華能丹東電廠低NOX 分級燃燒系統
摘要: 華能丹東電廠引進三井巴布科克能源有限公司生產的1 16218 t/ h 鍋爐, 采用低NOX 軸向旋流燃燒器(LNASB 型)
與后風口(AAP) 組合的兩級燃燒系統, 大大降低了煙氣中NOX 的排放, 在我國目前同類型投產機組中居領先地位。
關鍵詞: 鍋爐, 低NOX ,分級燃燒, LNASB, AAP
1 系統簡介
華能丹東電廠一期工程共安裝2 臺350 MW單元機組, 鍋爐為三井巴布科克能源有限公司(Mit2 sui Babcock Energy Limited 以下簡稱MBEL) 制造的亞臨界一次中間再熱、單爐膛、平衡通風自然循環汽包爐, 燃料為內蒙準格爾煤。
1.1 鍋爐簡介
鍋爐設計為П型布置, 在爐膛上部, 沿煙氣流程依次布置屏式過熱器、末級過熱器、再熱器垂直管排(再熱器熱段) 、一級過熱器、再熱器水平管排(再熱器冷段) 、省煤器。在鍋爐出口布置2 臺三分倉回轉式空氣預熱器。煙氣依次流經上述受熱面, 在靜電除塵器中經過除塵凈化后排入煙囪。爐膛膜式水冷壁在折焰角以下采用內螺紋管結構, 折焰角以上采用光管結構。主蒸汽溫度采用兩級噴水減溫控制, 再熱蒸汽溫度的控制是通過引自引風機出口到冷灰斗的再循環煙氣來實現。再循環煙氣的引入減少爐膛內部輻射熱的吸熱量, 增大對流受熱面的吸熱量。設計滿負荷時, 再循環煙氣量最小; 低負荷時, 采用調整煙氣再循環擋板, 增加再循環煙氣量, 以保持再熱蒸汽溫度。
每臺爐配有4 臺美國巴威公司(Babcock & Wilcox Co1) 制造的MPS - 89G型中速磨煤機。每臺磨煤機為一層6 只燃燒器提供風粉, 每只燃燒器配有1 臺中心風機和1 只出力為1126 t/ h 蒸汽霧化的輕柴油槍, 鍋爐最低不投油穩燃負荷為30 %鍋爐最大連續出力。
每臺爐配有2 臺回轉再生式三分倉空氣預熱器, 提供干燥原煤和燃燒用的熱空氣; 2 臺單室五電場靜電除塵器, 使粉塵排放量達到國家環保要求。
每臺鍋爐配置2 臺動葉調節軸流式送風機、2 臺入口擋板調節雙吸離心式引風機、2 臺動葉可調軸流式一次風機和2 臺密封風機。
1.2 鍋爐參數及燃料特性
鍋爐主要參數見表1 , 設計燃料特性見表2 。
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2 燃燒系統分析
該鍋爐采用兩級燃燒系統, 鍋爐共有24 臺低 NOX 軸向旋流燃燒器, 采用前后墻對沖布置。在上層燃燒器上部設有后風口(即燃燼風口) , 前后墻各6 個, 借以與主燃燒器形成分級燃燒, 進一步降低NOX 的生成量。
2.1 低NOX 軸向旋流燃燒器結構及性能
考慮到NOX 形成機理研究的各項結果, 對低 NOX 煤粉燃燒器應有如下要求:
a 使煤粉中揮發物形成率和總揮發量最大;
b 提供初始氧不足區, 使NOX 生成量最小, 但有充足的氧保證火焰的穩定性, 并減少中間氮種類, 使分子氮比率達到最大;
c 在燃燒充足的工況下, 以最佳滯留時間使氮氣形成為最大值;
d 以增加足夠的空氣的方式獲得燃料的全部燃燼。
丹東華能電廠采用的LNASB (Low NOX Axial Swirl Burner) 低NOX 軸向旋流燃燒器在滿足以上要求的前提下把分級送風技術和煤粉局部濃集燃燒法結合起來, 中和了兩者的優點, 從而達到初步降低NOX 生成量的目的。
低NOX 軸向旋流燃燒器(LNASB 型) 的結構示意圖見圖1 。
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該燃燒器燃燒風的分級是通過把燃燒風分為獨立的旋流內二次風和旋流外二次風(三次風) 來實現的, 從而形成雙調風型旋流燃燒器。旋流內二次風分別由手動套筒擋板和手動旋流器拉桿調節風量和旋流強度, 旋流外二次風僅由手動旋流器拉桿調節旋流強度, 安裝時預先將旋流器位置調整好, 運行中不能調整。在二次風壓不變的前提下, 通過改變內二次風套筒擋板位置來改變內二次風量與外二次風量的比例, 通過移動內二次風旋流葉片來改變繞過葉片的直流風和通過葉片的旋流風的比例, 最終達到改變內二次風旋流強度的目的。
煤粉局部濃集燃燒是通過安裝在一次風管爐膛端的4 個收集器來實現的。4 個收集器殼體固定在一次風管內表面上, 旋轉的一次風通過收集器, 在燃燒器出口形成4 股獨立的高煤粉濃度風粉流, 得以控制一次風環行套筒周圍風粉比的變化, 這符合分段燃燒降低NOX 生成的原則: 在煤粉著火和揮發物燃燒的區域盡量增大燃料濃度, 減小過量空氣系數。在一次風管入口裝有一煤粉分配器, 以達到均勻分配煤粉的目的, 在燃燒器尖部安裝有一個火焰保持器, 用以穩定火焰根部。
在燃燒器中心通有中心風(芯風) , 其主要作用有兩個: 一是向燃燒器中心供應充足的空氣, 以形成穩定的燃油火焰, 并防止油火焰與中心風管和油旋流器相連; 二是使空氣持續地通過中心風管, 在點火器、油霧化器和油旋流器旁經過, 并防止油滴或煤灰沉積在中心風管內。
2.2 后風口(燃燼風口) 的結構及性能
鍋爐在上層低NOX 軸向旋流燃燒器的上方分別對應布置了6 個后風口AAP (After Air Port ) 。每個后風口由一、二次風(均由二次風箱來風) 管組成, 中心一次風為直流, 用手動套筒擋板調節風量大小; 二次風為旋流, 用手動旋流器拉桿調節旋流強度。通過改變一、二次風比例及二次風旋流強度, 達到改變燃燒富氧區擾動的目的, 從而使煤粉最大限度地燃燼。后風口AAP 結構示意圖見圖2 。
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2.3 分級燃燒系統
2.3.1 分級燃燒的原理
分級燃燒是美國在50 年代末首先發展起來的, 是目前使用最為普遍的低NOX 燃燒技術之一。其基本原則是: 無論是熱反應型或燃料型NOX , 燃燒區的氧濃度對NOX 的生成量影響很大, 當過量空氣系數α< 1 時, 燃燒區處于“富燃料燃燒”狀態, 這對減少NOX 的生成量有明顯的效果。根據這一原理, 把供給燃燒器的空氣量減少到80 %的理論空氣量, 使燃燒在“富燃料燃燒”的條件下進行, 從而降低了燃燒區的氧濃度, 也降低了燃燒區的溫度水平, 這不但降低了NOX 的反應率, 同時也延遲了燃燒過程。燃燒所需的其余空氣通過主燃燒器上面的專門噴口送入爐膛, 與第一級“富燃料燃燒”產生的煙氣混合, 完成整個燃燒過程。第二級的燃燼過程是在α> 1 的條件下進行的。由于整個燃料燃燒所需空氣是分兩級供入爐內, 使整個燃燒過程也分兩級進行, 故稱分級燃燒(或稱兩級燃燒法) 。
在采用分級燃燒法時, 在第一級燃燒區內, 由于α< 1 , 第一級的空氣只能供給部分燃料燃燒, 不但使火焰溫度低, 而且火焰中還有大量未燃燒的燃料和不完全燃燒產物存在, 這不僅抑制了空氣中的氮氣和原子氧的反應, 而且燃料中氮有機化合物熱裂解產生的中間產物, 由于缺氧, 也不能進一步氧化生成NOX。所以, 第一級的“富燃料燃燒” 能有效地抑制NOX 的生成。第二級空氣選擇在煙氣溫度較低的位置送入爐內, 這時雖然α> 1 , 空氣已有剩余, 但由于溫度已經降低, 因而在第二級燃燒區內也能抑制NOX 的產生。
2.3.2 分級燃燒的實現
對于丹東華能電廠350 MW 機組鍋爐, 是通過布置兩層LNASB 燃燒器來實現“富燃料區”, 在距上層燃燒器311 m 處布置一層后風口, 以形成 “富氧區”, 從而構成LNASB 燃燒器和后風口AAP 組成的兩級燃燒系統。在燃燒設計煤種的BMCR 工況下, “富燃料區”的空氣量占燃燒總空氣量的 84 % , 其余16 %的空氣通過后風口送入。
另外, 在單個LNASB 燃燒器內部, 旋流一次風占單個燃燒器風量的25 % , 旋流內二次風占 10 % , 旋流外二次風占60 % , LNASB 燃燒器通過風的分級和在出口形成4 股高濃度煤粉流來形成局部的分級燃燒, 進一步降低NOX 的生成量。其余 5 %的空氣從一次風管的內部通過, 形成中心風 (芯風) 。
3 鍋爐試驗結果及分析
采用兩級燃燒系統的“富燃料區”中, 氧量越低, NOX 的生成量就越小, 但同時, 隨著氧量的降低, 燃燒區中缺氧越來越嚴重, 火焰將拉長, 焦碳粒難以燃盡, 飛灰中可燃物的含量將上升, 鍋爐效率將下降。所以對于兩級燃燒系統, 組織好爐膛內的流動以及各風量的配比是很重要的。華能丹東電廠機組投產后, 燃燒器經過了全面的優化調整試驗, 其目的之一就是通過改變各個風量的配比及旋流強度, 找到燃燒器的最佳運行工況, 在保證鍋爐效率的前提下盡量降低排放物中的NOX 含量。
燃燒調整結果見表3 。
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由表3 可以看出, 隨著燃燒器區域過剩空氣系數的降低, 排放物中的NOX 含量有所降低, 但飛灰含碳量有所上升, 這與理論分析的結果相符。綜合經濟性和環保指標, 選定工況3 為燃燒器的最佳工況, 這時, 二次風旋流器從旋流強度最大位置往外拉25 mm (全部拉出為55 mm) , 二次風套筒擋板為開度50 %位置, 后風口二次風旋流器在旋流強度最大位置。
燃燒調整后, 對鍋爐進行了考核試驗, 主要試驗結果見表4 。由表4 可以看出, 雖然由于試驗煤質的變化使NOx 排放量略有上升, 但仍舊低于 400 mg/ m3 , 且鍋爐效率為94156 % , 保持在很高的水平上, 這說明燃燒調整的效果是理想的。
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4 結論
由以上試驗結果可以看出, 丹東華能電廠350 MW機組鍋爐低NOx 軸向旋流燃燒器LNASB 與后風口AAP 組成的兩級燃燒系統對降低NOx 的排放量有良好的效果, 其關鍵在于燃燒器內部的局部分級燃燒和整個燃燒系統的整體分級燃燒相結合。該燃燒系統值得進一步研究。
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