空氣分級燃燒低氮氧化物試驗研究

空氣分級燃燒低氮氧化物試驗研究

目前，減少nox排放的主要技術措施是改變燃燒條件，將爐渣暴露于火災中，并降低煙花排放。煙氣脫硝初期投資巨大、運行費用高,推廣困難,今后在相當長的一段時間內,控制火電機組的NOX排放是以改變燃燒條件為主。改變燃燒條件主要有4種方法:低過量空氣燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)。低過量空氣燃燒由于在過量空氣低的條件下燃燒,O2小于3%,導致化學和固體未完全燃燒熱損失增加,易引起鍋爐還原氣氛,降低灰熔點引起結渣和腐蝕,是落后的低NOX技術。煙氣再循環(huán)在我國電站的使用中降低NOX的效果并不明顯,還引起燃燒不穩(wěn)定等問題,特別是再循環(huán)風機的維護費用相當高,日本已經明確表示不再使用煙氣再循環(huán)法降低NOX。為了選擇效果好、操作易行的低NOX燃燒方法,在華能長興電廠4、5號鍋爐進行了低NOX燃燒試驗,選擇研究的對象為:(1)燃燒操作參數調整試驗,即一次風壓力、空氣預熱器出口煙氣含氧量(二次風量)、磨煤機啟停(三次風)、鍋爐負荷對NOX的影響。(2)燃燒條件試驗,調整不同位置的二次風噴口風量和給粉機轉速從而達到空氣分級燃燒和燃料分級燃燒這兩種燃燒方式,試驗煤種為準格爾混煤。(3)在國家電站燃燒中心實驗臺進行混煤低NOX燃燒試驗。1煤粉爐燃燒型長興電廠4、5號鍋爐為上海鍋爐廠生產的SG-420/13.7-M417型超高壓、單汽包、自然循環(huán)、中間儲倉式П型布置煤粉爐,配4組可上下擺動±20°直流燃燒器,呈四角切向布置,切向燃燒假想切圓為?800、?200mm。一次風噴口分3層布置,上、中一次風噴口內有波形鈍體穩(wěn)燃器,下一次風噴口內的鈍體穩(wěn)燃器改為船形鈍體穩(wěn)燃器,該燃燒器實際上是一種空氣分級燃燒器,它可降低燃燒過程中的NOX生成約20%～30%。三次風噴口設置在燃燒器上部。2測試2.1氧量試驗(1)一次風壓調整試驗,一次風壓為2.7、2.8、2.9kPa。(2)調整空氣預熱器煙氣進口氧量試驗,煙氣含氧量為4%、5%、6%。(3)制粉系統(tǒng)運行方式為磨煤機2臺全開、開一臺,2臺全停。(4)鍋爐負荷對NOX的影響。2.2我國電站現行技術及分級燃燒技術沒有突破2.目前降低NOX的燃燒技術措施主要有兩個,一是在燃燒中主要抑制NOX;另一個是在燃燒中主要還原NOX。當前在我國電站大多采用抑制NOX。在抑制NOX燃燒技術中有低過量空氣燃燒、空氣分級燃燒和煙氣再循環(huán)等技術,目前采用最多的是空氣分級燃燒。還原NOX為燃料分級燃燒技術,燃料分級降低NOX燃燒技術還沒有在我國電站應用的先例。空氣分級燃燒將燃燒過程發(fā)階段來完成,給主燃燒器的空氣量控制在理論空氣量在80%左右,使煤粉在缺氧的燃燒條件下燃燒。第一級燃燒區(qū)內空氣過剩系數α小于1,在這一燃燒區(qū)內為還原性氣氛,因而達了抑制NOX生成的目的,為了完成全部燃燒過程,完全燃燒所需的空氣從主燃燒器的上方噴入,與第一階段的貧氧燃燒條件下的煙氣混合,在α大于1的條件下完成完全燃燒過程。由于整個燃燒過程所需空氣是分級供入爐內,使整個燃燒過程分為兩個級進行,故稱為空氣分級燃燒。我國引進的300MW和600MW鍋爐部分機組中有使用了空氣分級燃燒方式的,它們大多采用專門的空氣噴入口OFA(OverFireAir)“火上風”噴口,NOX可降低50%。而采用現有的燃燒器頂部的二次風噴口作為“火上風”噴口,則NOX可降低15%～30%。2.3采用煤、天然氣作為燃料燃料分級燃燒技術可以大幅度地降低NOX的排放量,并且對煤種適應性較廣。1980年日本三菱公司將燃料分級燃技術應用于電站鍋爐,使NOX排放減少了50%以上。美國能源部的“潔凈煤技術”技術也包括燃料分級燃燒技術,其示范項目分別采用煤或天然氣作為再燃燃料,NOX排放減少30%到70%。在我國,燃料分級燃燒技術現被國家科技部立為“863”項目,正由哈爾濱工業(yè)大學、國家電站燃燒工程技術中心等單位進行機理試驗、中試試驗等方面的研究工作,計劃在2004～2005年進行工業(yè)示范項目。燃料分級低NOX燃燒技術,將80%的常規(guī)煤粉送入主燃區(qū),在空氣過剩系數α≌1的條件下燃燒并生成NOX,其余20%的煤粉送入再燃區(qū),再燃區(qū)的空氣過剩系數α=0.8～0.9,使得主燃區(qū)的NOX在再燃區(qū)得到還原,同時還抑制了新的NOX的生成。在再燃區(qū)的上面還有燃盡區(qū),以保證在再燃區(qū)生成的未燃燒產物燃盡。燃料分級燃燒控制NOX主要在再燃區(qū),CHi和未完全燃燒的產物CO、H2、C、CnHm同NOX發(fā)生還原反應。3燃料型氧化物試驗煤種為準格爾煤。在煤燃燒過程中,生成NOX的途徑有熱力型、燃料型和快速型。其中燃料型氮氧化物是最主要的,占NOX總生成量的60%至80%以上。本次試驗煤種含氮量為1.02%,煤中的氮約有80%將要氧化成NOX,使煙氣中的NOX質量濃度將要達到600～800mg/Nm3左右。(1)試驗結果在5號爐滿負荷、空氣分級燃燒、2臺磨煤機全開的條件下,進行一次風壓為2.7、2.8、2.9kPa的試驗,試驗結果見圖1。由測試結果,提高一次風壓不僅增加一次風噴口速度,也提高了一次風中的氧濃度,使NOX的生成量增加。在一次風壓為2.73kPa時,NOX的質量濃度為524mg/Nm3,當一次風壓升到2.91kPa時,NOX也升到580mg/Nm3,較一次風壓2.73kPa時的NOX提高了9.66%。(2)煙氣進口氧量對nox調整空氣預熱器煙氣進口氧量試驗,煙氣含氧量分別為3.9%、5.35%、6.7%3個工況,試驗結果見圖2。試驗是在滿負荷和2臺磨煤機全停的燃燒條件下。由于試驗中一次風壓基本穩(wěn)定,所以調整空氣預熱器煙氣進口氧量試驗實質是二次風量對NOX的試驗。從試驗結果得出,二次風量的增加致使煙氣中的氧量增加,同時也使NOX呈上升趨勢。由于入爐二次風量的增加,燃燒區(qū)域的氧濃度增加,為燃燒區(qū)域的氮氣氧氣化成NOX提供了更大的機率和可能,因而就形成了煙氣中的NOX隨空氣預熱器煙氣進口氧量的增加而升高的結果。煙氣中含量由3.9%增加到6.7%,NOX的排放量由667mg/Nm3升高到758mg/Nm3,提高了12%。而煙氣氧量在5%～6.7%變化,NOX的變化不大。(3)燃燒煙氣的還原3e三次風對NOX排放的影響試驗,實質是磨煤機的投停對NOX排放的影響。在相同的鍋爐燃燒條件下,在5號爐測試了磨煤機2臺全開、開1臺、2臺全停對NOX的影響,測試結果見圖3。當2臺磨煤機全開時,根據試驗前對三次風的測試結果,約有8t/h的超細煤粉(R45=7.29%)噴入到燃燒后的煙氣中去,三次風中的超細煤粉起到了將主燃燒區(qū)燃燒完的煙氣進行還原的作用,其反應方程式為:2NO+2CO→2N2+2CO22ΝΟ+2CΟ→2Ν2+2CΟ2和2NO+2C→N2+22ΝΟ+2C→Ν2+2CO。三次風中含有一定量的水份,水在高溫下分解出一定的氫氣,也起到還原作用,反應方程為2NO+2H2→N2+HO2ΝΟ+2Η2→Ν2+ΗΟ2。2臺磨煤機全開時,排放為609mg/Nm3,較1臺磨煤機停的NOX排放為654mg/Nm3降低了6%,較2臺磨煤機全停NOX排放747mg/Nm3,降低了18.4%。(4)煙氣中nox的變化在4號爐2臺磨煤機全停的工況條件下,進行了負荷對NOX的影響試驗。負荷從135MW降到100MW時煙氣中的NOX由818mg/Nm3增加到889mg/Nm3。這主要因為在低負荷下,給粉機給粉量降低,使下層燃燒器的低NOX燃燒器發(fā)揮不出降低NOX的作用,同時3層給粉機同時降低給粉量,特別是中、下層燃燒器的給粉量降低,使鍋爐燃燒由空氣分級燃燒變?yōu)槌Ｒ?guī)燃燒,從而使煙氣中的NOX隨鍋爐負荷的降低而升高。4混煤試驗結果受燃煤火電機組發(fā)展迅速及煤的采掘和運輸等因素的限制,南方大多數火電廠需燃用2種以上的混煤,因此掌握混煤的低NOX燃燒技術對電廠有著現實的意義。鍋爐燃燒中NOX生成量與煤質、燃燒系統(tǒng)、爐膛結構及運行參數等因素密切相關,通過有目的的混煤配比燃燒,可以達到降低燃料型NOX的排放量。選擇長興電廠經常使用的準格爾煤、山東兗州混煤、山東兗州優(yōu)煤,在國家電站燃燒中心CRF熱態(tài)試驗臺進行混煤低NOX燃燒試驗。3種煤煤質分析見表1?；烀喝紵蚇OX試驗是以準格爾煤為主混配不同比例的其它煤。摻混的比例如下:山東兗州優(yōu)煤與準格爾煤的比例為4∶6、5∶5、6∶4(簡稱優(yōu)4準6;優(yōu)5準5;優(yōu)6準4);山東兗州混煤與準格爾煤的比例為6∶4、7∶3(簡稱混6準4;混7準3);山東兗州優(yōu)煤與山東兗州混煤、準格爾煤的比例為1∶1∶1(簡稱優(yōu)1混1準1)?；烀涸囼灲Y果見圖4。可以得出,山東兗州優(yōu)煤和準格爾煤相混,隨著山東兗州優(yōu)煤比例的增加煙氣中的NOX降低,由優(yōu)4準6的836mg/Nm3降至優(yōu)6準4的621mg/Nm3。而從圖5看,山東兗州混煤和準格爾煤相混,同山東兗州優(yōu)煤正好相反,山東兗州混煤比例的增加煙氣中的NOX也增加,由混6準4的636mg/Nm3升到混7準3的941mg/Nm3。3種煤按優(yōu)1混1準1相混,排放的NOX高達1326mg/Nm3。從混煤的氮氧化物排放量的試驗結果看出,混煤氮氧化物排放量的生成符合單煤的生成規(guī)律,且排放量與混配比例近似線性的關系;優(yōu)6準4的配煤方案是NOX生成量最低的。該結果在現場的實際運行中也得到驗證:按空氣分級燃燒配風,鍋爐尾部NOX測定值在500mg/Nm3以下。5燃燒試驗(1)常規(guī)燃燒空氣分級燃燒華能長興電廠四角切圓燃燒器在每個角有4層二次風噴口,由下至上簡稱為下二、中下二、中上二和上二。常規(guī)燃燒配風方式為4個二次風噴口調節(jié)風門開度100%,使煤粉燃燒在空氣過剩系數α>1的條件下燃燒。根據對給煤機給煤量的測試結果,計算空氣過剩系數α<1所需的風量后,要達到空氣分級燃燒只需將中下二次風量調小到30%左右,即可達到空氣過剩系數α為0.75～0.8,使燃燒方式由常規(guī)燃燒改為空氣分級燃燒。常規(guī)燃燒和空氣分級燃燒燃燒配風方式見圖6。從圖中分析,上二風口以下燃燒區(qū)域為空氣過剩系數α<1,在此之上鍋爐燃燒空間空氣過剩系數α>1。4號爐常規(guī)燃燒NOX排放為938mg/Nm3,而空氣分級燃燒的量為822mg/Nm3,空氣分級燃燒NOX降低12.36%。4號爐在日常運行為常規(guī)燃燒方式,而5號鍋爐日常運行中長期使用的是空氣分級燃燒方式,原因主要是5號爐過熱蒸汽溫度低,通過空氣分燃燒方式,來提高過熱蒸汽溫度。5號爐常規(guī)燃燒NOX排放為711mg/Nm3,而空氣分級燃燒的量為631mg/Nm3,空氣分級燃燒NOX降低11.25%。(2)燃燒特性分析根據燃料分級燃燒原理,爐膛劃分為主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃燼區(qū)。鍋爐下層和中層燃燒器位置的高度加權平均,得到主燃燒器的高度的起點位置,按再燃噴口設在上層一次噴口位置,則得到主燃區(qū)區(qū)域高度;再燃噴口為上層燃燒器至三次風噴口位置,則得到再燃區(qū)高度。本次長興電廠的燃料分級燃燒的燃料為常規(guī)煤粉(R90=20%),之所以采用常規(guī)煤粉是考慮長興電廠鍋爐的爐膛溫較高,常規(guī)煤粉作為再燃燃料不會提高固體未完全燃燒熱損失。三次風噴口位置到鍋爐出口位置為燃燼區(qū),具體位置見圖7。燃料分級燃燒主要控制給粉機的給粉量,主燃燒器的給粉機為下、中層給粉機,給粉機轉速為900～100r/min,根據試驗前的給粉機轉速測試結果,8臺給粉機的給粉量為31.77t/h,約占總燃料量的75%～80%。再燃區(qū)為上層給粉機,轉速為400～500r/min時給粉量為9～10t/h,占總燃料量的20%～25%。根據目前比較一致的觀點,粒子在再燃燒區(qū)的停留一般為300～600ms,從鍋爐再燃區(qū)計算結果得出粒子在再燃區(qū)停留時間為307ms,滿足還原時間要求,從而可達到燃料分級燃燒降低NOX的目的。為了保證再燃區(qū)的還原氣氛,停止上二、中上二次風的運行,從而使再燃區(qū)的空氣過剩系數α=0.88。5號爐燃料分級燃燒降低NOX試驗時給粉機轉速見表2。再燃區(qū)二次燃料為總給煤量的21.81%;主燃區(qū)的給煤量為78.19%,從給煤量上基本達到了燃料分級燃燒要求的比例。試驗是在2臺磨煤機全停的工況下,將排粉機開啟,用排粉機的不含超細煤粉的三次風作為燃盡風。5號爐常規(guī)燃燒NOX排放為746mg/Nm3,而燃料分級燃燒的量為588mg/Nm3,燃料分級燃燒較常規(guī)燃燒NOX降低21.13%。燃料分級燃燒降低NOX試驗降低的效果沒有達到預期的50%左右,主要原因是長興電廠爐膛溫度較高造成的。根據目前的研究成果,燃料分級燃燒再燃區(qū)的溫度要控制在1200～1300℃,當再燃區(qū)的溫度超過1400℃,反而使NOX的排放濃度升高,在溫度高的條件下,將再燃區(qū)還原的NOX又氧化成了NOX。按同樣的配風方式對4號爐進行燃料分級燃燒試驗,NOX反而上升,原因為4號爐爐膛溫度高于5號爐約100℃。6ox燃燒試驗低NOX燃燒調整選擇的參數為一次風(壓力)、二次風(空氣預熱器出口煙氣含氧量)、三次風(磨煤機啟停)等對降低NOX的影響。低NOX燃燒技術試驗為空氣分級燃燒、燃料分級燃燒。在國家電站燃燒中心的CRF熱態(tài)試驗臺進行了混煤低NOX燃燒試驗。通過低于NOX燃燒試驗總結出長興電廠采取4個措施實現降低NOX:(1)按