LNCFS燃烧系统NOx排放特性 ——1 000 MW超超临界锅炉

摘要：阐述神木煤的煤质特性和NO_x的生成机理，介绍了LNCFS燃烧系统的设计特点。并以1 000 MW超超临界锅炉为对象进行试验研究，分析了改变炉膛出口氧量、SOFA风门挡板开度、CCOFA风门挡板开度等不同工况下的NO_x排放特性。
关键词：超超临界；LNCFS燃烧系统；NO_x排放
中国分类号：TK-9 文献标识码：A   文章标号：2095-2104（2012）03-0001-02


 
 
Abstract: The Shenmu coal’s characteristics and the generation mechanism of the nitric oxides (NO_x) are expounded in this paper; the overall structure of 1000MW ultra supercritical boiler and the LNCFS combustion system are also described. A 1000MW ultra supercritical boiler is tested to analyze the emission of NO_x on the effect of such influence factors by changing the proportion of oxygen which exits at furnace outlet, altering the open degrees of SOFA windbox plate and CCOFA windbox plate.
Key words: 1000MW ultra supercritical boiler; LNCFS combustion system; NO_x emission
0引言
上海外高桥第三发电厂1 000 MW超超临界锅炉的燃烧系统采用低NO_x同轴燃烧系统即LNCFS（Low NO_x Concentric System）。实践证明，LNCFS燃烧系统能有效控制NO_x的排放浓度，正常情况下其排放浓度均小于国家环保标准的450 mg/Nm³；通过调整SOFA风门挡板和CCOFA风门挡板开度，能有效的将NO_x的排放浓度控制在250 mg/Nm³以下。
1  NOx的生成机理
煤粉在燃烧过程中生成的NO_x分为3种类型：热力型、瞬间型和燃料型见图1。热力型NO_x是空气中的氮分子高温条件下形成的产物；瞬间型NO_x则是产自碳氢基与分子氮快速反应形成的化合物，然后转变为NO_x；燃料型NO_x是煤中的有机结合氮被氧化后生成的。
研究表明，在为加控制（不分段）的煤粉燃烧中，燃料型NO_x占NO_x总排放量的80%。因此，低NO_x煤粉燃烧系统的主要方法是通过建立早期着火和使用控制氧量的燃料/空气分段燃烧技术，减少挥发分氮转化成NO_x。

 
2总体情况
2.1锅炉本体
本锅炉为超超临界压力参数变压运行螺旋管圈直流锅炉，单炉膛塔式布置形式、一次中间再热、四角切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊构造、露天布置。炉后尾部布置2台三分仓容克式空气预热器。锅炉燃用设计煤种为神木煤。锅炉总体布置见图2。

锅炉燃烧系统按配中速磨煤机的正压直吹式制粉系统设计，配置6台磨煤机，锅炉 BMCR工况时，5台磨运行，1台磨备用。每台磨煤机引出4根煤粉管道到炉膛四角，炉外安装煤粉分配装置，每根管道分成两根管道分别与两个相邻的一次风喷嘴相连，共计48只直流式燃烧器分12层布置于炉膛下部四角（每两个煤粉喷嘴为一层），在炉膛中呈四角切圆方式燃烧。
2.2设计煤种
锅炉设计煤种为神木煤（神府东胜煤），煤质参数见表1。
 
表1 神木煤参数

项目	符号	单位	数值
全水分	Mar	%	14
挥发分	Var	%	27
固定碳	Fcar	%	47
灰分	Aar	%	12
低位发热量	Qnet,ar	MJ/kg	23.42
全硫	Sar	%	0.43
灰熔点	ST	℃	1120~1250
可磨系数	HGI	—	56

 
3  LNCFS燃烧系统
3.1LNCFS设计特点
LNCFS燃烧系统，是把整个炉膛内分段燃烧和局部性空气分段燃烧时降低NOx的能力结合起来，在初始的富燃料条件下促使挥发氮物质转化成N₂。
LNCFS系统通过在炉膛的不同高度布置CCOFA和SOFA，将炉膛分成三个相对独立的部分：初始燃烧区，NO_x还原区和燃料燃尽区。在每个区域的过量空气系数由三个因素控制：总的OFA风量、CCOFA和SOFA风量的分配以及总的过量空气系数。这种改进的空气分级方法通过优化每个区域的过量空气系数，在有效降低NO_x 排放的同时能最大限度地提高燃烧效率。
3.2 LNCFS燃烧系统结构
LNTFS 的主要组件为：a) 紧凑燃尽风（CCOFA）；b) 可水平摆动的分离燃尽风（SOFA）；c) 预置水平偏角的辅助风喷嘴（CFS）；d) 强化着火（EI）煤粉喷嘴。
每角SOFA 燃烧器配有6 只风门挡板，相应配有6 只执行机构，这样每台锅炉共配有128 只执行机构，按照机炉协调控制系统（CCS）和炉膛安全监视系统（FSSS）的指令进行操作。
SOFA 喷嘴可水平调整摆角，摆角可水平调整+25°～- 25°。
图3 为SOFA 喷嘴水平调整机构示意图，当拉杆向人手方向拉出时，表示SOFA 喷嘴与燃烧器的安装中心线的夹角由0 度逐步增加，而且增加的方向与火球旋转方向相反，反之则相反。

 
CCOFA风挡板安装在最上层F层燃烧器上方，共2层，每个角配有2只风门挡板，共8只^[1]。
4  1 000 MW超超临界锅炉的NO_x排放试验研究
在某台1 000 MW超超临界锅炉上，进行分别改变炉膛出口氧量、调整SOFA风门挡板和CCOFA风门挡板开度的试验，考察NO_x排放浓度的变化情况。
4.1炉膛出口氧量变化对NO_x排放浓度的影响
当机组负荷1 000 MW时，上五层磨煤机B~F运行。在维持其他参数不变的情况下，仅通过设置氧量偏置改变炉膛出口氧量。根据图4可以看出：NO_x的排放浓度随炉膛出口氧量的上升而上升。在O₂=2.14%时，NO_x的排放浓度为248 mg/Nm³；当氧量增加到2.34%时，NO_x的排放浓度上升到335 mg/Nm³；当氧量进一步上升到2.34%，NO_x的排放浓度达到了375 mg/Nm³；之后NO_x的排放浓度随炉膛出口氧量的上升而上升的幅度有所减缓。

 
4.2  SOFA风挡板开度对NO_x排放浓度的影响
在机组负荷1 000 MW时，保持炉膛出口氧量2.2%左右，上五层磨煤机B~F运行，CCOFA风门挡板2层全开。在维持其他参数不变的情况下，仅通过改变6层SOFA风门挡板开度来调节NO_x的排放浓度。试验表明：NO_x的排放浓度随SOFA风门挡板开度增加而降低。
a) 先将CCOFA风门挡板开度固定在10%。在SOFA风门挡板开度为10%时，NO_x的排放浓度为497 mg/Nm³；当SOFA风门挡板开度为20%时，NO_x的排放浓度下降到464 mg/Nm³；当SOFA风门挡板开度逐步由30%时开大至40%、50%后，NO_x的排放浓度快速下降到了384 mg/Nm³和339  mg/Nm³；之后NO_x的排放浓度随SOFA风门挡板开度上升而下降的幅度有所减缓；b) 再将CCOFA风门挡板开度固定在90%。在SOFA风门挡板开度为50%时，NO_x的排放浓度为302 mg/Nm³；当SOFA风门挡板开度为60%时，NO_x的排放浓度下降到281 mg/Nm³；将SOFA风门挡板开度逐步由70%时开至90%后，NO_x的排放浓度继续由268 mg/Nm³下降到了248 mg/Nm³。

 
4.3  CCOFA风挡板开度对NO_x排放浓度的影响
在机组负荷1 000 MW时，保持炉膛出口氧量2.2%左右，上五层磨煤机B~F运行，SOFA风门挡板6层全开。在维持其他参数不变的情况下，仅通过改变2层CCOFA风门挡板开度来调节NO_x的排放浓度。试验表明：NO_x的排放浓度随CCOFA风门挡板开度增加而降低，详见图6。
a) 先将SOFA风门挡板开度固定在50%。在CCOFA风门挡板开度为35%时，NO_x的排放浓度为404 mg/Nm³；当CCOFA风门挡板开度为40%时，NO_x的排放浓度下降到379 mg/Nm³；当CCOFA风门挡板开度逐步由40%时开大至50%、60%后，NO_x的排放浓度快速下降到了296 mg/Nm³和274 mg/Nm³；之后NO_x的排放浓度随CCOFA风门挡板开度上升而下降的幅度有所减缓；b) 再将SOFA风门挡板开度固定在90%。在CCOFA风门挡板开度为60%时，NO_x的排放浓度为242 mg/Nm³；当CCOFA风门挡板开度为65%时，NO_x的排放浓度下降到233 mg/Nm³；将CCOFA风门挡板开度逐步由70%时开至90%后，NO_x的排放浓度继续由227 mg/Nm³下降到了214 mg/Nm³。
 

5结语
a) 随着炉膛出口氧量的上升，炉膛内燃烧区域的氧量增加，燃烧强度增强，使得NO_x的排放量也增加；b) 通过开大SOFA风门挡板，可以有效控制NO_x的生成。在炉膛出口氧量2.2%、CCOFA风门挡板在10%的工况下，将SOFA风门挡板由10%开至70%，NO_x的排放浓度由497 mg/Nm³降低至296 mg/Nm³，明显降低了约41%；c) 通过开大CCOFA风门挡板，也可以有效控制NO_x的生成。在炉膛出口氧量2.2%、SOFA风门挡板在50%的工况下，将CCOFA风门挡板由35%开至80%，NO_x的排放浓度由404 mg/Nm³降低至261 mg/Nm³，明显降低了约33%；d) 增大SOFA风门挡板或CCOFA风门挡板的开度，对降低NO_x的排放浓度的效果受互相挡板开度的制约。图5中，当SOFA风门挡板由50%增大到70%时，对应CCOFA风门挡板开度分别为10%和60%，NO_x的排放浓度分别下降了49 mg/Nm³（14.5%）和34 mg/Nm³（11.3%）。明显，在CCOFA风挡板开度较小时，调节SOFA风门挡板开度对降低NO_x的排放浓度的效果更好。同样，在图5中，当CCOFA风门挡板由60%增大到80%时，对应SOFA风门挡板开度分别为50%和90%，NO_x的排放浓度分别下降了35 mg/Nm³（11.8%）和20 mg/Nm³（8.3%）；e) 调节SOFA风门挡板开度对控制NO_x的排放浓度比调节CCOFA风门挡板开度效果更明显。由于SOFA风门有6层，而CCOFA风只有2层，所以SOFA风门对总的OFA风量的分配作用更大，垂直燃烧分级作用效果更好。
参考文献：
[1]张维侠，张建文.[J].锅炉技术,2007（6）：43-44.