W火焰鍋爐NOx偏高的成因分析及治理

1、600MW“W”火焰鍋爐NOx偏高的成因及治理600MW“W”火焰鍋爐NOx偏高的成因及治理苗長信1 王建偉2 車剛1 （山東電力研究院1、濟(jì)南 250002，山東聊城發(fā)電廠2、聊城 252033）摘要：根據(jù)聊城600MW“W”火焰鍋爐的NOx特性及測試結(jié)果，分析認(rèn)為爐膛熱負(fù)荷偏高，衛(wèi)燃帶結(jié)焦形成大量高溫區(qū)，局部火焰溫度高等是造成NOx偏高的主要原因，其NOx的生成以熱力型為主，衛(wèi)燃帶布置數(shù)量和方式欠妥是生成熱力型NOx的主要因素。采取改進(jìn)衛(wèi)燃帶布置數(shù)量及方式等措施后， NOx排放量由改進(jìn)前的1500mg/Nm3以上下降到了1000mg/Nm3左右，同時解決了爐膛結(jié)焦問題，取得了較好的綜合效果

2、。圖5，表2、參3。關(guān)鍵詞：W火焰鍋爐 NOx特性 成因分析 改進(jìn)措施0、前言聊城電廠600MW鍋爐為英國Mitsui Babcock（簡稱“MBEL”）設(shè)計(jì)生產(chǎn)，目前是“MBEL”設(shè)計(jì)單機(jī)容量最大的“W”型火焰鍋爐。鍋爐運(yùn)行實(shí)績表明，該型鍋爐具有熱效率高、適合燃用低揮發(fā)份煤種等特點(diǎn)，具有一定的優(yōu)越性。但也不同程度地存在著NOx排放偏高、燃用灰熔點(diǎn)偏低的煤種時爐膛結(jié)焦嚴(yán)重等問題。尤其是NOx排放指標(biāo)達(dá)不到性能試驗(yàn)的驗(yàn)收保證值（1100mg/Nm3），明顯高于具有降低NOx措施的常規(guī)燃燒方式鍋爐。如何降低該種燃燒方式鍋爐的NOx排放量，是機(jī)組性能試驗(yàn)驗(yàn)收前需要解決的問題。1、燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)鍋爐

3、設(shè)計(jì)煤種為無煙煤+貧瘦煤，設(shè)計(jì)混合煤質(zhì)如表1所示。鍋爐的燃燒系統(tǒng)由磨煤機(jī)及分離裝置、燃燒器及噴口、煙風(fēng)系統(tǒng)及輔機(jī)、爐膛及燃燒室等組成。其爐膛在中部爐拱處分為上、下兩部分，作為燃燒室的下爐膛呈八角形，以燃盡為主的上爐膛為長方形。狹縫式噴燃器分組布置在前后爐拱上，三次風(fēng)在下爐膛前后墻的下腹部引入（如圖1所示），利用分級燃燒原理降低NOx的生成。爐膛前后爐拱處布置了直流下射狹縫式噴燃器，每組燃燒器由4只煤粉噴口、4只乏氣噴口、8條狹縫式二次風(fēng)噴口等組成。二次風(fēng)噴口設(shè)在主煤粉噴口和乏氣噴口的兩側(cè)，每組燃燒器設(shè)有二支油槍。在爐膛后墻的爐底處設(shè)置了爐底注入熱風(fēng)，用以負(fù)荷改變時調(diào)整汽溫。下爐膛四周敷設(shè)大量衛(wèi)

4、燃帶。制粉系統(tǒng)為直吹式，由雙進(jìn)雙出滾筒式磨煤機(jī)、拱部旋風(fēng)子、狹縫式燃燒器等組成。每臺磨煤機(jī)兩端分離器出口各連接一根主煤粉管道，主煤粉管道后分為兩根支煤粉管道，每根分支煤粉管道連接1個旋風(fēng)子，并通過旋風(fēng)子連接的主煤粉和乏氣噴口射入下爐膛燃燒。表1 鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)名稱CarHarOarNarSarMtAarVdafQnet.ar單位%kJ/kg設(shè)計(jì)煤種60.6±5.42.88±0.252.28±0.210.94±0.11.3±0.216.09±0.5525.91±2.410.53±1.522960±2066注：

5、表中ST為軟化溫度，HGI為哈氏可磨度。表2 鍋爐設(shè)計(jì)特性序號項(xiàng) 目 名 稱單位聊城#1、#21機(jī)組額定功率/鍋爐額定蒸發(fā)量MW/t/h600/18032BMCR機(jī)組功率/鍋爐蒸發(fā)量MW/t/h659.6/2026.53設(shè)計(jì)燃料低位發(fā)熱量MJ/kg22.964全爐膛容積熱負(fù)荷（BMCR）Kw/m31035下爐膛容積熱負(fù)荷（BMCR）Kw/m31796衛(wèi)燃帶布置面積m2616(現(xiàn)346)7衛(wèi)燃帶占下爐膛輻射受熱面積份額%25（現(xiàn)14）8一次燃燒區(qū)高度m10.959設(shè)計(jì)一次燃燒區(qū)煤粉停留時間S1.110設(shè)計(jì)煤粉全爐膛停留時間S3.6屏過末過上爐膛旋風(fēng)子主煤粉噴口二次風(fēng)箱下爐膛乏氣噴口三次風(fēng)爐底注入

6、熱風(fēng)啟動油槍三次風(fēng)圖1 聊城鍋爐爐膛及燃燒系統(tǒng)示意圖熱風(fēng)道熱風(fēng)道旋風(fēng)子防結(jié)渣貼壁風(fēng)原衛(wèi)燃帶1測試方法及結(jié)果煙氣中的NOx 測量采用進(jìn)口煙氣成分分析儀, 試驗(yàn)儀器經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定，儀器前帶有過濾及干燥器件,可以分別測量NO、NO2、NOx、O2、CO、CO2等煙氣成分。測量NOx 時可分別顯示單位體積的質(zhì)量濃度（mg/Nm3）或顯示百分比濃度（PPm），試驗(yàn)結(jié)果換算到O2=6%。為取樣方便，煙氣取樣采用安裝在預(yù)熱器出口的笛形管取樣裝置（測試結(jié)果與電除塵器出口測量結(jié)果基本一致）。試驗(yàn)是在滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，分別控制和測量省煤器、預(yù)熱器出口氧量，進(jìn)行煙氣成分分析。聊城#3爐在滿負(fù)荷，爐底熱風(fēng)投入工況下

7、，改進(jìn)前測試的NOx 平均值為1500mg/Nm3以上，其NOx 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)煤粉爐的650 mg/Nm3排放標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)后測試的NOx 平均值為1000mg/Nm3左右。雖然理論上改變二、三次風(fēng)的比例可以改變NOx，但在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，三次風(fēng)擋板開度在10%30%的范圍內(nèi)變化時，NOx變化較小，難以實(shí)現(xiàn)大幅度降低NOx排放量，但氧量變化對NOx影響較大。圖2為改進(jìn)前測試結(jié)果，圖3為改進(jìn)后測試結(jié)果。2 NOx的生成機(jī)理與控制措施2.1 NOx的生成機(jī)理較多的研究認(rèn)為：發(fā)生于燃料燃燒過程的NOx來源于以下3個方面1：熱力型NOx即燃燒用空氣中的N2在高溫下氧化而生成的氮氧化物，熱力NOx的生成量與火

8、焰溫度、氧濃度和高溫區(qū)停留時間有關(guān)，不受燃料組成的影響。燃燒溫度越高，生成NOx越多。實(shí)際燃燒中，爐內(nèi)溫度分布并不均勻，即使火焰的平均溫度不高，但局部高溫處仍然產(chǎn)生大量NOx，并起著決定性作用。理論上在1的區(qū)域內(nèi)氧濃度越高，則生成的熱力NOx越多。當(dāng)1時（如圖4），氧濃度增高，爐膛溫度下降，在燃燒產(chǎn)物及過?？諝饬肯♂尩碾p重作用下，反而使熱力NOx降低。0.60.81.01.21.41.61.8NOX×10-6 混合圖4擴(kuò)散燃燒中NOX的生成 熱力型 燃料型燃料型NOx的生成機(jī)理復(fù)雜，與燃料的組成特性有關(guān)。燃料型NOx的生成，與過?？諝庀禂?shù)成單值遞增函數(shù)關(guān)系（如圖4中的燃料型曲線）。過

9、?？諝庀禂?shù)大，剩余氧量多，NOx的生成就越多。燃料型NOx的生成，大致包括由揮發(fā)份中均相生成的NOx和殘?zhí)贾挟愊嗌傻腘Ox兩部分組成（見圖5）。隨揮發(fā)份一起從燃料中析出的有機(jī)化合物（包括熱分解產(chǎn)生的HCN、NH3、CN等），稱之為揮發(fā)N，仍殘留在焦碳中的氮化合物稱之為焦碳N。在通常的燃燒溫度下，燃料型NOx主要來自揮發(fā)N(占60%80%)，由焦碳氮N所生成的NOx(占20%40%)2。揮發(fā)份高的煤種，其揮發(fā)N較高，反之，焦碳N較高。燃料中氮的含量增加時，生成的燃料型NOx量增加，但NOx的轉(zhuǎn)化率減小。煤的燃料比FC/V（固定碳/揮發(fā)份）越高，NOx的轉(zhuǎn)化率越低。在氧化性氣氛中生成的NOx當(dāng)遇

10、到還原性氣氛（富燃料燃燒或貧氧狀態(tài)）時，會還原成氮分子N2，即NOx被還原。影響燃料型NOx生成濃度和轉(zhuǎn)化率的主要因素是燃煤特性FC/V、過?？諝庀禂?shù)等。燃料型NOx受爐膛溫度的影響較小，但受氧量的影響較大。過?？諝饬看螅话惝a(chǎn)生的燃料型NOx多。燃料氮Nar揮發(fā)份N焦碳N已燃燒的碳未燃燒的碳NOX其他（包括N2）NOX其他（包括N2）11111212圖5燃煤過程中燃料型NOX的形成快速NOx即碳化氫系列燃料在燃燒時分解，其分解的中間產(chǎn)物N2生成氮氧化物，其生成機(jī)理復(fù)雜，在CH較多，氧濃度較低時發(fā)生，一般認(rèn)為燃煤爐中的快速NOx較小。2.2控制 NOx的常用措施理論上空氣燃料混合越均勻，擴(kuò)散燃

11、燒越好，其NOx 生成量的峰值在過?？諝庀禂?shù)接近1時產(chǎn)生,否則NOx 生成量的峰值會推遲。由于實(shí)際鍋爐燃燒時，燃料和空氣的混合并不均勻，其生成特性和理論情況有差異。在供給理論空氣量時（=1），NOx 一般達(dá)不到峰值。NOx 的峰值將發(fā)生1的區(qū)域里，如果混合情況更差，峰值將移向更大的值轉(zhuǎn)移（圖4），也就是說其峰值產(chǎn)生點(diǎn)取決于燃料與空氣混合的均勻程度。因而提高風(fēng)煤混合的均勻性，相對減少了過?？諝饬?，亦是減少NOx 的技術(shù)措施之一。較多的研究還表明，采用分級燃燒可以降低NOx的生成量。使第一燃燒區(qū)內(nèi)過?？諝庀禂?shù)1，使燃料在貧氧的富燃料條件下燃燒，不但能夠延遲燃燒過程，降低燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度和溫度水平

12、，而且在還原性氣氛中能夠降低生成NOx的反應(yīng)率，抑制NOx在這一區(qū)域中的生成量。完全燃燒所需的空氣量在后期（第二燃燒區(qū)）送入，然后在1的條件下完成全部燃燒過程，即通常所說的分級配風(fēng)燃燒方式也是常用措施。3聊城鍋爐 NOx偏高的成因與治理方案3.1 NOx偏高的成因分析對多數(shù)常規(guī)燃燒方式的燃煤固態(tài)排渣鍋爐而言，煤粉火焰溫度相對于“W”火焰鍋爐要低，其熱力型NOx的生成量較少。但由于該爐膛結(jié)構(gòu)上的原因，具備熱力型NOx大量生成的條件（富氧燃燒，結(jié)渣的衛(wèi)燃帶溫度超過1800K）。如：下爐膛熱負(fù)荷較常規(guī)爐型大（是同類型常規(guī)燃燒方式鍋爐的1.62.0倍），爐膛溫度水平高，局部高溫區(qū)域多，衛(wèi)燃帶部位容易結(jié)

13、渣掛焦，渣層表面幾乎處于準(zhǔn)絕熱狀態(tài)；每組燃燒器的燃燒火焰集中，火焰溫度高，燃燒所需的氧量大，燃料在高溫區(qū)的停留時間長等，均會使熱力型NOx生成量增多。鍋爐NOx的特性，主要與熱力型NOx和燃料型NOx生成因素有關(guān)，并取決于熱力與燃料型中誰占主導(dǎo)地位。該“W”火焰鍋爐布置有大量衛(wèi)燃帶，結(jié)渣的衛(wèi)燃帶區(qū)域，會產(chǎn)生大量局部高溫區(qū)域，對總的NOx生成將起決定性作用。 該鍋爐下爐膛腹部處布置有一級三次風(fēng)，作為分級燃燒配風(fēng)，設(shè)計(jì)滿負(fù)荷下的三次風(fēng)率、爐底注入熱風(fēng)率均為7.3%,一次燃燒區(qū)的過?？諝庀禂?shù)=1.084,雖然尚達(dá)不到理想狀態(tài)1的配風(fēng)要求。但實(shí)際上由于該爐汽溫偏低，運(yùn)行中需投入爐底熱風(fēng)以提高汽溫，爐底

14、熱風(fēng)一般占到入爐總風(fēng)量的10%15%。按此估算，對應(yīng)的一次燃燒區(qū)的過?？諝庀禂?shù)=1.050.98,相當(dāng)于增加了一級三次風(fēng)，從而提高了分級燃燒效果，抑止了燃料型NOx的生成。另外，由于該爐實(shí)際入爐燃料山西陽泉煤的FC/V較高，其燃料型NOx生成量相對較小，使得燃料型NOx在總的NOx中只占次要成分。不同的燃燒條件及燃料所生成NOx并不盡相同，應(yīng)根據(jù)具體情況分析。一般來說，其揮發(fā)份越高，生成的揮發(fā)N越多，燃料型NOx的生成就越高。分級配風(fēng)越合理，則燃料型NOx的生成就越低。如菏澤300MW“W”火焰鍋爐實(shí)測的NOx隨O2的增加而增加，其NOx隨預(yù)熱器出口氧量的變化關(guān)系3為：NOx=998.76&#

15、215;e0.0644×O2，與本鍋爐測試的NOx 與O2的變化趨勢相反。菏澤實(shí)際的入爐燃料的揮發(fā)份較高，其FC/V較低，加上由于汽溫偏高，運(yùn)行中爐底熱風(fēng)關(guān)閉，造成分級燃燒不夠，從而使菏澤鍋爐的NOx 生成中以燃料型NOx為主導(dǎo)的可能性大。而聊城鍋爐NOx隨02的增加而減小，其特性說明該鍋爐熱力型NOx占主導(dǎo)地位的可能性較大。3.2 治理方案探討綜上所述，不同的燃燒條件及運(yùn)行參數(shù)，不同的燃料下所生成NOx的原因不盡相同，需要根據(jù)鍋爐的具體情況進(jìn)行分析，因而減少NOx生成的技術(shù)措施亦不盡相同?；谏鲜龇治?，聊城600MW“W”火焰鍋爐熱力型NOx排放可能占主導(dǎo)地位，NOx排放偏高的主要

16、原因是衛(wèi)燃帶布置位置欠佳，布置數(shù)量數(shù)量過多，導(dǎo)致爐膛局部高溫區(qū)域增加，對總的NOx生成起著決定性作用。因此，降低NOx排放應(yīng)從衛(wèi)燃帶布置數(shù)量及方式上著手，采取減少衛(wèi)燃帶數(shù)量及改變其布置方式應(yīng)為首選方案。 3.3降低NOx排放改進(jìn)措施及效果聊城鍋爐沿前后墻全膛寬度從燃燒器向下布置了高度為11.694m的耐火磚結(jié)構(gòu)的衛(wèi)燃帶，四角處沿整個水冷壁高度上布滿衛(wèi)燃帶，共616 m2，占下爐膛輻射受熱面積的25%。運(yùn)行中主要存在的問題有兩個，一是NOx排放偏高，超過驗(yàn)收值，二是摻燒灰熔點(diǎn)稍低的煤種時，結(jié)焦嚴(yán)重。為了解決聊城鍋爐的結(jié)焦及NOx 偏高等問題，將聊城鍋爐衛(wèi)燃帶由原設(shè)計(jì)的616 m2減少到346 m

17、2，角偶處的四面水冷壁上的衛(wèi)燃帶打掉270 m2，僅保留上部約2.5m的高度。改進(jìn)后，占下爐膛輻射受熱面積的14%。采取上述措施后NOx下降到了1000 mg/Nm3左右，同時解決了下爐膛嚴(yán)重結(jié)焦問題，取得了良好的綜合效果。一般情況下，爐膛結(jié)焦、Nox排放、燃料燃盡之間存在相互矛盾問題，減少衛(wèi)燃帶數(shù)量，爐膛溫度水平會降低，進(jìn)而會影響燃料的燃盡度。但由于該鍋爐的一次燃燒區(qū)高，加上燃燒優(yōu)化及設(shè)備改進(jìn)效果好，煤粉的燃盡度并未因衛(wèi)燃帶的減少而降低，飛灰含炭量仍保持在6%左右（滿負(fù)荷運(yùn)行）。4、結(jié)論 該型鍋爐的NOx中以熱力型NOx生成占主導(dǎo)。衛(wèi)燃帶布置位置欠佳，布置數(shù)量過多，結(jié)焦導(dǎo)致爐膛局部高溫區(qū)域增

18、加，對總的NOx生成起著決定性作用。其中衛(wèi)燃帶布置數(shù)量及方式是影響NOx排放的主要因素。對聊城#1爐采取改進(jìn)衛(wèi)燃帶布置方式，減少衛(wèi)燃帶數(shù)量等措施后，NOx 排放值由原來的1500 mg/Nm3以上，降低到了目前的1000 mg/Nm3左右，同時也解決了爐膛的嚴(yán)重結(jié)焦問題，取得了良好的改造效果。 該型鍋爐NOx排放水平明顯高于具有降低NOx措施的常規(guī)煤粉燃燒方式，要解決鍋爐NOx排放高的問題，應(yīng)從鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及衛(wèi)燃帶布置數(shù)量及方式上深入研究。參考文獻(xiàn): 1常弘哲，張永康，沈際群，燃料與燃燒M，上海，上海交通大學(xué)出版社2張慧娟，閻志勇等，空氣分級燃燒降低NOX排放的試驗(yàn)研究，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)

19、，1999，4（309-314）3苗長信，劉志超，1025t/h“W”火焰鍋爐燃燒特性試驗(yàn)研究，熱能動力工程,2002,6，599-631Cause and Solution of High NOx Issue of 600MW Boiler with W FlameMiao Changxin1 Wang Jianwei2 Che Gang1SEPRI1 Jinan 252002 LPS2 Liaocheng 252033Abstract: basing on the NOx characteristic and testing result of Liaocheng W-flame Boiler wit