电厂锅炉低负荷运行条件下的燃烧调整方法研究

电厂锅炉低负荷运行条件下的燃烧调整方法研究

赵有

河北大唐国际王滩发电有限责任公司     河北省唐山市    063611

摘要：我国社会经济的发展对电力需求提出了更高的要求，同时电厂的生产任务也大幅增加。这就要求电厂提高锅炉的燃烧效率，优化调整锅炉燃烧，从而增加发电量，提高电厂运行的安全性和可靠性，促进电厂经济效益的最大化。

关键词：火电厂；锅炉；低NOx燃烧调整；优化措施；

一、NO，生成机理

在NOx中，NO约占90％以上，NO2约占5％～10％。燃烧过程中，产生N02的途径主要有以下3种：(1)热力型NOx：空气中的N2在高温环境中与氧气反应形成的氮氧化物，其生成浓度与温度、高温区的停留时间以及氧的分压有关。热力型Nq的生成对温度要求很高，低于1 500℃时形成速度较慢，高于1 500℃时，每增加100℃，反应速率增大6～7倍。(2)快速型NOx：也叫瞬发型Nq，多由燃料烃基化合物在欠氧火焰中与氧反应生成氰化物，其中一部分转化为NO2，这种类型的NOx浓度只占很小的比例。(3)燃料型NOx：由燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化生成的氮氧化物，其生成量与氮的含量及存在形式有关，火焰中的氧浓度对其生成影响很大，燃料与空气的混合过程同样也有较显著的影响。由Nq的不同生成机理，可以分析得知低NOx燃烧技术主要有以下几点：(1)减少燃料周围的氧浓度。包括：减少炉内过量空气系数，以减少炉内燃烧空气总量；或减少一次风量和减少挥发分燃尽前燃料与二次风的混合，以减少着火区段的氧浓度。(2)在氧浓度较少的条件下，维持足够的停留时间，使燃料中的氮不易生成NQ2而且使已经生成的N02经过均相和多相反应而被还原分解。(3)在过量空气的条件下，降低温度峰值，以减少热力NO2，如采用降低热风温度和烟气再循环等。具体方法就是：分级燃烧，再燃烧，浓淡分离燃烧，低氧燃烧和烟气再循环等。

二、分析

某300 MW锅炉机组低负荷运行时，炉膛出口NO2排放值一直偏高，综合分析此机组低Nq燃烧器的使用，影响锅炉Nq排放量除了燃用煤质的特性外，另外1个主要因素就是炉膛各区域的过量空气系数。四角切圆燃烧机组采用燃尽风(包含分离燃尽风和紧凑燃尽风)可有效降低NO2排放，达到分级燃烧的目标。分级燃烧技术的要求是在炉膛的不同高度布置燃尽风，将炉膛分成3个相对独立的区域：初始燃烧区、NO2还原区和燃料燃尽区。在每个区域的过量空气系数由3个因素控制：总的燃尽风风量、分离燃尽风和紧凑燃尽风风量的分配、总的过量空气系数。这种空气分级方法主要就是采用分级燃烧的技术，将燃料的燃烧过程分成3个阶段来完成。第一阶段：初始燃烧区。将占人炉总热量80％～85％的燃料送入a>1(a为过量空气系数)的主燃烧区域，使燃料中的N2尽可能转化为NO2。第二阶段：Nox还原区。将占人炉总热量15％～20％的燃料送人主燃烧区上部a<1的再燃区，此区域内因为过量空气不足将形成还原性气氛，可以将主燃烧区中生成的NQ还原成氮分子，同时由于过量空气系数低，炉膛火焰温度就较低，氮氧化物的生成量就会减少，使得NO2的排放浓度进一步降低。第三阶段：燃料燃尽区。通过燃尽风喷嘴将其余约20％的空气送人炉膛，在主燃烧区域上方形成氧化性氛围，可以将未燃尽的煤粉燃尽，完成整个燃烧的过程。在整个燃烧过程中，初始燃烧区因为仅燃烧80％～85％的燃料，整体燃烧温度不高，所以燃料型NO2和热力型NOx的产出都很低；Nq还原区由于氧气不足，主燃烧区域产生的N02在此区域内大部分还原为氮分子；燃料燃尽区由于空气量很大，所以燃烧温度也会降低，使得热力型NO2的产出降低，达到总体降低NO2产出的目的。针对某300 MW锅炉进行燃烧器低负荷时NO2排放偏高的问题，经详细分析，主要原因如下：(I)锅炉低负荷运行时，为了机组稳定，基本均采用多投1台备用磨煤机的方式运行，导致磨煤机出口一次风的风煤比将发生变化，在喷口的出风量不变的情况下，控制低氧量难以做到。(2)低负荷运行时，不参与燃烧配风的二次风门全关时，风门挡板仍留有一定的流通空隙，以保证10％左右的二次风通过，冷却该层燃烧器喷嘴。这是为了避免挡板全关时燃烧器喷嘴过热而被烧坏，是正常、必要的保护措施。由于锅炉在低负荷运行时，总的运行风量较小，而燃烧器停运风门全关时由于冷却的要求，冷却风量占燃烧风量的比例在低负荷时相比高负荷运行时明显增加，因此低负荷运行时的低氧量无法保证，即低负荷时主燃烧区域的低氧燃烧难以组织，分级燃烧被破坏，所以降低NO2效果不明显。(3)在该电厂NOx排放量的燃烧调整试验中，NO2排放量与主燃烧器区域的过量空气系数之间的关系，已得到验证。(4)由于该电厂300 MW锅炉在低负荷时，各区域的过量空气系数尚未得到优化，因此通过空气分级方法以降低Nq的排放没有得到有效发挥。从此机组以往低Nq燃烧改造工程的运行数据看，锅炉低负荷时氧量偏高，如在燃烧调整阶段，锅炉负荷180 MW左右时，氧量范围为4．62～5．68，偏离低氧燃烧的要求较大(低氧燃烧时氧量的典型值在3．0左右)，尤其是在126MW负荷时的氧量高达7．83，严重破坏了低氧燃烧，没有有效形成分级燃烧。这是造成锅炉低负荷N02排放值高的主要原因。

三、调整措施

1.结构改进。目前二次风门的设计是为了保护二次风喷嘴在低负荷运行时不被烧坏，在不参与燃烧的层风门全关时，挡板结构仍留有约10％的流通空隙。二考虑低负荷时冷却风占总风量比例相比高负荷时较高的问题，我们建议主燃烧器二次风门在考虑合适冷却漏风的基础上改成90。的形式，这样可以大大降低低负荷时二次风门冷却风所占比例。虽然以上的结构改进的制造成本不是很高，但因为空间问题，现场安装难度很大。如果执行机构行程没有设计余量，改造的费用和现场工作难度将会增加。

2.燃烧调整。燃烧调整主要从以下几个方面展并：(1)煤粉细度的调整。为了在低负荷时能在进一步提高燃尽风风量的同时稳定燃烧，可以根据不同的人炉煤质适当增加磨煤机出力，因为煤粉越细越有利于燃烧。(2)过量空气系数的调整。过量空气系数过大，则排烟热损失及NO2的排放量都会增加，过小则固体未完全燃烧热损失和化学未完全热损失会增大。通过调整，找到不同负荷下对应的不同的过量空气系数，对降低低负荷下N02的排放来说是非常重要的。(3)燃烧器一、二次风门及分离燃尽风风门调整。从降低NO2排放的角度来讲，在允许的情况下，燃尽风率越高对降低N眈排放越有利。在维持入炉总风量或省煤器出口氧量的前提下，不同层二次风量根据各层燃料量大小由各层风门控制，不投运的层保持关闭。同时考虑稳燃以及燃尽的前提下，调整二次风和燃尽风二次风门开度，通过调整分离燃尽风喷嘴上下摆动角度，调整一次风与分离燃尽风喷嘴的正确距离，也可以有效地降低NO2排放。(4)低负荷情况下不同燃烧器使用配合。低负荷情况下一般投运2层相邻2层燃烧器，在稳定燃烧及锅炉效率的前提下，尽可能投运低层燃烧器，这样更有利于主燃烧区域还原性气氛的形成，达到分级燃烧的目的，同样也可以降低Nq的排放量。工况B投运ABD 3层磨煤机，相比工况A投运ACD磨煤机，主燃烧区位置下移，更有利于分级燃烧，NO2排放量有所降低，由487 mg／m3降低至393 mg／m3。工况C相比工况B，同样是投运ABD 3层磨煤机，降低最上层D磨煤机出力的同时，井大燃尽风风门，在保证主蒸汽参数的前提下N瓯排放大大降低，为257 mg／m3。这证明了分级燃烧技术对降低NO2排放的作用是非常明显的。

参考文献：

[i]曾萍．电厂锅炉低负荷运行条件下的燃烧调整方法探讨.2023.