姚瑤，呂當(dāng)振，邱應(yīng)軍

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州450015；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

分級(jí)配風(fēng)對(duì)切圓鍋爐NOx生成與燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響

姚瑤1，呂當(dāng)振2，邱應(yīng)軍2

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州450015；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

針對(duì)燃用劣質(zhì)混煤的300 MW四角切圓燃燒鍋爐，通過低氮燃燒系統(tǒng)改造與增設(shè)燃盡風(fēng) (SOFA)相結(jié)合的方式，用于降低氮氧化物 (NOx)排放濃度。通過三種劣質(zhì)混煤的實(shí)爐燃燒試驗(yàn)獲得了SOFA風(fēng)率，三次風(fēng)投、退，縮腰配風(fēng)方式對(duì)NOx排放濃度與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著SOFA風(fēng)率增加，鍋爐熱效率隨之下降，而NOx排放濃度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)；制粉系統(tǒng)三次風(fēng)退出時(shí)，NOx排放濃度明顯降低，而飛灰含碳量有所升高；此外通過優(yōu)化縮腰配風(fēng)，有助于提高鍋爐熱效率和降低NOx生成濃度，從而實(shí)現(xiàn)低氮燃燒的同時(shí)，兼顧鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性。

四角切圓鍋爐；燃盡風(fēng)；三次風(fēng)；NOx排放

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)發(fā)電裝機(jī)容量也在不斷增大，根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2014年，全國發(fā)電設(shè)備總?cè)萘窟_(dá)13.6億kW，其中火電裝機(jī)為9.16億kW，占比達(dá)67%左右，電力在給社會(huì)帶來便利的同時(shí)，也排放著大量的污染物，其中作為大氣主要污染物之一的氮氧化物排放問題尤為突出。為更好的保護(hù)環(huán)境，國家環(huán)保部于2012年1月頒布實(shí)施了 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，氮氧化物 (以NO2計(jì))排放濃度控制在100～200 mg/Nm3(對(duì)重點(diǎn)地區(qū)的火電機(jī)組始終控制在100 mg/Nm3)，為了適應(yīng)新環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，燃煤電廠進(jìn)行了大規(guī)模的低氮燃燒系統(tǒng)改造的研究與應(yīng)用工作〔1－5〕。

目前隨著低氮燃燒研究的深入，發(fā)現(xiàn)煤粉燃燒過程中還原性氣氛對(duì)NOx的生成有顯著地抑制作用〔6－7〕，由此通過增設(shè)緊湊型燃盡風(fēng)OFA、分離型燃盡風(fēng)SOFA，并結(jié)合低氮燃燒器改造，用于控制與調(diào)整主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù) (或燃燒器區(qū)域局部過量空氣系數(shù))，使煤粉處于富燃料條件下燃燒，此方法已成為目前鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)改造的主要方向〔8－15〕。

為滿足新的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼顧鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的雙重要求，對(duì)某電廠300 MW亞臨界機(jī)組低NOx燃燒系統(tǒng)改造后的四角切圓鍋爐進(jìn)行低氮燃燒調(diào)整試驗(yàn)，研究鍋爐分級(jí)配風(fēng)對(duì)降低NOx排放的影響，重點(diǎn)研究不同負(fù)荷下燃盡風(fēng)開度 (即調(diào)整主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù))，三次風(fēng)投、退，以及縮腰配風(fēng)方式對(duì)NOx排放濃度與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響，從而確定出不同負(fù)荷下最優(yōu)配風(fēng)方案，在保證鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的前提下，最大限度地降低NOx排放。

1 鍋爐概況

該鍋爐系哈爾濱鍋爐廠引進(jìn)美國CE公司技術(shù)生產(chǎn)的300 MW亞臨界參數(shù)，一次中間再熱，單汽包自然循環(huán)，固態(tài)排渣煤粉爐，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。鍋爐設(shè)計(jì)為單爐膛、Π型布置、平衡通風(fēng)，采用中間倉儲(chǔ)式熱風(fēng)送粉，四角切圓燃燒方式。低氮改造后的燃燒系統(tǒng)共布置五層一次風(fēng)噴嘴，其中A，B，E層為寬調(diào)節(jié)比上、下濃淡燃燒器；C，D層為直流煤粉燃燒器，在頂層燃燒器上方依次安裝了兩層三次風(fēng)噴口、兩層緊湊燃盡風(fēng)(OFA1，2)噴口，為滿足低氮燃燒運(yùn)行需要，在爐膛上部增設(shè)四層分離型燃盡風(fēng) (SOFA1，2，3，4)噴口。

表1 MCR工況下鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)期間入爐煤為劣質(zhì)貧煤與煙煤的混燒，為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，保證同組試驗(yàn)期間煤質(zhì)穩(wěn)定，具體為:滿負(fù)荷以及75%負(fù)荷SOFA調(diào)整試驗(yàn)、縮腰配風(fēng)試驗(yàn)期間采用煤質(zhì)T－01；三次風(fēng)投、退試驗(yàn)期間采用煤質(zhì)T－02；60%負(fù)荷SOFA調(diào)整試驗(yàn)采用煤質(zhì)T－03。煤質(zhì)特性見表2所示。

表2 試驗(yàn)期間混煤元素分析及發(fā)熱量

2.1 爐內(nèi)冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)

為了提高鍋爐燃燒穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性，為鍋爐分級(jí)配風(fēng)低氮燃燒調(diào)整提供良好基礎(chǔ)，熱態(tài)運(yùn)行前進(jìn)行了全爐膛冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)。重點(diǎn)對(duì)同層一次風(fēng)噴口風(fēng)速進(jìn)行了調(diào)平，同時(shí)根據(jù)相似理論，對(duì)一、二次風(fēng)混投后的空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明:一次風(fēng)調(diào)平前1，4號(hào)角風(fēng)速普遍偏高；2，3號(hào)角風(fēng)速偏低，這表現(xiàn)出了風(fēng)管阻力特性差異。通過調(diào)整一次風(fēng)粉管縮孔開度，實(shí)現(xiàn)了同層燃燒器出口一次風(fēng)調(diào)平，調(diào)平后風(fēng)速偏差控制在5%以內(nèi)，具體結(jié)果見表3。一次風(fēng)調(diào)平后，按縮腰配風(fēng)方式，模擬熱態(tài)運(yùn)行工況，對(duì)爐內(nèi)冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量與飄帶示蹤。如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果表明:爐膛充滿度較好，氣流中心無偏斜。

表3 冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)一次風(fēng)速調(diào)平試驗(yàn)

圖1 一、二次風(fēng)混投時(shí)爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)

2.2 鍋爐分級(jí)配風(fēng)對(duì)NOx排放與燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響

2.2.1 縮腰配風(fēng)方式對(duì)NOx排放與燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響

在鍋爐滿負(fù)荷與爐膛出口氧量基本一致的前提下，對(duì)比研究了不同縮腰配風(fēng)方式對(duì)NOx排放濃度與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響。如表4所示，在總體縮腰配風(fēng)原則不變的前提下，適當(dāng)增大整體風(fēng)門開度，以及底部與最上層緊湊型OFA風(fēng)門開度，二次風(fēng)箱差壓隨之降低，這將有助于提高鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也有利于降低主燃燒區(qū)域NOx生成濃度。如圖2所示，優(yōu)化縮腰配風(fēng)方式下，NOx排放濃度降低32 mg/Nm3，鍋爐效率提高0.49%。

表4 縮腰配風(fēng)方式下二次風(fēng)門開度

圖2 縮腰配風(fēng)方式對(duì)NOx排放與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響

2.2.2 SOFA燃盡風(fēng)開度對(duì)NOx排放與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響

在鍋爐滿負(fù)荷時(shí)，維持爐膛出口氧含量3.3%左右，通過調(diào)節(jié)四層燃盡風(fēng)門開度 (調(diào)節(jié)主燃燒區(qū)域的過量空氣系數(shù))，研究燃盡風(fēng)率變化對(duì)NOx排放濃度與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響。如圖3所示，隨著燃盡風(fēng)門開度逐漸增大，主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)逐漸降低，飛灰含碳量升高，鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性隨之下降，而NOx排放濃度呈現(xiàn)出先下降后升高的趨勢(shì)。仔細(xì)分析燃盡風(fēng)門由小到大逐漸開啟的過程中NOx變化特征，鍋爐主燃燒區(qū)域燃燒特性經(jīng)歷了2個(gè)不同過程:首先，當(dāng)燃盡風(fēng)門從全關(guān)到打開下兩層燃盡風(fēng)SOFA1，2的過程中，主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)從先前的1.25(常規(guī)運(yùn)行時(shí)主燃區(qū)過量空氣系數(shù))逐漸降低到1.0以下，在此過程中，主燃燒器區(qū)域燃燒減弱，局部出現(xiàn)還原性氣氛，從而抑制了燃燒初期的燃料氮向NOx轉(zhuǎn)化過程，同時(shí)燃燒中心溫度降低也減小了熱力型NOx的生成速率，兩者共同實(shí)現(xiàn)了爐膛出口低NOx排放。與此同時(shí)，由于主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)降低以及爐膛平均燃燒溫度降低，也造成了飛灰含碳量有一個(gè)升高的過程，最終表現(xiàn)為鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性下降。其次，當(dāng)燃盡風(fēng)門繼續(xù)開啟，直至 SOFA1，2，3，4全部開啟，主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)進(jìn)一步降低，造成燃燒器區(qū)域局部出現(xiàn)較為嚴(yán)重的缺氧燃燒現(xiàn)象，煤粉不完全燃燒加劇，雖然此時(shí)強(qiáng)還原氣氛抑制了NOx的生成，但同時(shí)大量的未燃盡煤粉顆粒在爐膛上部區(qū)域劇烈燃燒，提高了該區(qū)域的NOx生成量，最終造成爐膛出口NOx排放濃度升高。此外，爐膛不完全燃燒造成的飛灰含碳量升高，鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性降低。

圖3 滿負(fù)荷時(shí)燃盡風(fēng)開度對(duì)NOx排放與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響

從圖3可知，在進(jìn)行低氮燃燒調(diào)整過程中，雖然可以通過調(diào)節(jié)SOFA開度，達(dá)到降低爐膛出口NOx排放濃度的目的，但當(dāng)主燃燒區(qū)域的過量空氣系數(shù)過低時(shí)，不僅顯著降低鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性，而且還原性氣氛易造成灰熔點(diǎn)降低，引起鍋爐嚴(yán)重結(jié)焦以及水冷壁的還原性腐蝕等。就目前研究結(jié)果表明，最佳主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)受爐型、燃燒器類型、燃盡風(fēng)位置、入爐煤質(zhì)以及運(yùn)行習(xí)慣等多種因素影響，因此在實(shí)際調(diào)整過程中，應(yīng)注意平衡低氮排放與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系。

2.2.3 三次風(fēng)投、退對(duì)NOx排放與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響

中間倉儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有三次風(fēng) (約占總風(fēng)量的20%)，其對(duì)鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性有著顯著影響。與此同時(shí)，對(duì)于低氮燃燒系統(tǒng)改造與低氮燃燒調(diào)整而言，三次風(fēng)的設(shè)計(jì)位置與風(fēng)速大小對(duì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定低氮經(jīng)濟(jì)燃燒也十分重要。因此考察了投運(yùn)與退出三次風(fēng)對(duì)鍋爐NOx排放濃度與燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響。如圖4所示，攜帶著低濃度超細(xì)煤粉的氣流從三次風(fēng)噴口送入爐膛燃燒，由于該三次風(fēng)噴口位于緊湊型燃盡風(fēng)下方，并緊挨著最上層燃燒器噴口，與三次風(fēng)投入運(yùn)行時(shí)比較，當(dāng)三次風(fēng)退出時(shí) (為了維持二次風(fēng)箱差壓不變，開啟一層SOFA)，在爐內(nèi)形成了一個(gè)明顯的分級(jí)燃燒，從而擴(kuò)大了上部爐膛還原區(qū)域高度 (三次風(fēng)至SOFA之間)，有效延長了已生成的NOx的還原時(shí)間，使得已生成的NOx還原成N2的比例提高，最終減少了爐膛出口的NOx排放濃度，三次風(fēng)投運(yùn)時(shí)NOx排放濃度502 mg/Nm3，退出時(shí) NOx排放濃度僅為398 mg/Nm3，NOx排放濃度降低約 21%。此外，由于燃盡風(fēng)更靠近爐膛出口，縮短了未燃盡碳的燃燒時(shí)間，因此飛灰含碳量有所升高，鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性略有降低。

圖4 三次風(fēng)投、退對(duì)NOx排放與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響

2.2.4 低負(fù)荷時(shí)SOFA燃盡風(fēng)開度對(duì)NOx排放與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響

如圖5所示，在鍋爐帶75%負(fù)荷時(shí)，維持爐膛出口氧含量3.9%左右，隨著SOFA開度的增大，NOx排放濃度降低，飛灰含碳量略有變化，而此時(shí)鍋爐熱效率基本維持不變。從試驗(yàn)結(jié)果來看，75%負(fù)荷時(shí)，可采取逐步開大燃盡風(fēng)門，用于控制NOx排放濃度，但當(dāng)開啟兩層SOFA1，2之后，若繼續(xù)開啟SOFA3，4時(shí)，二次風(fēng)箱差壓下降明顯，二次風(fēng)噴口風(fēng)速降低，使得一、二次風(fēng)中后期摻混減弱，對(duì)鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性不利，因此在低氮燃燒調(diào)整過程中，75%負(fù)荷時(shí)不建議繼續(xù)開啟SOFA3，4層燃盡風(fēng)。

圖5 75%負(fù)荷時(shí)燃盡風(fēng)開度對(duì)NOx排放與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響

如圖6所示，在鍋爐60%負(fù)荷時(shí)，維持爐膛出口氧含量5.7%左右，隨著SOFA開度的增大，飛灰含碳量逐漸增大，鍋爐熱效率略有降低，但NOx排放濃度呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。分析其原因，當(dāng)開啟SOFA1時(shí)，主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)降低，局部還原性氣氛抑制了NOx生成與排放；當(dāng)繼續(xù)開啟SOFA2時(shí)，主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)繼續(xù)降低，會(huì)造成大量未燃盡碳在爐膛上部燃燒，導(dǎo)致NOx生成濃度升高，具體原因在上節(jié)已經(jīng)做了詳細(xì)闡述。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果來看，在60%負(fù)荷時(shí)不建議開啟SOFA2，3，4層燃盡風(fēng)。

圖6 60%負(fù)荷時(shí)燃盡風(fēng)開度對(duì)NOx排放與鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響

3 結(jié)論

1)在總體縮腰配風(fēng)原則不變的前提下，適當(dāng)增大整體風(fēng)門開度，以及底部與最上層緊湊型OFA風(fēng)門開度，從而維持合適的二次風(fēng)箱差壓，將有助于提高鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性和降低主燃燒區(qū)域NOx生成濃度。

2)在分級(jí)配風(fēng)過程中，隨著SOFA開度的增加，主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)逐漸降低，飛灰含碳量升高，而NOx排放濃度呈現(xiàn)出先下降后升高的趨勢(shì)，此時(shí)主燃燒區(qū)域燃燒特性將經(jīng)歷2個(gè)過程:首先，在主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)逐漸降低的過程中，主燃燒器區(qū)域燃燒減弱，局部呈現(xiàn)出還原性氣氛，從而抑制了燃燒初期的燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化，同時(shí)燃燒中心溫度降低也降低了熱力型NOx的生成速率，兩者共同促進(jìn)了爐膛出口低NOx排放。其次，隨著主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)進(jìn)一步降低，造成燃燒器區(qū)域局部出現(xiàn)較為嚴(yán)重的缺氧燃燒，煤粉不完全燃燒加劇，雖然強(qiáng)還原氣氛能夠抑制NOx的生成，但同時(shí)大量的未燃盡煤粉顆粒在爐膛上部區(qū)域劇烈燃燒，反而提高了該區(qū)域的NOx生成量，最終使得爐膛出口NOx排放濃度升高。

3)當(dāng)三次風(fēng)退出時(shí)，在爐內(nèi)形成了一個(gè)明顯的分級(jí)燃燒，從而有效擴(kuò)大了上部爐膛還原區(qū)域高度 (三次風(fēng)至SOFA之間)，延長了NOx的還原時(shí)間，提高了已生成的NOx還原成N2的比例，但由于燃盡風(fēng)更靠近爐膛出口，縮短了未燃盡碳的燃燒時(shí)間，導(dǎo)致飛灰含碳量有所升高，鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性略有下降。

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Effects of air staging combustion for a tangential-fired boiler on NOxemission and boiler efficiency

YAO Yao1，LYU Dangzhen2，QIU Yingjun2
(1.Huadian Zhengzhou Mechanical Design Institute CO.，Ltd.，Zhengzhou 450015，China；2 State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In order to reduce the NOxemission during the low-quality blended coal combustion，a novel technique combining an additional separated over fire air(SOFA)and boiler combustion system retrofit was carried out in a 300 MW tangential-fired boiler.Through three low-quality blended coals firing experiments，the impacts of SOFA，the tertiary-air and shrinked-middle wind on NOxemission and boiler efficiency were obtained.The results indicated that with the increase of air damper opening degree of SOFA，the NOxemission firstly decreased and then increased，while the boiler efficiency decreased.Meanwhile，by comparison with using the tertiary-air，the NOxemission reduced rapidly，but the unburned carbon slowly increased without the tertiary-air.Furthermore，the proper shrinked-middle wind could not only improve the coal combustion efficiency，but also reduce the NOxemission.Hence，air staging combustion adjustment should obtain a proper point for both the low NOxemission and the optimal boiler efficiency.

tangential-fired boiler；separated over fire air；tertiary-air；NOxemission

TK227.1

B

1008-0198(2015)06-0027-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.007

姚瑤(1977)，女，河南鄭州人，工程師，研究生，從事電力技術(shù)咨詢及服務(wù)工作。

2015-05-08