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燃烧优化调整对NOx排放和锅炉效率的影响

蔡 培,葛荣存,葛 铭,陈 辉,陈国庆,王秀军,戴维葆

(国电科学技术研究院 清洁高效燃煤发电与污染物控制国家重点实验室,江苏 南京 210023)

:为研究燃烧调整对NOx排放和锅炉效率的影响,在330 MW煤粉炉机组满负荷运行工况下,通过调整过量空气系数、SOFA风开度、二次风配风方式、周界风开度以及燃烧器摆角,测定了尾部烟道SCR入口A、B两侧的NOx排放浓度及其相关数据,并计算得到锅炉效率,研究了各因素对NOx排放浓度和锅炉效率的影响。结果表明,运行氧含量较低时能降低NOx浓度并保证较高的锅炉效率;倒塔配风的NOx排放浓度比正塔配风和均等配风分别低约9.1%和7.8%,倒塔配风最低,正塔配风最高;锅炉效率随着SOFA风开度的减小呈先上升后下降趋势,而NOx浓度呈递增趋势;随着周界风开度的逐渐增大,锅炉效率先减小后增加,而NOx排放逐渐增大,周界风开度变化7%,锅炉效率变化1%左右;随着燃烧器摆角的增加锅炉效率先呈上升后呈下降趋势,而NOx浓度呈下降趋势。

关键词:NOx排放;燃烧优化调整;锅炉效率;电站锅炉;过量空气系数;配风方式

中图分类号:TK227.1

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2018)05-0077-07

收稿日期:2018-06-29;

责任编辑:白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.18062901

基金项目:中国国电集团公司科技项目(D2017Y006)

作者简介:蔡 培(1963—),男,安徽合肥人,高级工程师,硕士,主要从事电力试验检测研究。E-mail:caipei3514@126.com

引用格式:蔡培,葛荣存,葛铭,等.燃烧优化调整对NOx排放和锅炉效率的影响[J].洁净煤技术,2018,24(5):77-83.

CAI Pei,GE Rongcun,GE Ming,et al.Effect of combustion optimization adjustment on NOx emission and boiler efficiency[J].Clean Coal Technology,2018,24(5):77-83.

Effect of combustion optimization adjustment on NOx emission and boiler efficiency

CAI Pei,GE Rongcun,GE Ming,CHEN Hui,CHEN Guoqing,WANG Xiujun,DAI Weibao

(Key Laboratory for Clean and Efficient Coal-Fired Power Generation and Pollution Control,Guodian Science and Technology Research Institute,Nanjing 210023,China)

Abstract:In order to study the effect of combustion optimization adjustment on NOx emission and boiler efficiency,the NOx emission concentration of tail flue in A and B sides was measured by adjusting the excess air coefficient,SOFA wind opening,secondary air distribution mode,surrounding air opening and burner swing angle.Besides,the boiler efficiency was calculated by recording the related data of DCS and collecting samples.Effect of combustion optimization adjustment on NOx emission and boiler efficiency was researched.The results show that NOx concentration can be reduced and higher boiler efficiency can be guaranteed by decreasing oxygen contents.The NOx emission concentration of inverted tower is 9.1% and 7.8% lower than the normal tower and equal distribution wind,respectively.The inverted tower is the lowest and normal tower is the highest.The boiler efficiency increases with the increase of SOFA wind opening and later slightly decreases,while the concentration of NOx increases with the increase of SOFA wind opening.With the increase of surrounding air opening,boiler efficiency firstly decreases and then increases,while the NOx emissions increases gradually.The boiler efficiency changes about 1% with surrounding air opening increasing 7%.The boiler efficiency firstly increases and then decreases with the increase of burner swing angle.

Key words:NOx emission;combustion optimization adjustment;boiler efficiency;;plant boiler;excess air coefficient;air distribution mode

0 引 言

我国资源秉性决定了我国中长期以煤为主的能源结构特点[1],2017年我国煤炭消耗量已超过38亿t,其中燃煤火力发电是我国煤炭资源的主要利用形式,也是我国当前的主要发电形式。

研究表明,燃烧1 t煤可产生8~9 kg的NOx[2-3],由于NOx对人体和全球生态环境危害甚大,环保排放日益引起重视。2014年出台的《煤电节能减排升级与改造行动计划》要求燃煤机组的排放标准达到燃气的排放标准[4],其中NOx排放要低于50 mg/m3,但NOx的浓度和锅炉效率有着相互矛盾的关系。为追求高效的燃烧效率和较低的NOx排放,各大电厂进行了系统的机组优化试验,因此,燃煤机组的燃烧优化调整已成为研究的重点和热点[5-6]

燃煤电厂NOx的生成主要分为热力型(thermal NOx)、燃料型(fuel NOx)、快速型(prompt NOx),其中燃料型NOx占电站锅炉NOx生成的75%~90%[7]。学者们根据不同NOx生成机理开发了不同降低NOx生成和排放的方法,主要有选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)、空气分级、燃料分级以及烟气再循环[8-10]

对于已投运的机组,降低NOx最直接、最快捷的的方法是通过燃烧优化调整实现减排的目的。岳峻峰等[11]对某电厂600 MW超超临界机组墙式切圆燃烧系统进行分析,说明油枪风对NOx的排放影响最大。尚达等[12]对1 000 MW超超临界机组进行燃烧调整,发现倒塔配风的锅炉效率最高,炉膛出口NOx排放量最低。李德育等[13]研究了炉内配风对NOx排放特性的影响,发现合理的炉内配风可使NOx炉膛出口浓度降低15%左右。杨玮等[14]对330 MW贫煤机组进行调整,认为对于燃用贫煤的机组采用SNCR+SCR的方式可提高脱硝效率。

对于不同机组其燃烧的最优方式存在较大差异,本文根据已有的工程经验,结合不同大机组的燃烧调整方案,针对330 MW典型机组进行系统性的燃烧调整优化,并得到详细的现场试验比较结果,以分析燃烧优化调整对NOx排放和锅炉效率的影响。

1 试 验

1.1 试验机组概况

本文试验对象是上锅生产的SG-1151/17.5-M4008亚临界参数汽包炉,采用自然循环、四角切向燃烧,单炉膛,一次再热,平衡通风,锅炉紧身封闭,室内布置,固态排渣,为全钢架悬吊结构π型汽包锅炉,锅炉最大连续蒸发量1 151 t/h。制粉系统采用中速磨煤机直吹式制粉系统,共设5台中速磨煤机,其中4台运行,1台备用。空气预热器进风加热方式、一次风和二次风系统均采用暖风器加热系统,锅炉主要设计参数(设计煤种)见表1。

表1 锅炉主要参数
Table 1 Main design parameters of boiler

项目BMCR额定工况(BRL)最大连续蒸发量(BMCR)/(t·h-1)1 1511 017过热器出口蒸汽压力/MPa17.5017.42过热器出口蒸汽温度/℃541541再热蒸汽流量/(t·h-1)993.6961.5再热器进口蒸汽压力/MPa3.6803.548再热器出口蒸汽压力/MPa3.5273.400再热器进口蒸汽温度/℃323320再热器出口蒸汽温度/℃541541省煤器进口给水温度/℃277275排烟温度(修正前)/℃134134排烟温度(修正后)/℃128128

1.2 试验煤样及试验设备

试验煤样的工业分析和元素分析见表2。试验所用的测量仪器主要有K型热电偶、EIC数据采集系统、testo350、顺磁氧传感器、温湿度计、气流筛分仪,靠背管、电子微压计等。

表2 试验煤样的工业分析和元素分析
Table 2 Proximate and ultimate analyses of coal sample

工业分析/%MadAadVadFCad元素分析/%CadHadOadNadSadQnet,ad/(MJ·kg-1)14.4019.0335.5131.0652.913.179.140.600.7519.93

试验中将热电偶和烟枪捆绑插入炉膛尾部烟道中,分别测量空气预热器入口和出口的温度,测试期间用testo350与烟枪管道相连测量NO、O2、CO的含量,其测量精度分别可达到±5×10-6、±0.2%、±10×10-6

1.3 试验内容

对于已投运的电站机组,影响其高效稳定燃烧和NOx生成的因素众多,主要有:① 煤种基本特性,主要指燃用煤的挥发分、含碳量、含氮量、发热量等燃料的基本特性[15-16]。② 运行参数,主要指运行过程中,一次风、二次风、燃尽风的配比关系与风速参数,以及煤粉粒度、燃烧器的摆动角度等运行中的可控参数[15-17]。③ 锅炉的结构参数,主要指机组设计的结构特性,燃烧器类型和燃烧方式以及炉膛设计的基本参数,如截面热负荷、排渣方式[18]

本文针对以上影响因素,进行了NOx排放和机组效率的耦合试验。试验前保证机组的主、副机能够正常运转,检查整个机组的严密性,保证不泄露。试验前进行炉膛及受热面的吹扫作业并对试验所用的测量仪器、仪表等进行校核和标定。

1)首先进行氧含量优化调整试验,试验时保持机组负荷稳定在330 MW,维持一次风压、二次风配风方式、周界风开度、SOFA风配风方式、燃烧器摆角、磨煤机组合等不变,改变氧含量,实测排烟温度、氧含量、NOx、CO排放浓度、大气参数,采集原煤、飞灰、大渣,并记录相关DCS数据,煤粉燃烧器布置及平面示意如图1所示。

图1 喷口布置形式
Fig.1 Nozzle arrangement

2)SOFA(分离燃尽风)风优化调整试验时保持机组负荷稳定,维持运行氧含量、二次风配风方式、周界风开度、磨通风量、燃烧器摆角、磨煤机组合等不变,研究SOFA风配风,对锅炉主要运行参数及性能的影响。试验中实测排烟温度、炉膛温度、氧含量、NOx和CO排放浓度、大气参数,采集原煤、飞灰、大渣,并记录相关DCS数据。

3)周界风开度优化调整试验时,保持机组负荷稳定,维持运行氧含量、SOFA配风,二次风配风方式、磨通风量、燃烧器摆角、磨煤机组合等不变,研究周界风开度对锅炉主要运行参数及性能的影响。试验中进行锅炉效率测试,实测排烟温度、炉膛温度、氧含量、NOx和CO排放浓度、大气参数,采集原煤、飞灰、大渣,并记录相关DCS数据。

4)燃烧器摆角优化调整试验时,保持机组负荷稳定,维持运行氧含量、二次风配风方式、SOFA风配风、磨通风量、周界风开度、磨煤机组合等不变,研究燃烧器摆角对锅炉主要运行参数及性能的影响。试验中进行锅炉效率测试,实测排烟温度、炉膛温度、氧含量、NOx和CO排放浓度、大气参数,采集原煤、飞灰、大渣,并记录相关DCS数据。

2 试验结果与讨论

2.1 过量空气系数对NOx排放和锅炉效率的影响

炉膛过量空气系数是影响燃烧过程中热力型NOx和燃料型NOx生成量的主要因素。燃料型NOx的生成机机理十分复杂,目前已知有超过250种反应形式,燃料型NOx的转化率与过量空气系数和温度成正比[7,10]。温度超过1 500 K后产生热力型NOx,空气中N2氧化转化为NOx,热力型NOx随着过量空气系数的增加而增加。为确定合适的运行氧含量,测试了不同运行氧含量下的机组效率和SCR入口A、B两侧的NOx浓度,如图2所示。

图2 运行氧含量对NOx排放和锅炉效率的影响
Fig.2 Effect of operating oxygen contents on NOx emission and boiler efficiency

由图2可知,锅炉效率随试验运行氧含量的增加呈下降趋势,而NOx随试验运行氧含量的增加而增加。由于煤粉细度偏粗,氧含量变化时,飞灰含碳量变化不明显。因此确定试验的最佳运行氧含量为2.5%,此时锅炉效率为92.94%,A侧和B侧NOx质量浓度分别为310和314 mg/Nm3

2.2 配风对NOx排放和锅炉效率的影响

配风是组织好炉内燃烧的关键,合理的配风是实现机组安全高效低排放运行的重要手段。配风降低NOx排放是基于分级燃烧的原理,通过控制不同高度不同类别风量大小,在相同负荷下,保证总的过量空气系数不变的前提下,减少下层主燃区氧含量,同时增加上部燃烧区的氧含量[8]。下部的缺氧气氛可减少燃料型NOx的生成,上部的富氧气氛可降低炉膛上部的温度,从而减少热力型NOx的生成。为寻找合理配风方案,在330 MW负荷工况和最佳运行氧含量时,分别进行了SOFA风开度、二次风配风和周界风开度调整试验。

2.2.1 SOFA风开度的影响

SOFA风率大小是通过燃尽风控制NOx生成浓度的关键[17],在最佳运行氧含量2.5%时进行了3个SOFA风开度工况(SOFA I层开度99%、SOFA II层开度99%):工况1(SOFA III层开度70%)、工况2(SOFA III层开度99%)、工况3(SOFA III层开度40%),各工况下计算得到的锅炉效率、NOx变化如图3所示,计算结果见表3。

图3 SOFA风开度对NOx排放和锅炉效率的影响
Fig.3 Effect of SOFA wind opening on NOx emission and boiler efficiency

由图3可知,锅炉效率随顶层SOFA风开度的减小呈先上升后下降趋势,NOx浓度呈增加趋势。说明运行氧含量不变时,SOFA风开度的增加会造成主燃烧器区域氧含量减少,煤粉燃烧变差,锅炉效率下降,但有利于降低NOx浓度。

由表3和图3可知,SOFA III层开度由99%变成40%时,飞灰含碳量和锅炉效率变化不大,但NOx质量浓度增加约20 mg/Nm3。SOFA III层开度为70%时,虽然NOx浓度较开度40%时降低了约40 mg/Nm3,但锅炉效率也降低约0.22%。综合锅炉效率和环保要求,最佳SOFA风开度为工况2。

2.2.2 二次风配风的影响

在最佳运行含氧量和SOFA风开度条件下进行3个二次风配风工况:工况1(倒塔配风,AA层80%、AB层35%、BC层42%、CD层45%、DE层50%)、工况2(均等配风,AA层90%、AB层45%、BC层45%、CD层45%、DE层45%)、工况3(正塔配风,AA层90%、AB层50%、BC层45%、CD层42%、DE层35%)。各工况下的锅炉效率、NOx变化如图4所示,计算结果见表4。

表3 SOFA风开度调整试验工况及计算参数
Table 3 Adjustment test conditions and calculation parameters of SOFA wind opening

项目工况1工况2工况3排烟温度/℃141.80142.90142.90排烟温度(修正后)/℃135.73135.18135.01省煤器出口氧含量/%2.502.502.50炉渣含碳量/%3.530.912.16飞灰含碳量/%5.384.544.59干烟气热损失/%4.6014.5534.550干灰渣未燃尽碳热损失/%1.7631.4021.462燃料中水分热损失/%0.1420.1280.146氢燃烧生成水分热损失/%0.2790.2510.286空气中水分热损失/%0.0130.0160.017表面辐射及对流散热损失/%0.180.180.18未测量热损失/%0.300.300.30锅炉热效率/%92.72493.17193.060修正后干灰渣热损失/%1.1710.9310.971修正后干烟气热损失/%4.9634.9424.946修正后燃料中水分热损失/%0.1690.1810.168修正后氢燃烧生成的水分热损失/%0.2610.2800.259修正后空气中水分热损失/%0.0130.0200.017修正后锅炉热效率/%92.9493.1793.16

图4 二次风配风方式对NOx排放和锅炉效率的影响
Fig.4 Effect of secondary air distribution mode on NOx emission and boiler efficiency

由图4和表4可知,倒塔配风时锅炉效率为93.53%,A、B侧NOx质量浓度分别为370 和375 mg/Nm3;均等配风时锅炉效率为93.70%,A、B侧NOx质量浓度分别为400和403 mg/Nm3;正塔配风时锅炉效率最高为93.74%,A、B侧NOx质量浓度分别为405和408 mg/Nm3。均等配风和正塔配风时的锅炉效率较倒塔配风时高约0.2%,NOx质量浓度提高约35 mg/Nm3,由于SCR喷氨量大且不均会造成空预器堵灰严重,应尽量降低NOx减少喷氨量,减缓空预器堵灰。此外,为了提高再热汽温,机组满负荷时,磨煤机的煤量采用倒塔配风,尽量维持再热汽温在540 ℃左右。而均等配风和正塔配风方式下,再热汽温均低于535 ℃,再热汽温降低对机组经济性不利。从锅炉效率、NOx综合考虑,最佳二次风配风方式为工况1(倒塔配风),此时的锅炉效率为93.53%、A、B侧NOx质量浓度分别为370和375 mg/Nm3

表4 二次风配风优化工况及计算参数
Table 4 Optimized working conditions and calculation parameters of secondary air distribution

项目工况1工况2工况3排烟温度/℃129.20128.93129.10排烟温度(修正后)/℃124.34124.05124.76省煤器出口氧含量/%3.03.03.0炉渣含碳量/%4.041.640.64飞灰含碳量/%4.884.073.94干烟气热损失/%4.2824.3024.347干灰渣未燃尽碳热损失/%0.9960.7860.740燃料中水分热损失/%0.1720.1660.166氢燃烧生成水分热损失/%0.2460.2380.237空气中水分热损失/%0.0080.0090.008表面辐射及对流散热损失/%0.180.180.18未测量热损失/%0.300.300.30锅炉热效率/%93.81894.0294.023修正后干灰渣热损失/%1.054 0.8320.784修正后干烟气热损失/%4.549 4.571 4.606 修正后燃料中水分热损失/%0.149 0.161 0.154 修正后氢燃烧生成的水分热损失/%0.231 0.250 0.239 修正后空气中水分热损失/%0.007 0.009 0.009 修正后锅炉热效率/%93.5393.7093.74

2.2.3 周界风开度的影响

330 MW负荷工况下,在试验最佳运行氧含量、SOFA风开度和二次风配风方式条件下进行3个变周界风开度工况(13%、16%和20%),周界风开度对NOx排放和锅炉效率的影响如图5所示,计算参数见表5。

由图5可知,随着周界风开度增加,锅炉效率和NOx浓度整体呈上升趋势。试验结果数据表明周界风开度变化7%,锅炉效率变化了1%左右。在周界风开度20%时,锅炉效率最高为93.20%,A、B侧NOx质量浓度分别为352和356 mg/Nm3,较其他开度下高约25 mg/Nm3,但也接近设计保证值(350 mg/Nm3)。综合考虑锅炉效率和NOx浓度,最佳周界风开度为20%,此时锅炉效率为93.20%,A、B侧NOx质量浓度分别为352和356 mg/Nm3

图5 周界风开度对NOx排放和锅炉效率的影响
Fig.5 Effect of surrounding air opening on NOxemission and boiler efficiency

表5 330 MW 周界风开度优化各工况下炉效计算参数
Table 5 Furnace efficiency calculation parameters of 330 MW surrounding air opening in different operating modes

项目工况1(13%)工况2(20%)工况3(16%)排烟温度/℃142.3139.15142.4排烟温度(修正后)/℃134.55 135.04134.58省煤器出口氧含量/%2.60 2.50 2.6炉渣含碳量/%0.88 2.64 2.04飞灰含碳量/%4.83 4.05 4.78干烟气热损失/%4.5534.6764.551干灰渣未燃尽碳热损失/%1.4931.3091.518燃料中水分热损失/%0.1390.134 0.145氢燃烧生成水分热损失/%0.2740.2640.285空气中水分热损失/%0.015 0.0110.017表面辐射及对流散热损失/%0.18 0.18 0.18未测量热损失/%0.300.300.30锅炉热效率/%92.048 93.12793.005修正后干灰渣热损失/%0.992 0.8691.008修正后干烟气热损失/%4.951 5.000 4.951修正后燃料中水分热损失/%0.163 0.172 0.163修正后氢燃烧生成的水分热损失/%0.252 0.266 0.252修正后空气中水分热损失/%0.015 0.012 0.017修正后锅炉热效率/%92.15 93.20 93.13

2.3 燃烧器摆角对NOx排放和锅炉效率的影响

燃烧器摆角是影响炉内温度场分布的主要参数[16],设置合理的燃烧器摆角是为了控制锅炉再热器出口汽温。但实际运行中,燃烧器摆角设置不当造成的机组汽温、汽压异常也时有发生,通过合理优化调整方案,控制燃烧器摆角从而改变火焰中心高度,进而直接影响主汽的温度和压力,同时影响锅炉的送煤量和风量。330 MW负荷工况下,最佳运行氧含量、最佳SOFA风开度、二次风配风方式和最佳周界风开度条件下进行了3个变燃烧器摆角工况(33%、37%和40%),摆角越大,表明摆角越低,45%表示水平。试验中将摆角放在50%时,再热汽温降至525 ℃,低温过热器出口温度由420 ℃降至412 ℃,该工况再热汽温下降较多,且长期运行对机组不利,试验无法进行。各工况下的锅炉效率、NOx浓度变化如图6所示。

图6 燃烧器摆角对NOx排放和锅炉效率的影响
Fig.6 Effect of burner swing angle on NOx emission and boiler efficiency

由图6可知,锅炉效率随燃烧器摆角的增加呈先上升后下降趋势,NOx浓度呈下降趋势,燃烧器摆角37%时,锅炉效率最高为93.20%,A、B侧NOx质量浓度分别为352和356 mg/Nm3,较摆角40%下高约25 mg/Nm3,但锅炉效率高约0.2%。综合考虑锅炉效率、NOx浓度,确定试验最佳燃烧器摆角为37%,此时锅炉效率为93.20%,A侧和B侧NOx质量浓度分别为352和356 mg/Nm3

3 结 论

1)通过优化调整炉内的过量空气系数可降低SCR进口NOx浓度,并保证较高的锅炉效率。

2)依据分级燃烧原理降低NOx浓度的3种二次风配风方案试验中,倒塔配风的NOx排放浓度比正塔配风和均等配风分别低约9.1%和7.8%,其浓度在倒塔配风时最低,正塔配风时最高。

3)SOFA风开度可有效控制煤粉的燃尽和火焰中心位置,并延长煤粉在炉内还原区的停留时间,降低NOx浓度。随着顶层周界风开度的逐渐增大,锅炉效率先减小后增加,NOx排放浓度呈逐渐增大的趋势。周界风开度变化7%,锅炉效率变化了1%左右。

4)燃烧器摆角可有效控制炉膛内火焰中心点,从而控制炉内的温度场和出口烟温,显著影响锅炉效率和NOx排放浓度,试验发现随燃烧器摆角的增加,锅炉效率先呈上升后下降趋势,NOx排放浓度呈下降趋势。

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洁净煤技术
《洁净煤技术》(双月刊)是由国家煤矿安全监察局主管、煤炭科学研究总院与煤炭工业洁净煤工程技术研究中心主办的科技期刊。
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