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行业新闻

我国电站锅炉低NOx生物质燃烧机的应用状况及运行实绩

我国电站锅炉低NOx生物质燃烧机的应用状况及运行实绩

本文扼要介绍我国火电厂目前投用的各类低 NOx 生物质燃烧机的结构特点, 并据实测结果, 介绍了它们的 NOx 排放水平、锅炉热效率、低负荷稳燃能力等主要运行实绩。

前 言

80 年代中后期,随着我国引进的一批先进的大容量火电机组, 以及引进 ABB -CE 公司技术, 国内自行制造的 300MW 、600M W 火电机组和中美合资北京巴威公司制造的 300M W 火电机组陆续投入运行 , 低 NOx 生物质燃烧机开始用于我国的电站锅炉。此后, 我国投运的 300MW 、600MW 机组锅炉均采用了上述或经过改进的低 NOx 生物质燃烧机。

为了全面了解这批种类繁多的低 NOx 生物质燃烧机的运行实绩和 NOx 排放特性 , 自 1989 年起,电力部热工研究院在数年的时间内,对此进行了专项试验研究 ,研究的范围涉及了几乎所有已经投运的低 NOx 生物质燃烧机。

1直流低 NOx 生物质燃烧机和燃烧系统直流生物质燃烧机四角布置, 切圆燃烧是 ABB -CE 公司的传统燃烧方式, 这种燃烧方式因气送入 ,具有明显降低 NOx 排放的功能。 现以华能福州电厂 350MW 机组锅炉的生物质燃烧机为例 , 介绍这种生物质燃烧机的结构特点和降低 NOx 排放的原理及运行实绩。

1 .1.1  结构特点及降低 NOx 排放的原理

与传统的角置直流生物质燃烧机相比, 这种燃烧器最显著的特点是每只生物质燃烧机的顶部设有两层被称之为燃烬风的喷口 , 在实际运行中将约占入炉总风量的 15 %助燃空气由此喷口送入炉膛 , 此时下部主生物质燃烧机区域则处于比传统燃烧方式氧浓度低得多的气氛下, 从而即可避免过高的峰值温度 , 减少热力型NOx 的生成, 也可以抑制燃料氮向 NOx 转化的生成反应, 进而达到总体上降低 NOx 排放的目的。燃烬风的投入并迅速与燃烧产物混合 ,保证燃料的完全燃烬。

1 .1.2  运行特点

通过对锅炉多工况的燃烧调整和性能考核试验结果分析 ,发现此生物质燃烧机有以下运行特点 :

(1)燃烧效率高 。在燃用接近设计煤种的条件下(V ar =22 .8%, Na r =0 .8 %, Q net , ar=22 .4M J/kg), 飞灰可燃物含量在 1 %~3 %之间 , 大多数工况下均小于 2 %, 由此而引起的未燃碳热损失仅为 0 .5%。当然, 该炉运行时煤粉较细也是一个重要的原因。设计要求煤粉细度 R 75不大于 20 %, 而实际运行时 R75小于 15 %, 远低于我国电站锅炉燃用相同煤质的推荐值。

(2)可实现低氧燃烧 。按照设计要求,满负荷运行时省煤器出口烟气应保持 3 .6%的氧量 ,但在燃烧调整时发现,即使氧含量低至2 .5%,仍能保持很高的热效率 。

(3)低负荷性能好 。该炉保证的不投油最低稳燃负荷为 30 %BM CR(锅炉蒸发量345t/h)。在实际运行中, 即使在 27 .8%BM-CR(蒸发量 320t/h)时 ,锅炉仍能保持较长时间的稳定运行。

(4)NOx 排放量低。在进行燃烧优化调整后 , NOx 排放量可以控制在 700mg/m3(标)左右, 比燃用相同煤种的传统生物质燃烧机约低(150 ~ 200)mg/m3(标)。

1 .1.3  存在的不足

该型生物质燃烧机的 NOx 排放量仍比较高 ,据分析原因如下 :

(1)燃烬风喷口与最上层煤粉喷嘴的净距离偏小, 因此分级送风效果较差, 据介绍 ,紧靠煤粉喷嘴布置燃烬风喷口是出于制造工艺方面的原因。近年来 , 已出现了分隔布置的改进结构型式。

(2)据了解 ,这种生物质燃烧机燃烬风量通常为二次风总量的 15 %, 按此计算 , 生物质燃烧机出口过剩空气系数约为 1 .0, 大于试验研究推荐的最佳值 0 .8~ 0 .9, 这也是 NOx 排放量偏高的原因之一。

1.2带同向偏置二次风的同轴燃烧系统(CFS  )

这种燃烧系统开发于 80 年代初,其目的纯粹是为了降低 NOx 排放量, 我国华能石洞第二发电厂两台 600MW 超临界机组锅炉就采用了这种燃烧系统。

1 .2.1  结构特点及降低 NOx 排放的原理

由图可见, 这种生物质燃烧机的二次风射流轴线向水冷壁方向偏转了 25°, 在炉内形成了一次风在内, 二次风在外的同轴双切圆。二1.3  一次风反切的低 NOx 同轴燃烧系统这种燃烧系统已成功的用于上海吴泾热电厂 300M W 机组锅炉, 即将投产的外高桥电厂 300MW 机组锅炉也采用了此系统。低 NOx 同轴燃烧系统基本结构是上部燃烬风加同向偏置的二次风, 即 OFA +CFS 。吴泾热电厂燃烧系统则是上部燃烬风加反向的一次风和 WR 喷咀 ,即 OFA +CFS+WR 。

其主要特征是一次风射流形成与二次风切圆转向相反的小切圆 , 即形成一次

1 .3.3 运行实践吴泾电厂两台机组投产后 ,电力部热工研究院和机械部上海电站设备成套设计研究所共同进行了锅炉的燃烧优化调整和性能考核试验。试验结果表明:

(1)锅炉在低氧运行时有较高的经济性和较低的 NOx 排放量。300MW 负荷时 ,省煤器出口氧量可控制在 2 .5%(α=1 .14)的低水平, 且锅炉热效率可达 93 .8 %, 超过了 92 .4 %的保证值 , NOx 排放量则低于600mg/m3(标)。

(2)锅炉不投油最低稳燃负荷为 35 .7%BMCR, 短期 曾 达 到 33 .7 % BM CR (110MW)。

(3)长期运行未发现炉膛水冷壁出现结渣现象。

综上所述, 它的确是一种高效、低污染、低负荷适应能力强的燃烧系统。

1.4 燃用低挥发分煤种的低 NOx 同轴燃烧系统

在ABB -CE 公司 LNCFS 的基础上 ,上海锅炉厂的设计人员开发出了一种用于低挥发分煤种的 , 与我国传统的钢球磨煤机中储式热风送粉制粉系统相匹配的新型同轴燃烧系统 , 并已成功地用于陕西渭河电厂的300M W 机组锅炉(图 4)。

1 .4.1 结构特点

(1)炉膛四角的四组生物质燃烧机的大部分喷嘴均与水冷壁呈 45°对称布置(一次风喷嘴、三层二次风喷嘴之间两层三次风喷嘴),这些喷嘴的出口射流近于对冲。

(2)炉内气流的旋转完全是依靠一次风喷嘴之间与一次风射流呈 20°夹角(偏向水冷壁)的两层二次风射流(AB 层和 CD 层)来实流引向低浓度的内侧, 后者则起到使风粉混合物趋于均匀。此外, 在磨煤机和输粉管之间装有固定式的节流缩孔, 以均衡各只生物质燃烧机的一次风量和燃料量。

助燃所需的其余空气(二次风)经过煤粉喷嘴外围的两个圆环通道送入炉膛。与煤粉管道相邻的为内调风风道, 其流量由专门的调节器来调节控制。内调风风道装有可手动调节的旋转叶片 ,气流产生不同程度的旋转,以便在燃烧时控制煤粉与空气的混合。外调风风道在整个生物质燃烧机的最外侧, 其入口处设置有百叶窗式的调节档板 ,手动调节档板开度,可以调节外二次风的风量。

2 .1.2 降低 NOx 排放的原理

由以上对双调风生物质燃烧机的结构介绍可见,生物质燃烧机是通过控制煤粉与空气的混合,使燃烧在生物质燃烧机出口开始, 并可以将完全燃烧区调节到炉膛内的不同位置。这种延迟燃烧的方法可降低炉膛火焰峰值温度和降低燃烧强度, 并减少 NOx 的排放。此外 , 通过控制燃料与空气的混合, 使燃烧过程中的氧浓度减少到最小值, 从而也减少了燃料型 NOx 的数量。

2 .1.3 运行实绩

经电力部热工研究院的全面调整和测定,发现华能南通电厂该型生物质燃烧机由于采用了助燃空气逐步混入煤粉气流的分级燃烧方式,使燃料的着火和燃烬过程更加合理, 因此,与传统的旋流生物质燃烧机相比, 具有以下优点:

(1)锅炉热效率高。 在燃用 Va r  =22.8 %,Nar =0 .8%, Qne t ,ar =22 .4M J/kg 的晋北煤时, 飞灰可燃物含量均小于 5 %, 经优化调整,锅炉热效率可达 93 .6%。

(2)NOx 排放量低 。满负荷时的 NOx 排放量约 600m g/m3 (标)左右, 低负荷时 NOx 排放有所增加 , 但仍可控制在 650mg/m3(标), 比传统的旋流生物质燃烧机约低 400mg/ m3(标)以上 。(1)通过一次风交换可提高一次风气粉混合物的温度, 减少着火热,有利于低挥发分煤种的着火。

(2)二次风分内外两股送入,调节两者的比例, 可控制一、二次风的混合 ,保证火焰稳定和长度适中。此外 , 通过控制煤粉和空气的混合 ,延长燃烧过程 ,降低火焰温度峰值,可减少火焰中NOx 的生成。

(3)乏气和分级风的送入 ,在炉内形成助燃空气的分级补给, 既可保证燃烧初期的火焰稳定和后期的燃烬, 也可减少燃烧过程中NOx 的生成。

料完全燃烧十分有利。此外, 四角燃烧时,炉内火焰充满情况较好, 四周水冷壁的吸热量和热负荷分布比较均匀, 燃烧中心的火焰峰值温度和最大热流密度较低 , 有利于减少NOx 排放 。

为了适应环境保护日趋严格的要求及降低切圆燃烧锅炉的 NOx 排放量 , 自 1970 年起,ABB -CE 公司陆续开发了炉膛内整体空气分级生物质燃烧机(OFA)、同轴燃烧系统(CFS、CFS )、低 NOx 同轴燃烧系统(LNCFS)等低 NOx 燃烧方式。随着 300MW 、600M W机组设计和制造技术的引进 , 我国电站锅炉设计人员已掌握了上述先进燃烧技术设计方法,并对之有所发展。在目前我国大容量电站锅炉中 ,采用上述燃烧技术的数量最多,占主导地位。

1.1 带燃烬风喷嘴的角置直流低 NOx 生物质燃烧机(OFA)

这种带顶部燃烬风(OFA)喷口的生物质燃烧机开发于 70 年代中后期,经过不断的改进和完善,在大容量煤粉锅炉上得到了广泛的使用。次风射流偏置后 ,推迟了二次风与一次风风粉混合物的混合 ,有效地减少了着火段的供氧量, 从而抑制了 NOx 的生成。同时, 这种燃烧系统的分级送风方式是生物质燃烧机出口水平方向的空气分级 ,有别于 OFA 的炉膛内的空气分级。此外,这种生物质燃烧机的一次风喷口采用了 ABB -CE 公司开发的宽调节范围煤粉喷口(Wide -range coal nozzle), 这种简称为 WR的煤粉喷嘴由 90°弯头、带水平导流板的喷嘴体和带波纹型钝体的喷嘴组成, 见图 2 。煤粉气流经过 90°弯头后, 由于离心作用, 煤粉气流分离成上浓下淡两股, 60 %~ 70 %的煤粉进入上部区域 ,其余 30 %~ 40 % 的煤粉进入下部区域, 而煤粉气流中的空气基本上按各 50 %进入上下两区。水平导流板可保持两股气流分层至喷嘴出口, 从而形成所谓的浓淡偏差燃烧。电力部热工研究院对两台锅炉分别进行了三种负荷、多种工况的燃烧优化调整和性能验收试验,表 1 给出了主要试验结果。由表 1 可见,经过优化调整,三种负荷下的锅炉热效率均大于保证值, 其 NOx 排放量随负荷的增高而增大, 满负荷时的排放量也仅为 630mg/m3(标), 处于较低的水平。

此外 , 该炉具有相当好的低负荷性能。试验表明 , 其不投油最低稳燃负荷为 35 % BMCR ,其原因即与浓淡燃烧有关, 也与喷嘴出口的不规则“V”形钝体有关。凹凸不平的钝体边缘不仅增加了煤粉气流和回流烟气的接触面,也可加强附近气流的湍动强度 ,促进煤粉着火。另外, 经过钝体表面的煤粉粒子速度减低, 有利于在回流区的边界层形成局部高煤粉浓度、高温度和适当高氧浓度的所谓“三高区” ,既强化了着火,又起到稳定火焰的作用。偏差燃烧由于上部浓煤粉气流所需的着火热少,故易于着火 ,然后点燃下部的煤粉气流,因此燃烧稳定性和低负荷性能好。由于浓侧煤粉气流的空气量少, 故抑制了燃料型 NOx 的生成, 所以 , 即使其温度高 , 热力型 NOx 会增加, 但因前者起主要作用 , 因而浓侧的 NOx 生成会减少 ,淡侧煤粉气流因空气量多, 燃料型 NOx 生成增多 ,但因温度低 ,热力型 NOx 减少, 因而 NOx 生成量也有所减少。

1 .2.2 运行实践电力部热工研究院对两台锅炉分别进行了三种负荷、多种工况的燃烧优化调整和性能验收试验,表 1 给出了主要试验结果。

由表 1 可见,经过优化调整,三种负荷下的锅炉热效率均大于保证值, 其 NOx 排放量随负荷的增高而增大, 满负荷时的排放量也仅为 630mg/m3(标), 处于较低的水平。

此外 , 该炉具有相当好的低负荷性能。试验表明 , 其不投油最低稳燃负荷为 35 % BMCR ,其原因即与浓淡燃烧有关, 也与喷嘴出口的不规则“V”形钝体有关。凹凸不平的钝体边缘不仅增加了煤粉气流和回流烟气的接触面,也可加强附近气流的湍动强度 ,促进煤粉着火。另外, 经过钝体表面的煤粉粒子速度减低, 有利于在回流区的边界层形成局部高煤粉浓度、高温度和适当高氧浓度的所谓“三高区” ,既强化了着火,又起到稳定火焰的作用。

偏差燃烧由于上部浓煤粉气流所需的着火热少,故易于着火 ,然后点燃下部的煤粉气流,因此燃烧稳定性和低负荷性能好。由于浓侧煤粉气流的空气量少, 故抑制了燃料型 NOx 的生成, 所以 ,即使其温度高 , 热力型 NOx 会增加, 但因前者起主要作用 , 因而浓侧的 NOx 生成会减少 ,淡侧煤粉气流因空气量多, 燃料型 NOx 生成增多 ,但因温度低 ,热力型 NOx 减少, 因而 NOx 生成量也有所减少。

1 .2.2 运行实践

1985 年间进行了详细的试验室空气动力模拟后 ,对 CFS 所做的重大改进。

从理论上讲 , 这种燃烧方式的好处是提高了一次风煤粉气流在炉内的穿透能力, 并使其远离下方水冷壁, 从而可减轻炉内的结焦与积灰。此外 ,由于一、二次风切圆方向相反,使炉内煤粉与空气的混合极为强烈 ,煤粉离开炉膛的燃烬程度增加, 因而过剩空气系数可以降低 ,从此意义上说 ,CFS 又可称之为低过剩空气系数燃烧。

1 .3.2 燃烧系统的特点

该燃烧系统最显著的特点是通过四种手段来抑制 NOx 的生成。

(1)WR 型煤粉喷嘴所具有的浓淡燃烧特征 ;

(2)OFA 喷口所形成的炉膛空气分级送入;

(3)CFS 的分期混合原理 ,即生物质燃烧机出口水平方向的空气分级;合 ,得以实现低氧燃烧 。3结束语

自80 年代中期起,我国电力工业进入了快速发展时期 ,火电机组装机容量逐年大幅度增加。根据我国一次能源以煤为主的特点,因燃煤而造成的环境污染问题也将日益严重。很明显, 一次能源短缺和环境污染已成为制约电力工业可持续发展的重要因素。

可喜的是 ,通过技术引进和合资办厂,我国电站锅炉制造厂家已经熟练地掌握具有 80 年代先进水平的低 NOx 生物质燃烧机的设计技术和制造工艺 ,并根据我国电站燃煤的条件和运行习惯方式 , 进行适应性改造和开发。目前 , 我国新投产的 300MW 、600MW 主力机组已普遍地使用了性能较好的低 NOx 生物质燃烧机。

然而 ,为了实现到 2000 年使我国大电厂二氧化硫、氮氧化物排放量降低 20 %~ 30 % 的目标,摆在我们面前的一些难题还有待于攻克。其一是如何降低在我国电站燃煤中占相当比例的低挥发分煤种和劣质烟煤锅炉的 NOx 排放水平 ,其二是怎样降低目前在役的200 余台未采用低 NOx 措施的 200M W 、300M W 机组的 NOx 排放量。这两点还有待于从事燃烧技术研究, 电站锅炉制造和火电机组运行、管理人员的共同努力。

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点击次数:  更新时间:2018-09-23 22:26:23  【打印此页】  【关闭