鍋爐氮氧化物排放特性試驗(yàn)研究

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　　1　引言
　　鍋爐燃燒特性研究，尤其是對(duì)煤質(zhì)與氮氧化物排放量之間關(guān)系的研究，許多文獻(xiàn)已有介紹[1～5]，但實(shí)驗(yàn)對(duì)象多僅限于實(shí)驗(yàn)室的滴管爐或單角爐，其結(jié)論均有一定的局限性。文[1]對(duì)大型鍋爐燃燒特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并應(yīng)用一維工程模型進(jìn)行分析，取得了一定成功。上述文獻(xiàn)所進(jìn)行的試驗(yàn)研究多是燃用高揮發(fā)分的煙煤鍋爐。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于燃用貧煤及無(wú)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(dá)到高效低污染物排放難度更大些。我國(guó)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(lái)越嚴(yán)格，其高效低污染問(wèn)題越來(lái)越突出。本文針對(duì)2臺(tái)300 MW機(jī)組貧煤鍋爐、1臺(tái)125 MW無(wú)煙煤鍋爐氮氧化物排放特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)室的小型實(shí)驗(yàn)爐上進(jìn)行了熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，對(duì)煤種、運(yùn)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(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法
　　2.1　試驗(yàn)設(shè)備
　　試驗(yàn)設(shè)備包括2臺(tái)300 MW機(jī)組貧煤鍋爐、1臺(tái)125 MW無(wú)煙煤鍋爐及2臺(tái)實(shí)驗(yàn)室小型實(shí)驗(yàn)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(jì)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(dòng)(WR)燃燒器，每組燃燒器由7層二次風(fēng)噴嘴、5層一次風(fēng)噴嘴和2層三次風(fēng)噴嘴組成，每1層一次風(fēng)與二次風(fēng)間隔布置。一、二次風(fēng)擺動(dòng)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(jì)煤種為晉東南貧煤，WR燃燒器，每組燃燒器由7層二次風(fēng)噴嘴、4層一次風(fēng)噴嘴和2層三次風(fēng)噴嘴組成，上部布置一層頂部燃盡風(fēng)。
　　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(jì)煤種為晉東南無(wú)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(fēng)噴嘴、3層一次風(fēng)噴嘴和1層三次風(fēng)噴嘴組成。
　　滴管爐：長(zhǎng)度800 mm，內(nèi)徑40 mm。一次風(fēng)率約10%，二次風(fēng)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(shí)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(jì)熱負(fù)荷為33.6 MJ/h，總體積為0.35 m×0.5 m×4.0 m。送風(fēng)機(jī)送出的冷風(fēng)經(jīng)加熱器加熱后，一部分直接送至燃燒室3個(gè)二次風(fēng)口，另一部分?jǐn)y帶煤粉送入燃燒室一次風(fēng)口，給粉機(jī)送粉率為18～25 kg/h，一次風(fēng)溫和二次風(fēng)溫分別為473 K和573 K。沿燃燒室軸向布置10個(gè)測(cè)量孔。臥室爐系統(tǒng)示意圖見圖1。
　　2.2　試驗(yàn)煤質(zhì)
　　試驗(yàn)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(duì)高、灰份相對(duì)低的貧煤;
　　煤2：含氮量相對(duì)低、灰份相對(duì)高的貧煤;
　　煤3：無(wú)煙煤。
　　2.3　試驗(yàn)方法
　　(1)在爐A、爐B上進(jìn)行2種煤質(zhì)的變煤種試驗(yàn)，改變二次風(fēng)量的變工況試驗(yàn);
　　(2)在爐C上進(jìn)行改變二次風(fēng)量的變工況試驗(yàn);
　　(3)在臥室爐上進(jìn)行改變中二次風(fēng)率的調(diào)風(fēng)實(shí)驗(yàn);
　　(4)在滴管爐上進(jìn)行3種煤質(zhì)的變煤種實(shí)驗(yàn)。
　　通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，探討煤質(zhì)、燃燒工況及爐體結(jié)構(gòu)對(duì)氮氧化物排放特性的影響。
　　3　試驗(yàn)結(jié)果及分析
　　3.1　煤質(zhì)影響
　　煤質(zhì)對(duì)NOx排放量的影響見圖2。需要說(shuō)明的是，為保證不同爐型、不同煤質(zhì)及不同運(yùn)行工況下的測(cè)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(duì)NOx排放量影響的試驗(yàn)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(duì)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(duì)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(yàn)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(duì)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(jí)配風(fēng)方式，已有文獻(xiàn)[6]研究分級(jí)燃燒對(duì)氮氧化物排放特性的影響。本文將在臥室爐上詳細(xì)研究分級(jí)燃燒對(duì)氮氧化物排放特性的影響。
　　(3)對(duì)于燃用燃料氮含量為1.5%無(wú)煙煤的爐C，雖然采用了WR燃燒器，其NOx排放量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。為了保證無(wú)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(qiáng)度，從而使?fàn)t內(nèi)局部區(qū)域產(chǎn)生較高熱負(fù)荷、較高煙氣溫度，這就必然生成較多的NOx。對(duì)于燃用無(wú)煙煤及貧煤的鍋爐應(yīng)進(jìn)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(shí)間較短(約0.5s)，其NOx排放量較實(shí)際鍋爐低得多。當(dāng)燃用燃料氮含量不同的煤1和煤2時(shí)，其NOx排放量明顯不同，且與爐A、爐B趨勢(shì)一致。當(dāng)燃用無(wú)煙煤時(shí)，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(guò)量氧量的影響
　　3臺(tái)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(shì)。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(qiáng)度加強(qiáng)，使?fàn)t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(shí)，入爐氧量的增加及局部高溫也導(dǎo)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(dāng)入爐總風(fēng)量增加到一定數(shù)量后，由于風(fēng)量過(guò)大而導(dǎo)致局部爐溫降低，此時(shí)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(jí)配風(fēng)的影響
　　實(shí)驗(yàn)在臥室爐上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)下二次風(fēng)率不變，改變中二次風(fēng)率及上二次風(fēng)率，從而改變?nèi)紵捌诩叭紵笃诘难鯘舛?，以考察分?jí)配風(fēng)對(duì)氮氧化物生成特性的影響。
　　實(shí)驗(yàn)用煤為煤3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4和圖5。結(jié)果顯示，隨著中二次風(fēng)率的增加，NOx生成量明顯升高，這體現(xiàn)了分級(jí)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(shí)由于火焰溫度較低，也不會(huì)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(fēng)口。設(shè)有OFA的鍋爐燃燒原理，參見文[7]。由于采用分級(jí)燃燒，煤粉在主燃燒區(qū)處于貧氧燃燒，過(guò)量空氣　　系數(shù)(α≈0.8～0.9)，降低了燃燒強(qiáng)度，燃料NOx及熱NOx生成量都將明顯降低;在頂部燃盡風(fēng)區(qū)，通入過(guò)量的空氣，(此時(shí)α≈1.2)，煤粉將充分燃燒。許多文獻(xiàn)表明，采用OFA分級(jí)燃燒技術(shù)降低鍋爐的氮氧化物排放量，選取適當(dāng)?shù)捻敳咳急M風(fēng)率是至關(guān)重要的。對(duì)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(yàn)過(guò)程中頂部燃盡風(fēng)率(頂部燃盡風(fēng)量占全部二次風(fēng)量的百分?jǐn)?shù))僅8%左右，這使得主燃燒區(qū)過(guò)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(jí)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(duì)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(dá)不到煤粉完全燃燒所需的化學(xué)當(dāng)量比，焦碳對(duì)已生成的NOx也有一定還原作用，故NOx生成量也會(huì)降低?？傊?，鍋爐采用WR燃燒器，當(dāng)燃用貧煤、無(wú)煙煤等低揮發(fā)分煤時(shí)有助于著火和穩(wěn)燃，同時(shí)更有利于降低NOx的生成量。但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，燃用貧煤鍋爐雖然采用低NOx生成燃燒器，仍難以達(dá)到650 mg/m3的國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。
　　4　結(jié)論
　　(1)煤質(zhì)對(duì)NOx生成特性有顯著影響，2臺(tái)300MW貧煤鍋爐現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，燃料氮(可燃基)含量從1.4%升高到1.9%時(shí)，NOx生成量約增加150mg/m3;
　　(2)3臺(tái)電站鍋爐現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著過(guò)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(jí)配風(fēng)實(shí)驗(yàn)表明，分級(jí)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(shí)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(jí)燃燒技術(shù)亦可明顯改善氮氧化物排放特性;
　　(4)試驗(yàn)同時(shí)表明，2臺(tái)貧煤和1臺(tái)無(wú)煙煤鍋爐雖然采用WR型、低NOx燃燒器，但仍難以達(dá)到650 mg/m3的國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于貧煤鍋爐采用OFA分級(jí)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(jí)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

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