鍋爐氮氧化物排放特性試驗研究

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　　1　引言
　　鍋爐燃燒特性研究，尤其是對煤質(zhì)與氮氧化物排放量之間關(guān)系的研究，許多文獻已有介紹[1～5]，但實驗對象多僅限于實驗室的滴管爐或單角爐，其結(jié)論均有一定的局限性。文[1]對大型鍋爐燃燒特性進行了現(xiàn)場試驗，并應用一維工程模型進行分析，取得了一定成功。上述文獻所進行的試驗研究多是燃用高揮發(fā)分的煙煤鍋爐。一般來說，對于燃用貧煤及無煙煤鍋爐，由于需考慮其著火穩(wěn)定性及燃盡性能，因而要達到高效低污染物排放難度更大些。我國大容量鍋爐中近一半為燃用貧煤(混煤)鍋爐，隨著環(huán)保要求越來越嚴格，其高效低污染問題越來越突出。本文針對2臺300 MW機組貧煤鍋爐、1臺125 MW無煙煤鍋爐氮氧化物排放特性進行了現(xiàn)場試驗，并在實驗室的小型實驗爐上進行了熱態(tài)實驗，對煤種、運行工況與氮氧化物排放特性之間的關(guān)系作了較為深入的研究。
　　2　試驗設(shè)備與試驗方法
　　2.1　試驗設(shè)備
　　試驗設(shè)備包括2臺300 MW機組貧煤鍋爐、1臺125 MW無煙煤鍋爐及2臺實驗室小型實驗爐。
　　爐A概況：額定蒸發(fā)量1025t/h，鍋爐為單爐膛П型四角切圓爐，爐膛尺寸為14 .048 m×11.858 m×53 m，設(shè)計煤種為河南貧煤，在爐膛的四角各布置了一組直流式寬調(diào)節(jié)比擺動(WR)燃燒器，每組燃燒器由7層二次風噴嘴、5層一次風噴嘴和2層三次風噴嘴組成，每1層一次風與二次風間隔布置。一、二次風擺動角度分別為±27°和±30°。
　　爐B概況：額定蒸發(fā)量1025t/h，鍋爐為單爐膛Г型四角切圓爐，爐膛尺寸為11. 76m×11.97 m×49 m，設(shè)計煤種為晉東南貧煤，WR燃燒器，每組燃燒器由7層二次風噴嘴、4層一次風噴嘴和2層三次風噴嘴組成，上部布置一層頂部燃盡風。
　　爐C概況：超高壓一次再熱自然循環(huán)煤粉爐，額定蒸發(fā)量420t/h，爐膛尺寸為9.6 m×8.84 m×36.2 m，設(shè)計煤種為晉東南無煙煤，WR燃燒器，四角切圓燃燒方式，每組燃燒器由5層二次風噴嘴、3層一次風噴嘴和1層三次風噴嘴組成。
　　滴管爐：長度800 mm，內(nèi)徑40 mm。一次風率約10%，二次風被加熱至約573 K。噴口位于爐體上部，煤粉噴入燃燒室后自然下落并燃燒，爐溫約1473 K，煤粉顆粒停留時間約0.5s。爐膛出口處設(shè)置煙氣成分分析裝置。
　　小型臥室爐：設(shè)計熱負荷為33.6 MJ/h，總體積為0.35 m×0.5 m×4.0 m。送風機送出的冷風經(jīng)加熱器加熱后，一部分直接送至燃燒室3個二次風口，另一部分攜帶煤粉送入燃燒室一次風口，給粉機送粉率為18～25 kg/h，一次風溫和二次風溫分別為473 K和573 K。沿燃燒室軸向布置10個測量孔。臥室爐系統(tǒng)示意圖見圖1。
　　2.2　試驗煤質(zhì)
　　試驗期間入爐煤煤質(zhì)分析及粒度分析見表1，主要分為3種：
　　煤1：含氮量相對高、灰份相對低的貧煤;
　　煤2：含氮量相對低、灰份相對高的貧煤;
　　煤3：無煙煤。
　　2.3　試驗方法
　　(1)在爐A、爐B上進行2種煤質(zhì)的變煤種試驗，改變二次風量的變工況試驗;
　　(2)在爐C上進行改變二次風量的變工況試驗;
　　(3)在臥室爐上進行改變中二次風率的調(diào)風實驗;
　　(4)在滴管爐上進行3種煤質(zhì)的變煤種實驗。
　　通過上述實驗，探討煤質(zhì)、燃燒工況及爐體結(jié)構(gòu)對氮氧化物排放特性的影響。
　　3　試驗結(jié)果及分析
　　3.1　煤質(zhì)影響
　　煤質(zhì)對NOx排放量的影響見圖2。需要說明的是，為保證不同爐型、不同煤質(zhì)及不同運行工況下的測量結(jié)果具有可比性，本文所有圖示的NOx排放量均已折算成6%O2條件下的質(zhì)量濃度(mg/m3)。煤質(zhì)對NOx排放量影響的試驗結(jié)果討論如下：
　　(1)數(shù)據(jù)表明，爐A分別燃用煤1和煤2，其NOx排放量相差約180 mg/m3;爐B分別燃用煤種1和煤種2，其NOx排放量相差約130 mg/m3。對比煤1和煤2，其揮發(fā)分與水分含量變化不大，在燃盡條件下忽略灰分對NOx排放量的影響，則NOx排放量主要受燃料氮含量的影響，試驗表明，可燃基氮含量由1.4%增加到1.9%，NOx排放量約增加150 mg/m3，這一結(jié)果與文[1]基本一致。
　　(2)數(shù)據(jù)顯示，在額定工況下，對于燃用相同煤　　質(zhì)的爐A與爐B，NOx排放總體水平并不相同，爐B的NOx排放量明顯低于爐A。這主要得益于帶有OFA的分級配風方式，已有文獻[6]研究分級燃燒對氮氧化物排放特性的影響。本文將在臥室爐上詳細研究分級燃燒對氮氧化物排放特性的影響。
　　(3)對于燃用燃料氮含量為1.5%無煙煤的爐C，雖然采用了WR燃燒器，其NOx排放量仍遠遠高于國家規(guī)定的排放標準。為了保證無煙煤鍋爐穩(wěn)定燃燒并充分燃盡，主燃燒區(qū)必須具備高的燃燒強度，從而使爐內(nèi)局部區(qū)域產(chǎn)生較高熱負荷、較高煙氣溫度，這就必然生成較多的NOx。對于燃用無煙煤及貧煤的鍋爐應進一步采取措施降低污染物排放量。
　　(4)由于滴管爐內(nèi)溫度水平較低(約1473 K)，煤粉顆粒停留時間較短(約0.5s)，其NOx排放量較實際鍋爐低得多。當燃用燃料氮含量不同的煤1和煤2時，其NOx排放量明顯不同，且與爐A、爐B趨勢一致。當燃用無煙煤時，由于揮發(fā)份含量較低，含氮量又不高，故其NOx排放量最低，這一結(jié)論與文[2]一致。
　　3.2　過量氧量的影響
　　3臺鍋爐隨著入爐氧量的增加，其NOx排放特性呈大致相同的趨勢。這種現(xiàn)象可解釋為：隨著入爐氧量的增加，爐內(nèi)燃燒區(qū)域供氧量也增加，燃燒強度加強，使爐內(nèi)局部火焰溫度上升，為燃料氮轉(zhuǎn)化為燃料NOx提供了條件;同時，入爐氧量的增加及局部高溫也導致熱力NOx迅速上升，因此，總的NOx生成量隨著入爐氧量的增加而增加。當入爐總風量增加到一定數(shù)量后，由于風量過大而導致局部爐溫降低，此時總的NOx排放量將隨著氧量的增加而降低。總之，NOx排放量先隨入爐氧量的增加而增加，而后有所降低。
　　3.3　分級配風的影響
　　實驗在臥室爐上進行，實驗時下二次風率不變，改變中二次風率及上二次風率，從而改變?nèi)紵捌诩叭紵笃诘难鯘舛龋钥疾旆旨壟滹L對氮氧化物生成特性的影響。
　　實驗用煤為煤3，實驗結(jié)果見圖4和圖5。結(jié)果顯示，隨著中二次風率的增加，NOx生成量明顯升高，這體現(xiàn)了分級燃燒降低NOx生成量的燃燒特性，其原理為：在燃料燃燒的初始階段只將理論空氣量的80%的空氣送入，使燃料在缺氧條件下燃燒，燃燒速度及火焰溫度降低，燃料氮將分解生成大量的HCN、NHi等，可將部分已生成的NOx分解，從而降低NOx生成量;然后將剩下的空氣在燃燒后期送入，使燃料燃燼，此時由于火焰溫度較低，也不會生成較多的NOx，因而總的NOx生成量是降低的。
　　如前所述，爐B的NOx排放量明顯低于爐A，這主要由于爐B的燃燒器設(shè)置了頂部燃盡風口。設(shè)有OFA的鍋爐燃燒原理，參見文[7]。由于采用分級燃燒，煤粉在主燃燒區(qū)處于貧氧燃燒，過量空氣　　系數(shù)(α≈0.8～0.9)，降低了燃燒強度，燃料NOx及熱NOx生成量都將明顯降低;在頂部燃盡風區(qū)，通入過量的空氣，(此時α≈1.2)，煤粉將充分燃燒。許多文獻表明，采用OFA分級燃燒技術(shù)降低鍋爐的氮氧化物排放量，選取適當?shù)捻敳咳急M風率是至關(guān)重要的。對爐B，由于燃用揮發(fā)份不高、灰份較多的貧煤，為了保證著火穩(wěn)定性及煤粉燃盡性能，試驗過程中頂部燃盡風率(頂部燃盡風量占全部二次風量的百分數(shù))僅8%左右，這使得主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)(α約為1.0)，因此盡管爐B采用了帶OFA的低NOx燃燒技術(shù)，其NOx排放量仍很高。
　　爐A、爐B、爐C均采用WR燃燒器，由燃燒器噴出的煤粉氣流分為濃淡2部分，是一種內(nèi)分級燃燒。在濃側(cè)，由于氧氣不足，煤粉顆粒揮發(fā)份燃燒是低NOx的，其生成的大量HCN、NH、CO等還原性氣體對隨后的焦碳燃燒所產(chǎn)生的NOx具有還原作用，在淡側(cè)，其供氧量仍達不到煤粉完全燃燒所需的化學當量比，焦碳對已生成的NOx也有一定還原作用，故NOx生成量也會降低。總之，鍋爐采用WR燃燒器，當燃用貧煤、無煙煤等低揮發(fā)分煤時有助于著火和穩(wěn)燃，同時更有利于降低NOx的生成量。但現(xiàn)場試驗表明，燃用貧煤鍋爐雖然采用低NOx生成燃燒器，仍難以達到650 mg/m3的國家排放標準。
　　4　結(jié)論
　　(1)煤質(zhì)對NOx生成特性有顯著影響，2臺300MW貧煤鍋爐現(xiàn)場試驗表明，燃料氮(可燃基)含量從1.4%升高到1.9%時，NOx生成量約增加150mg/m3;
　　(2)3臺電站鍋爐現(xiàn)場試驗結(jié)果顯示，隨著過量空氣系數(shù)的增大，鍋爐NOx生成量先增加，而后有所降低;
　　(3)小型臥室爐分級配風實驗表明，分級燃燒可明顯減少NOx生成量，因此采用WR型燃燒器不僅有利于著火、穩(wěn)燃，而且可以降低NOx排放量。同時，現(xiàn)場試驗表明，燃用貧煤鍋爐在保證煤粉燃盡性能的前提下，采用OFA分級燃燒技術(shù)亦可明顯改善氮氧化物排放特性;
　　(4)試驗同時表明，2臺貧煤和1臺無煙煤鍋爐雖然采用WR型、低NOx燃燒器，但仍難以達到650 mg/m3的國家排放標準。對于貧煤鍋爐采用OFA分級燃燒技術(shù)，由于需顧及貧煤的著火穩(wěn)定性及煤粉燃盡性能，分級燃燒效果不如煙煤鍋爐顯著，故其氮氧化物排放特性的改善受到一定限制。

guomin

學習了，謝謝分享