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摘要：本文从NOx的生成机理等角度综合说明应用低氮燃烧器，通过对磨煤机的不同运行组合方式、不同配方方式、不同运行氧量等主要指标进行正交试验，找出机组的最佳运行调整方式优化燃烧操作，降低NOx生成，提高燃烧效率，响应国家煤电节能减排和改造计划非常有效的举措。
关键词：低氮燃烧器；配风方式；运行氧量；磨煤机组合方式
1.概述
随着我国社会经济的发展，可持续发展战略的提出，国家2014年发布了《煤电节能减排升级与改造行动计划》， 文中要求加强新建机组准入控制，中部地区新建机组原则上接近或达到燃气轮机组排放限制（ 该排放限值的标准是烟尘，二氧碳及氮化物排放物小于10mg/m3,35mg/m3,50mg/m3）。煤的燃烧又是NOx污染的主要来源，做好大型燃煤火电机组的氮氧化物排放控制迫在眉睫。
目前控制大型燃煤火电机组的氮氧化物排放的技术措施很多，但主要倡导合理使用燃料与污染控制技术相结合，燃烧控制技术和烟气脱硝技术相结合的综合防治措施，以减少燃煤电厂的氮氧化物的排放。而低氮燃烧技术作为燃煤电厂氮氧化物控制的首选技术，也是有其研究的必要性。
NOx包括NO、NO2、N2O、N2O4、N2O5。研究表明，在燃料的燃烧过程中，NOx生成的途径主要有3类：一是燃料中的氮元素以含氮的小分子或游离氮原子的形式析出后被氧化而成的NOx，它包括挥发份均相生成和残碳中异相反应两部分，称为燃料型NOx，燃料型NOx约占NOx生成总量的80%左右；
二是热力型NOx是空气中氮分子高温条件下形成的产物，热力型NOx约占15%左右；热力型NOx的生成率主要与燃烧温度有很大关系，在燃烧温度低于1300℃时生成量很少，当燃烧温度升至1500℃时，NOx生成量随燃烧温度呈指数上升趋势。降低炉膛的燃烧温度水平可以抑制热力型NOx的生成。
三是瞬时型NOx只有在富燃料的烃类火焰中才发生，在煤粉炉中，一般其生成量很小，一般＜5%。
可见要控制煤燃烧过程中NOx的生成量，主要是降低燃料型NOx的生成量。研究表明，从煤中析出活性最强的挥发氮对燃料型NOx生成的影响最大，而被滞留在固相（煤焦）中的氮对NOx生成的影响最小。因此，低NOx煤粉燃烧系统设计的主要任务是减少挥发份氮转化成NOx。在煤燃烧过程中氮氧化物的生成量和排放量与煤燃烧方式、特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件关系密切。
2.低氮燃烧系统的燃烧调试
1、低氮燃烧器改造前数据。某电厂对锅炉进行了改前测试，测试了满负荷、80％负荷、低负荷三个工况下的的NOx排放相关数据及锅炉效率。由测试结果可知，锅炉改前燃烧状况良好，燃烧效率较高，可保持在92.5％以上。但NOx排放量在300MW满负荷工况下达到700mg/m3，80%负荷下为670mg/m3，低负荷工况达到了1l13mg/m3，锅炉整体NOx排放水平较高，远远超出了国家排放标准。
2、低氮燃烧器改后运行情况分析。在低氮燃烧器改造，就燃烧系统采用以下不同调整措施：
1）调整二次风、燃尽风。对二次风风门进行均等配风、缩腰配风、倒塔配风及正塔配风四种不同配风方式调整，从理论上来说，倒宝塔配风工况NOx浓度最低，而正宝塔配风最高，均等配风居中，这主要是因在倒宝塔配风的情况下，风量上移使主燃烧区的还原性气氛得到加强，更多的氮朝N2方向转化。但调试结果显示随着风量的下移(正宝塔配风)，NOx排放浓度基本不变，这可能是因二次风门开度均不高，不同的配风方式对风量的上移影响有限，从而对NOx排放浓度有限。
2）变氧量试验数据分析。机组在满负荷下运行时，保证二次风配风方式、运行磨煤机组的型号，燃尽风门开度不变，在此基础上改变炉膛出口氧量由3.5％～2.5％，每降低0.2％进行一次测试不同氧量条件下锅炉热效率及NOx排放量的变化情况，测量结果显示，在相同燃尽风率下或相同磨的运行方式下，随着给风量（O2）的增加，NOx排放浓度随之增加，锅炉的效率也有所波动，调试结果显示：当炉膛出口氧量在2.5％时， NOX 排放浓度达到350mg/m3， 但锅炉的效率相较炉膛出口氧量2.8％时有所降低。在考虑锅炉经济性的前提下，维持出口氧量在2.8％时锅炉效率最高达到92.56％，此时NOx排放值为365.33mg/m3。
3）变磨煤机试验数据分析。针对电厂经常进行变磨组运行的特点，安排共6个工况试验(停运A磨、停运B磨、停运C磨、停运D磨、停运E磨试验l、停运E磨试验2)，其中停运E磨试验2时，减少了各磨煤机的一次风量。通过对六个工况进行比对分析，得到如图1所示各工况下的NOx排放量和效率。
图1变磨煤机试验的锅炉效率及N0x排放量变化图
由图1可知，磨煤机的运行方式对锅炉NOx排放浓度的影响较大。当锅炉以4台磨煤机的运行方式运行时，在相同燃尽风率下，基本呈现停下层燃烧器时NOx浓度较高，停运上层燃烧器时NOx浓度较低，而尤以停E磨时的NOx排放浓度最低。当停运A层燃烧器时，一方面火焰中心相对靠上，炉内温度水平较高，另一方面关停的A层燃烧器由于需要冷却，附近的周界风减少较少，辅助风没有随之减少，所以更多的空气从下部燃烧区域往上流动，而煤粉颗粒由于相对较沉，二者在这种情况下混合较好，主燃烧区域的还原性气氛减弱，这些因素使停运A层时NOx排放浓度较高。而停运E2组燃烧器时，相当于更多的燃料在下部区域以相对较少氧气的还原性气氛下燃烧，同时燃料的下移使炉内燃烧空间更加充分的利用，火焰中心下移，温度水平降低，这都有利于减少NOx的生成。
在停用A、B、C层磨煤机时，表现为停运B、C层磨煤机的NOx排放浓度最大于停运A层时的NOx排放浓度，这是由于最下层二次风需要保证把分离出来的煤粉托起继续燃烧，因此通常风门开度较大，供应的氧气使A层一次风喷口常处于富氧燃烧的情况。当停运A层时，下二次风A层燃烧器喷口的氧量虽使B层富氧燃烧，但B层以上仍可形成有效的还原性气氛。当停运B层时，下二次风供应的氧气使A层在富氧条件下燃烧，同时，B层的二次风向上流动增加了C层煤粉燃烧时的供氧量，增加了NOx的生成量。当停运C层时，C层的二次风向上流动增加了D层煤粉燃烧时的供氧量，削弱了D层煤粉燃烧时的还原性气氛。
比对停运E磨试验1和停运E磨试验2可知，试验2的NOx排放浓度要比试验1低。这主要是因在停运E磨试验2时，主要是单层磨煤机提供的煤量变化不大时，而一次风却相对的减少，更多的风量以二次风的形式供给燃烧。这强化了一次风中的富燃料气氛，有利于抑制NOx的生成。
非满负荷试验分析。在80%工况下，选用300MW下最优配置，推荐氧量为3％左右。另外在相同条件下，运行E磨的情况下NOx由380mg/m3升高到415mg/m3，由此可知，E磨的运行在80%负荷下NOx将升高35mg/m3。
3、热态调试分析。通过对氧量变化、磨煤机组合、二次风和燃尽风风门开度的调整及优化。得到对锅炉满负荷时运行的建议：氧量控制在2.7～2.8％，配风方式按缩腰配风，4台磨煤机运行，E号磨煤机备用。调整稳定后，通过观察主控SCR脱硝系统图，SCR入口(炉膛出口)NOx折算值，可将NOx控制在320～350mg/m3左右，燃尽风风门不再进行调整，稳定运行即可。二次风的辅助风门可根据运行情况，适当调整开度(10％左右的调整量)来控制飞灰和炉渣。在锅炉运行中汽温、减温水等运行参数均满足额定值。比对改前满负荷工况下NOx排放量为700mg/m3，效率为92.82％。改后推荐工况下NOx排放量降到337mg/m3，效率为92.6％。改后锅炉运行稳定，在保证效率的前提下，NOx排放量降幅达到50％以上。非满负荷工况下NOx排放量也得到较明显减少，锅炉运行稳定，效率与改前基本持平。
3.结论
通过对不同氧量的调节和控制，分别测试了飞灰含碳量、再热器温度、锅炉效率等主要运行参数，找出了不同工况下锅炉参数的变化规律，确定了最佳运行氧量；同时对磨煤机的不同运行组合方式、不同配方方式、不同运行氧量等主要指标进行正交试验，找出机组的最佳运行调整方式优化燃烧操作，改进后在80%工况，炉膛出口氧量2.8%，4台磨煤机运行，E号磨煤机备用的前提下，NOX排放量为337mg/m3，效率为92.6％， 可见应用低氮燃烧器， 并应用相应的燃烧调整可以降低NOx生成，提高燃烧效率，降低了供电煤耗，节约了生产成本，并能减轻炉膛的结渣是响应环保部排放限制要求非常有效的措施，也是经济效益显著，宜于企业长远发展的举措。
参考文献：
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论文作者:蔡琴
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/25
标签：锅炉论文; 工况论文; 氧量论文; 浓度论文; 方式论文; 效率论文; 炉膛论文; 《电力设备》2018年第25期论文;