分級燃燒對NO_x生成及燃燒經(jīng)濟性的影響

1、分級燃燒對NO x 生成及燃燒經(jīng)濟性的影響3I m p act of Staged Com bu sti on on Fo rm ati on of NO x and Com bu sti on Econom ics電力工業(yè)部熱工研究院文軍許傳凱(西安710032 收稿日期:19972012053全國第二屆大型火電機組運行技術(shù)學術(shù)會優(yōu)秀論文【摘要】根據(jù)一維煤粉爐上的燃燒試驗結(jié)果,研究了空氣分級燃燒對我國電站鍋爐四種典型用煤的NO x 生成特性及煤粉燃盡率的影響。分析結(jié)果表明,空氣分級燃燒可以有效地降低爐內(nèi)NO x 的生成與排放。在綜合考慮NO x 排放與燃燒經(jīng)濟性的平衡后,可以得到試驗煤種的最

2、佳參數(shù)范圍,在此范圍內(nèi)可以實現(xiàn)低NO x 高經(jīng)濟性的燃燒過程?！娟P(guān)鍵詞】煤粉燃燒空氣分級氮氧化物燃盡率Abstract Based upon the results of com busti on test 2ing on one 2di m ensi onal pulverized coal fired bo ilers ,the i m pacts of air 2staged com busti on on the fo rm ati on characteristics of NO x and burn 2up rate of pulverized coal fo r four typ

3、 ical k inds of coal fired in utility bo ilers in Ch ina w ere studied .T he result analysis indicated that air 2staged com busti on could effectively reduce the fo rm ati on of NO x in furnace and its em issi on .T h rough the overall balance of NO x em issi on and com busti on econom ics ,the op t

4、i m um param eter range of the tested coals can be obtained ,and the efficient com busti on p rocess w ith low NO x em issi on w ith in th is range can be realized .Key W ords com busti on of pulverized coal airstaged nitrogen oxide burn 2up rate0概述近年來,隨著人們對大氣環(huán)境質(zhì)量的要求不斷提高,人們對火電廠排煙中大氣污染物之一NO x 的排放限制也越

5、來越嚴格。為了降低NO x 的排放,各國紛紛開展研究,開發(fā)出了各種特點各異的技術(shù),分級燃燒技術(shù)就是其中令人矚目的一種。因為這種技術(shù)能有在不顯著提高設備投資的情況下,顯著地降低NO x 的排放,因而特別適合中國國情,在我國有廣范的應用前景。從70年代起,我國即開展了對分級燃燒的研究,取得了很大的成就。不過這些研究大都將注意力放在分級燃燒對NO x 生成排放的影響上,而較少考慮其對燃燒經(jīng)濟性的影響。事實上,燃燒經(jīng)濟性的問題始終是人們最為關(guān)注的問題之一。尤其在目前我國經(jīng)濟尚不發(fā)達的情況下,如何實現(xiàn)低NO x 高經(jīng)濟性的燃燒過程就顯得更具有現(xiàn)實意義。一般認為,空氣分級燃燒能降低NO x 的排放,但這是

6、以燃燒效率的降低為代價的。燃料燃燒不充分會產(chǎn)生氣體不完全燃燒損失和固體不完全燃燒損失。前者一般以煙氣中CO 、H 2等可燃氣體的含量來衡量,后者一般用煤粒的燃盡率來進行評價。對目前國內(nèi)興建較多的大型燃煤機組而言,一般認為在排煙中CO 、H 2等可燃氣體的含量為零,即不考慮氣體不完全燃燒損失。本試驗表明,在第五級處(即爐膛出口處,CO 的含量都已很小,因此可忽略氣體不完全燃燒損失。1試驗方法試驗是在電力部熱工研究院鍋爐環(huán)境保護研究所的一維煤粉爐上進行的。試驗系統(tǒng)如圖1所示。試驗取樣點布置見圖2。圖1一維煤粉燃燒爐1爐本體;2給粉機;3二次風預熱器;4分級風預熱器;5分級風噴口;6送風機;7引風機

7、;8除塵器;9一次風管;10二次風管;11分級風管;12浮子流量計;13煙氣冷卻器試驗時,一、二次風和煤粉從爐頂噴入爐內(nèi),垂直向下流動,分級風經(jīng)加熱器預熱后從附加級處的分級風噴嘴引入。從爐頂?shù)綘t底沿程在各取樣點測量煙氣溫度、CO 、NO 、NO 2、O 2及未燃盡燃料的含量。8 圖2試驗取樣點布置示意圖為了比較分級風對燃燒及NO x 生成特性的影響,每個煤種的試驗分成三步:第一步,所有風煤均從爐頂噴入爐內(nèi),此時空氣過剩系數(shù)為1.20,測量的各組數(shù)據(jù)作為比較的基礎;第二步,保持總的空氣過剩系數(shù)=1.20,固定一次風噴口空氣系數(shù)(指與理論空氣量的比值為0.648,從二次風中抽了一部分作為分級風,通

8、過上排分級風噴口送入爐內(nèi),并逐步加大分級風的風量。據(jù)此研究分級風量對燃燒的影響;第三步,分級風從下排噴口引入,以研究分級風引入位置對NO x 的影響。各工況試驗均在下列條件下進行:(1入爐熱量為23.1M J h ;(2總空氣過剩系數(shù)=1.20;(3電加熱控制各級壁溫最低為:一級900,附加級1000,二級1100,三級1200,四級1200,五級1100,六級1000。試驗所用煤種為河南義馬耿村高揮發(fā)份煙煤,大同永定莊煙煤,陜西銅川王村貧煤和焦作無煙煤。各煤的煤質(zhì)特性如附表所示。附表試驗煤種燃煤特性煤種C f (%H f (%O f (%N f (%S f (%V f (%W f (%A f

9、 (%Q net (J g 河南耿村60132412414171019901443812221381619223480大同永定莊7316641338106018301932818601881113128580陜西王村631013119219901823102181030147261523940焦作63126210621540194014681893104271722810試驗結(jié)果見圖38。圖中的a 3是指分級風量與理論空氣量的比值。各圖中的參數(shù)“B ”是指燃盡率。其定義為:已燃盡的可燃質(zhì)占初始可燃質(zhì)的百分比。計算式如下:圖3綜合爐膛出口各量的變化(河南義馬耿村煤B =1-A 0 A 1-A 0

10、式中A 0煤干燥基灰份;A 焦炭樣中灰份含量。2試驗結(jié)果分析圖中的曲線是試驗結(jié)果的擬合曲線。由河南義馬耿村煤分級燃燒時(a 3=0.55沿爐膛高度方向各量的變化情況,可見,隨分級風送入位置距燃燒器出口距離的加大,NO x 有顯著降低。燃燒的溫度峰值和平均水平也呈下降趨勢,而且在加入分級風前,沿程燃盡率都遠低于不分級燃燒時的燃盡率,這說明分級燃燒有效地抑制了該煤在燃燒初期的燃燒強度。圖3是分級風量和分級風送入位9置對各量的影響圖。從圖可見,隨著分級程度的加深(不論是分級風量還是分級風送入位置NO x 是逐漸降低的,對上排分級風,NO x 最多降低了37.59%,對下排分級風,NO x 最多降低5

11、5.01%。從該圖中還可看出,在各種分級程度下(分級風量和分級風送入位置煤粒的燃盡率幾乎都一樣。這是因為高揮發(fā)份的煙煤,燃盡特性很好,不論是分級還是不分級,在燃燒空氣送入后,燃盡率很快(t =2.2s 就達到96%以上。因此對這種煤,分級程度可能還可以進一步加大(即增加分級風量和將分級風送入位置再向下移。圖4綜合爐膛出口各量變化(大同永定莊煤圖4、5表示了大同永定莊煤的情況。從圖4可見,實行分級燃燒后,燃燒溫度峰值和平均水平降低了,且在B 的變化圖中,曲線2、3始終在曲線1的下方,只是到了最末兩級才重合,這說明空氣分級有效地抑制了該煤在燃燒初期的燃燒強度。這對抑制NO x 的生成有利。從圖5中

12、還可看到,在分級風量或是分級風送入位置的變化中,隨分級程度的加深,NO x 是逐漸下降的。上排送入分級風時,NO x 最多下降32.37%,下排送入分級風時,NO x 最多下降35.54%。但NO x 降低潛力已經(jīng)不大(a 3=0.55時,下排送風的NO x 排放值相對上排送風只降低了4.69%;同為下排送風,a 3=0.55時的NO x 排放值只比a 3=0.5時降低了2.13%。同時可見,在各種分級程度下,爐膛出口處的燃盡率都維持在98%以 上,且下排送分級風的燃盡率要略高于上排送分級風的燃盡率。因此,對大同煤而言,分級程度已接近最佳值。圖5綜合爐膛出口各量的變化(大同永定莊煤圖6表示了陜

13、西王村煤的情況。圖6表明,隨分級風量的增加,NO x 的排放是降低的。上排送入分級風時,NO x 最多降低了42.1%,下排送入分級風時,NO x 最多降低了33.54%。但是該煤的NO x 排放有些不同于前述兩種煤的情況,其下排分級風的NO x 排放值略高于上排分級風的NO x 排放值;下排分級風的燃盡率在分級風量變化時幾乎保持不變,與不分級的燃盡率持平,但上排分級風的燃盡率卻隨分級風量的增加而逐漸下降,以至越來越低于不分級燃燒的燃盡率,這說明下排分級風的燃燒要好于上排分級風。從下排送入分級風后。燃燒溫度迅01速升高,t =2.4s 時達到了1500,遠高于上排送風的1430和不分級的142

14、0,而且下排分級風送入后,燃盡率也迅速提高,很快就達到了不分級的水平,而上排分級風的燃盡率始終低于不分級的燃盡率。這就說明了分級風從下排噴口送入后,大大強化了煤粉的燃燒,但這種情況(氧量充足,燃燒溫度高是有利于NO x 生成的,因此下排送風的NO x 排放量要略高于上排送風的情況(a 3=0.55時,增加了14.8%。但從評價分級燃燒的指標來看(即:在不降低燃盡率的前提下,盡量降低NO x 的排放,從下排送分級風要優(yōu)于從上排送分級風。而最佳分級風位置在現(xiàn)有上、下排分級風位置之間,靠近下排噴口處,且分級風量還可以進一步加大。 圖6綜合爐膛出口各量的變化(陜西銅川王村煤圖7和圖8表示了焦作煤的情況

15、。從圖8可見。NO x 的排放值隨分級程度的加深(不論是分級風量還是分級風送入位置都是下降的。對上排分級風,NO x 最多下降8.66%,對下排分級風。NO x 最多下降23.8%。下排送分級風的燃盡率高于上排送分級風的燃盡率,且都高于不分級的燃盡率。結(jié)合圖7B 的變化曲線可見,從上排噴口送入分級風后,煤粒的燃盡率很快(t =0.8s 就高于不分級的燃盡率,而從下排噴口送入分級風后,燃盡率也迅速提高,很快(t =2.9s 接近上排送分級風時的燃盡率,到了爐膛出口(第五級就高于上排送風的燃盡率。這說明空氣分級促進了煤粉的燃燒,且下排送分級風的燃燒優(yōu)于上排送分級風。圖7中NO x 的變化曲線說明,

16、由于空氣分級促進了燃燒,曲線2、3和曲線1靠得很近,不象前幾種煤那樣NO x 有顯著地降低。不過空氣分級的效果還是存在的:隨分級程度增加,NO x 排放值是降低的,燃燒溫度峰值和平均水平也是降低的。焦作煤的情況說明,從下排送分級風要好于從上排送分級風,且分級風送入位置還可以向下移,分級風量也可進一步加大。圖7綜合爐膛出口各量變化(焦作煤對于陜西王村煤和焦作煤,從下排噴口送入分級風后燃燒反而加強了,這是由于這兩種煤均為低揮發(fā)份的煤種。燃燒性能比較差,煤粉噴入爐內(nèi)后,加熱到著火溫度的時間比較長。實行空氣分級后,煤粉在缺氧富燃區(qū)的溫度相對同級區(qū)域的不分級燃燒溫度有很大提高,這非常有利于煤粉的著火燃燒

17、和11 圖8綜合爐膛出口各量的變化(焦作煤焦炭的氣化。在煤粉著火后如能適時補充燃燒所需的空氣,燃燒就會迅猛發(fā)展。達到很高的燃燒強度。但如果分級風送入的位置太靠前,煤粉尚未著火或剛著火,焦炭也未產(chǎn)生氣化反應,此時,由于分級風相對爐膛溫度而言是股冷風,其送入對煤粉氣流有冷卻作用(這為試驗所證實,分級風送入后,煙氣溫度都有下降,這對煤粉的著火燃燒是很不利的。但如分級風送入的位置太靠后,煤粉著火燃燒后,長時間不能得到充分燃燒所需的空氣,將使燃燒拖延。因此就煤粉燃盡率而言,分級風的送入位置存在著一個最佳值。對于陜西王村煤分級風從上排噴口送入,位置就可能太靠前了。因此燃燒強度一直比較低,爐膛出口的燃盡率低

18、于不分級的燃盡率,而且隨分級風量的增加,出口處的燃盡率呈下降趨勢,(雖然此時NO x 下降幅度很大、但這是以燃盡率的降低為代價的。附加級下排噴口的位置是比較適宜的,分級風送入后,燃燒得到了強化,爐膛出口燃盡率基本維持在不分級燃燒的水平上,不過此時NO x 的排放量相對上排送風的排放量要高些,但依然低于不分級的情況。對于焦作煤,分級風不論從哪排噴口送入,燃燒都得到了強化,燃盡率均高于不分級的情況,而且下排噴口的位置更好,因為下排噴口送風的燃盡率高于上排噴口的燃盡率。3結(jié)論3.1對揮發(fā)份高的煤種,空氣分級降低NO x 的效果更大。即在相同的分級程度下(分級風量和分級風送入位置,在保證爐膛出口燃盡率不降低的前提下,揮發(fā)份越高的煤種,NO x 降低的幅度越大。(對上排送風,a 3=0.55時四個煤種的NO x 降低幅度依次為37.59%、32.37%、42.1%、8.66%;對下排送風,a 3=0.55時,依次為55.01%、35.54%、33.54%、23.8%。3.2實行空氣分級并不一定會降低煤粉的燃盡率,對揮發(fā)份高的煤種,分級前后的燃盡率變化不大。對低揮發(fā)份煤,在選取了適當?shù)姆旨夛L量和分級風送入位置