùn)行工況下,氧量對(duì)NOx排放有顯著影響.隨氧量的升高,NOx排放增加.高負(fù)荷時(shí)可以適當(dāng)降低氧量來(lái)降低NOx排放質(zhì)量濃度.

4)當(dāng)燃盡風(fēng)比例較小時(shí),二次風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)NOx排放有一定的影響.實(shí)際運(yùn)行時(shí)可適當(dāng)減小中間層的二次配風(fēng)量.

5)對(duì)于本鍋爐,在低負(fù)荷時(shí),爐膛出口氧量控制在3.0%,燃盡風(fēng)開(kāi)度控制在40%比較適宜;在高負(fù)荷時(shí),氧量控制在2.0%,燃盡風(fēng)開(kāi)度控制在90%比較適宜.

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