600MW超临界锅炉燃烧调整对控制NOx排放量的探究

1、600MW超临界锅炉燃烧调整对控制NOx排放量的探究李宏斌（广东大唐国际潮州发电有限责任公司，广东潮州 515723）摘要：结合广东潮州电厂600MW超临界燃煤锅炉，分析了火电厂燃煤锅炉燃烧产生NOx的机理和特点,探讨了控制NOx生成的方法。在暂不增加脱销设备的前提下，分析了潮州电厂通过调整燃烧的措施，控制NOx排放量的方法及效果。关键词：氮氧化物；燃料型 NOx；分级燃烧；低过量空气系数600MW Supercritical Boiler Combustion Adjustment on Control of NOx Emissions ResearhLi hong bin(Guangdon

2、g Datang International Chaozhou Power Generation Co.Ltd.，Chaozhou 515723，China)Abstract: Combined with the Guangdong Chaozhou Power Plant 600MW cyclone supercritical coal-fired boilers, and analysis of the mechanism and the characteristics of the thermal power plant coal-fired boiler combustion NOx，

3、 To explore the ways to control NOx formation . in temporarily increased under the premise of the out-of-stock equipment, analysed Chaozhou power plant throng the operation adjustment means of combustion to control NOx emissions method and effect.Keywords： nitrogen oxides; fuel-NOx; staged combustio

4、n; Low excess air ratio近年来，随着国内经济的快速发展，氮氧化物（NOx）污染物的排放量迅速增加，严重污染了生态环境，已成为制约社会经济发展的重要因素之一。氮氧化物除了形成酸雨，导致土壤酸化、气候变化外，氮氧化物还通过氧化等形成地面臭氧、细小颗粒物、光化学烟雾和区域性灰霾污染，影响呼吸系统、心血管等器官，损害人体健康。据中国环保产业协会组织的中国火电厂氮氧化物排放控制技术方案研究报告的统计分析，2009年火电厂排放的NOx总量已增至860万t，比2003年的5973万t增加了439%，约占全国NOx排放量的35%40%。中投顾问发布的20102015年中国环保产业投资分析

5、及前景预测报告显示，我国能源资源以煤炭为主，在电源结构方面今后相当长的时间内将继续维持燃煤机组的基本格局。因此火电行业是氮氧化物排放的重点行业，排放量巨大，迫切需要控制。在暂不增加脱销设备的前提下，通过运行的燃烧调整手段，控制NOx的排放量，使之符合甚至低于国家环保部下发的火电厂大气污染物排放标准(GB13223-2003)是本文探讨的主要内容。1.NOx在燃烧过程中的生成机理在氮氧化物中， NO 占有 90% 以上，二氧化氮占 5%-10% ，产生机理一般分为如下三种： 1.1 热力型 燃烧时，空气中氮在高温下氧化产生，其中的生成过程是一个不分支连锁反应。随着反应温度 T 的升高，其反应速率

6、按指数规律增加。当 T 1500 时 ，T 每增加 100 ，反应速率增大 6-7 倍。 1.2 瞬时反应型 在碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会快速生成 NOx 。 由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的 CH 自由基可以和空气中氮气反应生成 HCN 和 N ，再进一步与氧气作用以极快的速度生成，其形成时间只需要 60ms ，所生成的与炉膛压力 0.5 次方成正比 ，与温度的关系不大。 1.3 燃料型 NOx 燃料中的N通常以原子状态与各种碳氢化合物相结合，形成环状化合物或链状化合物,如氮苯C5H5N,方香胺C6H5N2等,与空气中的氮相比，其结合键内能量较小。在燃烧时很容易分

7、解出来,经氧化反应生成大量的NOx，这种NOx称为燃料NOx。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600 800 时就会生成燃料型。 在生成燃料型 NOx 过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生 N、CN、HCN 和等中间产物基团，然后再氧化成 NOx 。由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型的形成也由气相氮的氧化（挥发份）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）两部分。热力型氮氧化物生成机理：NH+O-N+OHNH+O-NO+HNH+O-N+H2ON+OH-NO+HN+O2-NO+O2.NOx的生成特点 由以上生成机理可以看出，NOx生成的最大特点就是与燃烧方式、燃烧工

8、况有关。（如图1-1 NOx排放量与温度的关系所示）NOx的生成强烈依赖于燃烧温度水平。此外与风煤比、传热和煤种以及煤、空气和燃烧产物的混合程度有关。其中，热力型和瞬时反应型两种氮氧化物都不占 NOx 的主要部分，NOx的主要来源是燃料型 NOx，它在煤粉燃烧 NOx 产物中占 60 80 。正因为这样，我们就可以通过改善燃烧方式，改变锅炉运行条件来降低NOx生成量。图1-1 NOx排放量与温度的关系3.锅炉设备及低NOX轴向旋流燃烧器介绍3.1 锅炉设备介绍广东大唐国际潮州发电有限责任公司（下称：潮州电厂）锅炉型号为HG-1900/25.4YM4，是由哈尔滨锅炉有限责任公司引进三井巴布科克能

9、源公司技术生产的超临界参数变压运行直流锅炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构型锅炉。锅炉燃烧方式为前后墙对冲燃烧，前后墙各布置3层三井巴布科克公司生产的低NOX轴向旋流燃烧器（LNASB），每层各有5只，共30只。制粉系统为HP1003型中速磨煤机冷一次风正压直吹式制粉系统。磨煤机为6台，B-MCR工况时5台投运，1台备用。每台磨煤机供布置于前或后墙同一层的5只LNASB燃烧器。前墙3层燃烧器由下往上依次对应磨煤机A、C、D，后墙3层燃烧器由下往上依次对应磨煤机E、B、F。在最上层煤粉燃烧器上方，前后墙各布置1层燃烬风口，每层布置5只，共10只燃烬风口。图3

10、-1 旋流燃烧器32 低NOX轴向旋流燃烧器介绍在低NOX轴向旋流燃烧器（LNASB）中（如图3-1 旋流燃烧器所示），燃烧空气被分成三股，一次风、二次风和三次风。一次风由一次风机提供，进入磨煤机中携带煤粉，形成一次风粉混合物，经燃烧器一次风管送入炉膛。在一次风管靠炉膛一侧的端部，设有铸造的煤粉浓缩器，用以在煤粉气流进入炉膛之前对其进行浓缩。浓缩的煤粉气流与二次风、三次风的影响配合，以保证在靠近燃烧器喉口处维持一个稳定的火焰。座落在炉膛前后水冷壁上的风箱，向每个燃烧器供给二次风和三次风。二次风和三次风通过燃烧器内同心的环形通道在燃烧的不同阶段进入炉膛，有助于NOX总量的降低和燃料的燃烬。燃烧器

11、的二次风挡板用以调节每个燃烧器的二次风量和三次风量间的比例。挡板的调整杆穿过燃烧器面板可以在燃烧器外部调整挡板的位置。二次风和三次风由各自的旋流器产生必要的旋转。通常三次风的旋流器在燃烧器装配期间就被固定在燃烧器出口最前端的位置，以便产生最强烈的旋转，尽管在一些特殊的场合，通过燃烧器面板上的操纵杆来调整它的位置也是可能的。二次风的旋流强度可以通过调节旋流器的轴向位置进行调整。旋流器的调整杆穿过燃烧面板,可以从燃烧器面调整旋流器的位置。4 NOx排放量的控制原理及措施4.1 空气分级燃烧图 4-1 分级燃烧氧量与产生氮氧化物量的比较空气分级燃烧原理是将燃料的燃烧过程分阶段完成。具体实施步骤是将燃

12、烧所需的空气分两级送入燃烧装置，从而分阶段完成燃料的燃烧过程。第一阶段，通过主燃烧器供入炉膛70%75%（相当于理论空气量的80%）的燃烧空气量，使燃料在富燃区燃料缺氧条件下燃烧生成CO。此时第一级燃烧区内过量空气系数1，因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平。因此，不但延迟了燃烧过程，而且在还原性气氛中降低了生成NOX的反应率，抑制了NOX在这一燃烧中的生成量（如图 4-1分级燃烧氧量与产生氮氧化物量的比较所示）。第二阶段，为了完成全部燃烧过程，将完全燃烧所需的其余空气以二次风形式通过主燃烧器上方的专门空气喷口送入炉膛，与第一级燃烧区在“贫氧燃烧”条件下所产生的烟气混合。此时过量空气系数1，

13、火焰温度较低，既保证了燃料在富氧条件下燃尽，NO生成量也较少。由于整个燃烧过程所需空气是分2级供入炉内，故称为空气分组燃烧法。这一方法弥补了简单的低过量空气燃烧的缺点。在第一级燃烧区内的过量空气系数越小，抑制NOX的生成效果越好，但如果不完全燃烧产物越多，可能导致燃烧效率低、引起结渣和腐蚀的可能性越大。因此为保证既能减少NOX的排放，又保证锅炉燃烧的经济性和可靠性，必须正确组织空气分级燃烧过程。4.2 潮州电厂针对空气分级燃烧采取的燃烧调整措施（1）正常运行燃烧器两侧的二次风挡板随给煤量而自动调整，可偏置10%，NOX排量超标时，可采用炉内分级燃烧，即炉内分级送风（呈“倒三角”配风），适当减小

14、下层燃烧器供风，可逐渐关小燃烧器二次风挡板至4045%，加大上层燃烧器供风，维持下层二次风挡板开度小于上层。（2）保持下层磨运行，必要时倒磨，每台磨出力尽量在50t/h以上，必要时停磨，适当降低每台磨的风量，以石子煤不大幅增大为限，维持合适的风煤比，煤粉浓度越高，NOX越低。（3）燃烬风挡板随负荷上升而开大，按300MW负荷对应10%开度、450MW负荷对应50%开度、600MW负荷对应100%开度原则调整。4.3 潮州电厂针对空气分级燃烧采取燃烧调整措施前后的数据对比分析试验前机组工况：机组燃烧煤种为印尼褐煤与塔山烟煤（7：3）掺烧，AGC投入，实发功率475MW，机组炉跟机协调投入，总燃料

15、量为220t/h，省煤器出口氧量为3.5，给水流量为1250 t/h ，A、B、C、D、E五台磨煤机运行，每台磨煤机大约带44 t/h，二次风门开度前墙由下往上依次是：A：56%，C：56%，D：56%，后墙由下往上依次是E：56%，B：56%，F：10%，前后墙燃烬风挡板开度均为30%，DCS显示NOX排量为407 mg/Nm3虽然不超过国家环保部下发的火电厂大气污染物排放标准的450 mg/Nm3，但是407 mg/Nm3已近是比较高的了。试验分3部分，分别研究燃烧器二次风门开度、燃烬风门开度、停止一台磨煤机后对NOX排量的影响，每个工况稳定后运行20分钟后采集数据，数据取自DCS系统。（

16、1） 调整二次风挡板开度及燃烬风挡板开度后的数据对比调整后二次风门开度，按照“倒三角”配风的配风方式，前墙由下往上依次是：A：40%，C：40%，D：45%，后墙由下往上依次是E：40%，B：45%，F：25%，前后墙燃烬风挡板开度均为70%，提高送风压力保持省煤器出口氧量为3.5不变。DCS显示NOX排量下降为365 mg/Nm3。（2） 在磨煤机额定出力的情况下，停止上层磨煤机运行停止D磨煤机运行后，总燃料量为224t/h，给水流量为1250 t/h ，A、B、C、E四台磨煤机运行，每台磨煤机大约带56 t/h，二次风门开度前墙由下往上依次是：A：45%，C：45%，D：25%，后墙由下往

17、上依次是E：45%，B：45%，F：25%，前后墙燃烬风挡板开度均为70%，省煤器出口氧量依然保持3.5不变。DCS显示NOX排量下降为325 mg/Nm3。4.4 降低过量空气系数燃烧所谓的低过量空气系数，指的是空气量既能满足使得燃料完全燃烧利用所需的过量的空气，同时又不会因为氧气超过所需值而产生的燃料中的氮被氧化的现象。这就要求过程在尽可能地在接近理论值的条件下进行。低过量空气系数法可以使NOX排放量降低15%20%，（如图 4-2 过量空气系数与产生氮氧化物量的关系）但如炉内氧浓度过低（2%以下），会造成CO浓度急剧增加，增加化学不完全燃烧热损失，引起飞灰含碳量增加，燃烧效率下降。因此在

18、锅炉运行时，应选取最合理的过量空气系数。图 4-2 过量空气系数与产生氮氧化物量的关系4.5潮州电厂针对降低过量空气系数燃烧采取的燃烧调整措施负荷600a14.24.23.43.02.82.62.32.22.02.0a26.26.25.04.03.83.63.33.23.03.0表4-1 负荷与氧量的对应关系氧气浓度越高，生成的NOX量相对要高些，正常运行中，氧量可压绩效下限运行，掺烧塔山煤与印尼煤期间，氧量应维持在绩效中线运行（如表4-1负荷与氧量的对应关系）。在NOX排量超标时，可以切除氧量自动，逐渐降低锅炉运行氧量，监视火检稳定、炉膛负压稳定，否则应停止降风量运行。氧量降低过程中，注意监视汽压、煤量变化，变化较多时，暂缓操作，必须监视NOX排量应不超标。4.6 潮州电厂针对降低过量空气系数采取措施前后的数据对比分析试验前机组工况：总燃料量为224t/h，给水流量为1250 t/h ，A、B、C、E四台磨煤机运行，每台磨煤机大约带56 t/h，二次风门开度前墙由下往上依次是：A：45%，C：45%，D：25%，后墙由下往上依次是E：45%，B：45%，F：25%，前后墙燃烬风挡板开度均为70%，省煤器出口氧量为3.5，DCS显示NOX排量为365 mg/Nm3。省煤器出口氧量3.53.23.02.82.6NOX排放（mg/Nm3）3253123