锅炉氮氧化物排放特性试验研究

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　　1　引言
　　锅炉燃烧特性研究，尤其是对煤质与氮氧化物排放量之间关系的研究，许多文献已有介绍[1～5]，但实验对象多仅限于实验室的滴管炉或单角炉，其结论均有一定的局限性。文[1]对大型锅炉燃烧特性进行了现场试验，并应用一维工程模型进行分析，取得了一定成功。上述文献所进行的试验研究多是燃用高挥发分的烟煤锅炉。一般来说，对于燃用贫煤及无烟煤锅炉，由于需考虑其着火稳定性及燃尽性能，因而要达到高效低污染物排放难度更大些。我国大容量锅炉中近一半为燃用贫煤(混煤)锅炉，随着环保要求越来越严格，其高效低污染问题越来越突出。本文针对2台300 MW机组贫煤锅炉、1台125 MW无烟煤锅炉氮氧化物排放特性进行了现场试验，并在实验室的小型实验炉上进行了热态实验，对煤种、运行工况与氮氧化物排放特性之间的关系作了较为深入的研究。
　　2　试验设备与试验方法
　　2.1　试验设备
　　试验设备包括2台300 MW机组贫煤锅炉、1台125 MW无烟煤锅炉及2台实验室小型实验炉。
　　炉A概况：额定蒸发量1025t/h，锅炉为单炉膛П型四角切圆炉，炉膛尺寸为14 .048 m×11.858 m×53 m，设计煤种为河南贫煤，在炉膛的四角各布置了一组直流式宽调节比摆动(WR)燃烧器，每组燃烧器由7层二次风喷嘴、5层一次风喷嘴和2层三次风喷嘴组成，每1层一次风与二次风间隔布置。一、二次风摆动角度分别为±27°和±30°。
　　炉B概况：额定蒸发量1025t/h，锅炉为单炉膛Г型四角切圆炉，炉膛尺寸为11. 76m×11.97 m×49 m，设计煤种为晋东南贫煤，WR燃烧器，每组燃烧器由7层二次风喷嘴、4层一次风喷嘴和2层三次风喷嘴组成，上部布置一层顶部燃尽风。
　　炉C概况：超高压一次再热自然循环煤粉炉，额定蒸发量420t/h，炉膛尺寸为9.6 m×8.84 m×36.2 m，设计煤种为晋东南无烟煤，WR燃烧器，四角切圆燃烧方式，每组燃烧器由5层二次风喷嘴、3层一次风喷嘴和1层三次风喷嘴组成。
　　滴管炉：长度800 mm，内径40 mm。一次风率约10%，二次风被加热至约573 K。喷口位于炉体上部，煤粉喷入燃烧室后自然下落并燃烧，炉温约1473 K，煤粉颗粒停留时间约0.5s。炉膛出口处设置烟气成分分析装置。
　　小型卧室炉：设计热负荷为33.6 MJ/h，总体积为0.35 m×0.5 m×4.0 m。送风机送出的冷风经加热器加热后，一部分直接送至燃烧室3个二次风口，另一部分携带煤粉送入燃烧室一次风口，给粉机送粉率为18～25 kg/h，一次风温和二次风温分别为473 K和573 K。沿燃烧室轴向布置10个测量孔。卧室炉系统示意图见图1。
　　2.2　试验煤质
　　试验期间入炉煤煤质分析及粒度分析见表1，主要分为3种：
　　煤1：含氮量相对高、灰份相对低的贫煤;
　　煤2：含氮量相对低、灰份相对高的贫煤;
　　煤3：无烟煤。
　　2.3　试验方法
　　(1)在炉A、炉B上进行2种煤质的变煤种试验，改变二次风量的变工况试验;
　　(2)在炉C上进行改变二次风量的变工况试验;
　　(3)在卧室炉上进行改变中二次风率的调风实验;
　　(4)在滴管炉上进行3种煤质的变煤种实验。
　　通过上述实验，探讨煤质、燃烧工况及炉体结构对氮氧化物排放特性的影响。
　　3　试验结果及分析
　　3.1　煤质影响
　　煤质对NOx排放量的影响见图2。需要说明的是，为保证不同炉型、不同煤质及不同运行工况下的测量结果具有可比性，本文所有图示的NOx排放量均已折算成6%O2条件下的质量浓度(mg/m3)。煤质对NOx排放量影响的试验结果讨论如下：
　　(1)数据表明，炉A分别燃用煤1和煤2，其NOx排放量相差约180 mg/m3;炉B分别燃用煤种1和煤种2，其NOx排放量相差约130 mg/m3。对比煤1和煤2，其挥发分与水分含量变化不大，在燃尽条件下忽略灰分对NOx排放量的影响，则NOx排放量主要受燃料氮含量的影响，试验表明，可燃基氮含量由1.4%增加到1.9%，NOx排放量约增加150 mg/m3，这一结果与文[1]基本一致。
　　(2)数据显示，在额定工况下，对于燃用相同煤　　质的炉A与炉B，NOx排放总体水平并不相同，炉B的NOx排放量明显低于炉A。这主要得益于带有OFA的分级配风方式，已有文献[6]研究分级燃烧对氮氧化物排放特性的影响。本文将在卧室炉上详细研究分级燃烧对氮氧化物排放特性的影响。
　　(3)对于燃用燃料氮含量为1.5%无烟煤的炉C，虽然采用了WR燃烧器，其NOx排放量仍远远高于国家规定的排放标准。为了保证无烟煤锅炉稳定燃烧并充分燃尽，主燃烧区必须具备高的燃烧强度，从而使炉内局部区域产生较高热负荷、较高烟气温度，这就必然生成较多的NOx。对于燃用无烟煤及贫煤的锅炉应进一步采取措施降低污染物排放量。
　　(4)由于滴管炉内温度水平较低(约1473 K)，煤粉颗粒停留时间较短(约0.5s)，其NOx排放量较实际锅炉低得多。当燃用燃料氮含量不同的煤1和煤2时，其NOx排放量明显不同，且与炉A、炉B趋势一致。当燃用无烟煤时，由于挥发份含量较低，含氮量又不高，故其NOx排放量最低，这一结论与文[2]一致。
　　3.2　过量氧量的影响
　　3台锅炉随着入炉氧量的增加，其NOx排放特性呈大致相同的趋势。这种现象可解释为：随着入炉氧量的增加，炉内燃烧区域供氧量也增加，燃烧强度加强，使炉内局部火焰温度上升，为燃料氮转化为燃料NOx提供了条件;同时，入炉氧量的增加及局部高温也导致热力NOx迅速上升，因此，总的NOx生成量随着入炉氧量的增加而增加。当入炉总风量增加到一定数量后，由于风量过大而导致局部炉温降低，此时总的NOx排放量将随着氧量的增加而降低。总之，NOx排放量先随入炉氧量的增加而增加，而后有所降低。
　　3.3　分级配风的影响
　　实验在卧室炉上进行，实验时下二次风率不变，改变中二次风率及上二次风率，从而改变燃烧前期及燃烧后期的氧浓度，以考察分级配风对氮氧化物生成特性的影响。
　　实验用煤为煤3，实验结果见图4和图5。结果显示，随着中二次风率的增加，NOx生成量明显升高，这体现了分级燃烧降低NOx生成量的燃烧特性，其原理为：在燃料燃烧的初始阶段只将理论空气量的80%的空气送入，使燃料在缺氧条件下燃烧，燃烧速度及火焰温度降低，燃料氮将分解生成大量的HCN、NHi等，可将部分已生成的NOx分解，从而降低NOx生成量;然后将剩下的空气在燃烧后期送入，使燃料燃烬，此时由于火焰温度较低，也不会生成较多的NOx，因而总的NOx生成量是降低的。
　　如前所述，炉B的NOx排放量明显低于炉A，这主要由于炉B的燃烧器设置了顶部燃尽风口。设有OFA的锅炉燃烧原理，参见文[7]。由于采用分级燃烧，煤粉在主燃烧区处于贫氧燃烧，过量空气　　系数(α≈0.8～0.9)，降低了燃烧强度，燃料NOx及热NOx生成量都将明显降低;在顶部燃尽风区，通入过量的空气，(此时α≈1.2)，煤粉将充分燃烧。许多文献表明，采用OFA分级燃烧技术降低锅炉的氮氧化物排放量，选取适当的顶部燃尽风率是至关重要的。对炉B，由于燃用挥发份不高、灰份较多的贫煤，为了保证着火稳定性及煤粉燃尽性能，试验过程中顶部燃尽风率(顶部燃尽风量占全部二次风量的百分数)仅8%左右，这使得主燃烧区过量空气系数(α约为1.0)，因此尽管炉B采用了带OFA的低NOx燃烧技术，其NOx排放量仍很高。
　　炉A、炉B、炉C均采用WR燃烧器，由燃烧器喷出的煤粉气流分为浓淡2部分，是一种内分级燃烧。在浓侧，由于氧气不足，煤粉颗粒挥发份燃烧是低NOx的，其生成的大量HCN、NH、CO等还原性气体对随后的焦碳燃烧所产生的NOx具有还原作用，在淡侧，其供氧量仍达不到煤粉完全燃烧所需的化学当量比，焦碳对已生成的NOx也有一定还原作用，故NOx生成量也会降低。总之，锅炉采用WR燃烧器，当燃用贫煤、无烟煤等低挥发分煤时有助于着火和稳燃，同时更有利于降低NOx的生成量。但现场试验表明，燃用贫煤锅炉虽然采用低NOx生成燃烧器，仍难以达到650 mg/m3的国家排放标准。
　　4　结论
　　(1)煤质对NOx生成特性有显著影响，2台300MW贫煤锅炉现场试验表明，燃料氮(可燃基)含量从1.4%升高到1.9%时，NOx生成量约增加150mg/m3;
　　(2)3台电站锅炉现场试验结果显示，随着过量空气系数的增大，锅炉NOx生成量先增加，而后有所降低;
　　(3)小型卧室炉分级配风实验表明，分级燃烧可明显减少NOx生成量，因此采用WR型燃烧器不仅有利于着火、稳燃，而且可以降低NOx排放量。同时，现场试验表明，燃用贫煤锅炉在保证煤粉燃尽性能的前提下，采用OFA分级燃烧技术亦可明显改善氮氧化物排放特性;
　　(4)试验同时表明，2台贫煤和1台无烟煤锅炉虽然采用WR型、低NOx燃烧器，但仍难以达到650 mg/m3的国家排放标准。对于贫煤锅炉采用OFA分级燃烧技术，由于需顾及贫煤的着火稳定性及煤粉燃尽性能，分级燃烧效果不如烟煤锅炉显著，故其氮氧化物排放特性的改善受到一定限制。

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