锅炉燃烧调整讲义.doc

第一章 低NOx排放技术 电站锅炉NOX排放控制标准限于成本的考虑，中国火力发电燃煤锅炉主要考虑燃烧控制技术。根据不同燃煤燃烧时NOX排放控制可以达到的技术水平，确定火电厂大气污染物排放标准。火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度执行表1-3规定的限值。为了满足火电厂大气污染物排放标准规定的NOX排放要求，国产燃煤锅炉主要采用低NOX燃烧器和分级燃烧技术，其经济性最好。表2-11 火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度 单位：mg/m3时段第1 时段第2 时段第3 时段实施时间2005 年1 月1 日2005年1 月1 日2004年1 月1 日燃煤锅炉Vdaf10%15001300110010%Vdaf 20%1100650650Vdaf 20%450燃油锅炉650400200燃气轮机组燃油150燃气80第一节 NOx生成机理燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO和NO2，通常把这两种氮的氧化物称为NOx。其中NO占90%以上。国内外对煤燃烧过程中NOx的生成机理做了大量的研究，对NOX的生成机理及其影响因素都比较清楚了。由于氮的键能不同，以及与氮进行反应的介质成分不同，因而NOx的生成有三种不同的机理：热力NOx，它是燃烧过程中空气里的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物，它占总的氮氧化物的（2050）%；快速NOx，它是燃料中的碳氢化合物CHx与空气中的N2，在过量空气系数为（0.70.8）时，由预混燃烧生成，其生成地点不是发生在火焰面的下游，而是在燃烧初期的火焰面内部，而且反应时间极短，在实际燃烧装置中，快速NOx量很少，就煤粉炉而言，小于5%；燃料NOx，它是燃料中所含的氮化合物，在燃烧过程中氧化而生成的氮氧化物，它占总的氮氧化物的75%左右。NOx生成的最大特点就是与煤的燃烧方式、燃烧工况有关系。NOx生成量强烈地依赖于燃烧的温度水平，此外与风煤比，传热和煤种以及煤、空气和燃烧产物的混合程度有关。正因为这样，可以通过改善燃烧方式，改变锅炉运行条件来降低NOx生成量。下面分别简述3种类型NOx的生成机理及主要影响因素。1热力型NOx热力型NOx系燃烧过程中空气中的氮和氧在高温中生成的NO及NO2总和，其总反应方程为：N2+O2=2NONO+1/2O2=NO2这一机理又称捷里多维奇（Zeldovich）机理，依照这一机理，空气中的N2在高温下氧化，热力型NO并非按上述方程直接生成，系以一组不分支链锁反应进行。氮原子只能通过N+N2=N+NO产生，而不是由氮分子分解产生。影响热力氧化氮生成的主要因素是温度、氧浓度以及在高温区的停留时间。其中温度对热力NOx生成速率的影响最大，热力NOx的生成速率与温度几乎呈指数的关系。氧浓度增大和在高温区停留时间的延长，都会使热力NOx生成量增加。在典型的煤粉火焰中，热力NOx占总NOx排放量的20%左右。对实际煤粉锅炉，燃烧温度的降低，以及温度分布均匀化，都能有效地降低热力NOx的生成。由于氧原子与N2反应的活化能比氧原子与火焰中可燃成分反应的活化能高的多，而且氧原子在火焰中存在时间较短：故火焰不会产生大量的NO，NO的生成反应系在燃料中可以燃烧部分基本烧完之后的高温区进行。由于热力型NO生成的活化能很高，在1500以下几乎观测不到NO的生成反应，当温度超过1500时，温度每上升100，反应速度将增加67倍。热力型NOx可占生成总量的25%30%。NO生成反应速度与温度呈指数规律外，还与N2浓度成正比及O2浓度的平方根成正比，并与停留时间有关。要控制热力型NOx的生成，则必须降低燃烧温度；避免产生局部高温区；缩短烟气在高温区停留时间以及降低烟气中氧的浓度。2燃料型NOx煤中的氮原子与各种碳氢化合物结合成氮的环状或链状化合物，如C5H5N、C6H5NH2等。煤中氮有机化合物的C-N结合键能较空气中氮分子的N三N键能小得多，在燃烧时容易分解。从氮氧化物生成的角度看，氧更容易首先破坏C-N键与氮原子生成NO。煤燃烧时燃料型NOX约为NOX生成总量的7590%。在一般燃烧条件下，煤中氮有机化合物先被分解成氰（HCN）、氨（NH3）和CN等中间产物，作为挥发分而析出，称为挥发分N；而残留在焦碳中的氮，称为焦碳N。挥发N要比其它挥发分析出要晚一些，一般当挥发分析出1015%时，挥发分N才开始析出。燃料N转化为挥发分N的比例与煤种、析出时的温度及加热速度有关。在挥发分氮中，HCN与NH3所占比例与多种因素有关：对于烟煤，HCN比例一般大与NH3，劣质烟煤则以NH3为主，无烟煤挥发分N中HCN与NH3均较少；煤中燃料N以芳香环结合时，挥发分N以HCN为主，燃料N以胺的形式存在时，NH3是主要的热解初始产物；挥发分N中HCN及NH3产率随温度增高而增加，但温度超过10001100时，NH3含量达到饱和；随温度上升，燃料N转化为HCN的比例大与转化为NH3的比例。燃料型NOX的反应机理较热力型复杂的多，两种形态的氮氧化物HCN及NH3以不同的反应途径生成NO，同时伴随NO还原为N2的反应。HCN氧化为NCO后，可能有两条反应途径，取决于反应条件。在氧化性气氛中，NCO会进一步氧化生成NO；而在还原气氛中，NCO会反应生成NH。NH在氧化气氛中会进一步氧化生成NO，成为NO的生成源，同时，又能与已生成的NO进行还原反应，使NO还原为N2。NH3可能作为NO的生成源，也可作为NO的还原剂。NH3与OH、O及H反应生成NH2，NH2再与OH及O、H反应生成NH。NH会被氧化生成NO；而NH也可直接与NO反应还原为N2及OH或H2O；NH与OH及O反应还可以生成原子N，原子N与NO可反应还原生成N2及O。在通常燃烧温度下，煤粉燃烧时由挥发分生成的NOX占燃料型NOX的6080%。而由焦碳生成的NOX则占2040%。焦碳N生成NOX的情况较复杂，与氮在焦碳中NC、NH之间的结合状态有关。有人认为焦碳N是通过焦碳表面多相反应而生成NOX；也有人认为焦碳N与挥发分N一样，是首先以HCN及CN的状态析出后氧化生成NOX的。但研究表明，在氧化性气氛中，随着过量空气的增加，挥发分NOX增长迅速，明显超过焦碳NOX的增长。这可能由两方面原因所致：焦碳N生成NOX的活化能较碳氧反应的活化能大，故焦碳NOX是在火焰尾部生成，其所处烟气的氧浓度较低，再加上因温度较高，可能焦碳中的灰熔融而使焦碳反应表面减少，致使焦碳NOX生成量减少；另一方面，焦碳表面具有还原作用，在碳及煤灰中CaO的催化作用下，可促进焦碳NOX还原。3快速型NOX快速型NOX是弗尼莫尔1971年发现的。碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会瞬间快速生成NOX。与热力型及燃料型不同，快速型NOX是燃料燃烧时产生的烃类等撞击空气分子中N2分子而生成CN、HCN等再被氧化成NOX。在碳氢化合物燃烧时，特别是富燃料燃烧时，会分析出大量的CH、CH2、CH3、C2等，会破坏N2的分子链而生成HCN及CN等，该组分反应活化能较低，故反应速度较快。HCN、CN与O、OH反应生成NCO，NCO被进一步氧化后生成NO。有一种观点认为90%的快速型NOX是通过HCN生成的。此外，研究发现火焰中HCN达到最高值转入下降阶段时，存在大量的氨化物，这些氨化物和氧原子等快速反应而生成NO。由前述可见，快速型NOX来源于空气中的N2，类似于热力型；但NO的生成机理却与燃料型相似，在HCN生成后与燃料型NOX生成途径基本一致。快速型NOX生成对温度不敏感，一般情况下，对不含氮的碳氢燃料在较低温度燃烧时，才重点考虑快速型NOX，如内燃机的燃烧过程，对煤粉燃烧，快速型NOX生成量占总生成量的5%以下。可以看出，NOX生成的最大特点就是与煤的燃烧方式、燃烧工况有关系。NOX生成量强烈地依赖于燃烧的温度水平，此外与风煤比，传热和煤种以及煤、空气和燃烧产物的混合程度有关。正因为这样，可以通过改善燃烧方式，改变锅炉运行条件来降低NOX生成量。4. N的转化率燃料型NOX系由燃料氮生成，但并非全部燃料N在燃烧过程中最终都生成NOX，已生成的NO还会被破坏还原。即便在不加控制的情况下，也只有一部分燃料N最终生成NOX，其余先以NH3形式分解出来，再转化为N2。下图所示为煤粉火焰中燃料型NO的生成及还原过程。转化率与燃料特性及燃烧条件有关。（1)与燃料特性的关系燃料中含氮量增加时，虽然生成燃料型NO，增加，但转化率却减少：煤的燃料比FCVdaf(固定碳与挥发分之比)越高，NO的转化率越低。图732所示为9种烟煤(为266502)燃料中氮含量与转化率CR的分布；图733所示为前述9种煤燃料比与转化率CR的分布。煤的挥发分升高，生成NO浓度的相对值降低，这是由于挥发分中烃(CH)成分对NO的还原反应所致。燃料中氮含量与转化率CR的分布（2)与过量空气系数的关系几乎所有试验都表明：过量空气系数越高，NOx的生成浓度和转化率也越高。图736所示为9种烟煤试验得出的过量空气系数对NOx生成量影响曲线；图737所示为过量空气系数对不同挥发分煤种NOx转化率CR的影响。由图737可见，在过量空气系数大于1时，挥发分越高，转化率CR越大；但在小于l时高挥发分煤的转化率CR反而降低。这是由于挥发分烃的还原作用以及挥发分燃烧使氧量降低所致。第二节 低NOx排放燃烧技术控制NOX方案来源于对其机理的研究。控制措施分为一次及二次措施，一次措施指在燃烧过程中采用的措施，系在炉膛内实现，为低NOX的燃烧技术；二次措施为净化烟气的脱硝技术，系在燃烧后对烟气中加入还原剂及催化剂吸收已生成的NOX。一般一次措施最多只能降低NOX排放值的50%，当环保要求降低到40%以下时，则应加二次措施，二次措施与一次措施一般同时采用。低NOX燃烧技术的要点是抑制NOX的生成，并创造条什使已生成的NOX还原。对煤粉燃烧锅炉，燃烧温度在1350以下，几乎没有热力型NOX生成，只有当燃烧温度超过1600，热力型NOX可到2530，而快速型NOX仅占5，故对煤粉燃烧主要是控制燃料型NOX图741为低NOX燃烧技术的原理简图，其要点是对燃料型NOX生成各途径造成还原性气氛，控制其生成，促进其还原，该图中用粗黑箭头表示了以还原性气氛使燃料N转化为分子氮(N2)的方向。目前对降低氮氧化物生成和排放已有了一些有效燃烧控制的技术措施，主要有以下几类。一、低氧燃烧低氧燃烧是控制NOX排放量最简单的方法。对燃烧器及燃烧系统不需作任何改动，仅在运行中控制入炉风量，使煤粉燃烧过程尽可能接近理论燃烧空气量下进行。采用低氧燃烧方案可使NOX排放量降低2030。该方案实际应用时受条件限制。炉内氧量过低，将使飞灰含碳量增加，对难燃及较难燃的煤种更为明显；另外，还会使排烟CO浓度增加，这都会使锅炉效率降低。还有一个问题是，对某些锅炉，低氧燃烧时导致主蒸汽或再热蒸汽温度偏低。具体实施时要根据燃刚煤种，锅炉效率降低幅度及汽温等性能确定适宜的炉膛出口(或省煤器处)烟气氧量控制值。二、空气分级燃烧技术将助燃空气分成多股，使其逐渐与煤粉混合燃烧，这样就可降低见局部区域的空气燃料比，煤在热分解和着火阶段，由于缺氧，因而氮氧化物的生成受到抑制。空气分级可以在燃烧器内实现，也可在锅炉内完成。将完全燃烧所需的85%空气量引入主燃烧器，使主燃烧器区域的燃烧在氧气不足、燃料富集的工况下进行。由于氧气量不足，火焰温度较低，氮氧化物的生成量就较少，燃料氮生成的中间产物（如NCH，NH3等）也会因此而无法氧化成为NOX。同时，已经生成的NOX还可能在还原性气氛中还原成分子氮（N2），其结果就减少了NOX的排放量。上部设置二层顶部燃尽风（OFA）喷口，通过它将其余的约15%的空气送入炉膛，避开了高温火焰区，还可以使未燃尽的炭粒燃尽，完成整个燃烧过程。1实验研究结果（和煤种有关）在燃烧空气总量不变，而第一级燃烧区内空气系数降低时，NOX生成量明显降低，而且燃料中含氮量越大，NOX生成量也越大。当一级燃烧区内空气系数小于06时，烟气中HCN、NH3浓度增加，这固然有利于NO的还原：但还会有大量的HCN、NH3进入第二级燃烧区(燃尽区)，在该区被氧化生成NO，而且焦炭N也在第一级燃烧区内随过量空气系数减少而增加。另外，第一级燃烧区过低的过量空气系数还会使未完全燃烧损失增加，并引起燃烧稳定性变差等问题。故第一级燃烧区空气系数一般不宜低于07，具体控制数值要通过试验确定。一级燃烧区内的空气系数0651时温度升高则会使NO值增加。 对该种低挥发分烟煤，在为0.85时，不同的停留时间会达到不同的NO排放值；当停留时间增加到4s之后，NO降低则不明显。而对试验所刚高挥发分烟煤，在0.750.85之间，停留时间增加到3s之后，NO的降低则不明显。第一燃烧区内停留时间由第二级燃烧区的位置，即燃尽风(Over Fire Air-OFA)引入位置所决定。当为0.75时，OFA由距燃烧器l m引入，在进入燃尽区后NOX值有所增加，说明在第一级区域内停留时间不足，在进入燃尽区还会生成一定量NOX。可见OFA引入位置与共同决定NOX可降低的程度。2直流燃烧器四角切圆燃烧系统中分级燃烧的实现容易实现，将部分二次风上移。上海锅炉厂600MW分级燃烧装置：在主风箱上部布置有SOFA（Separated OFA ，分离燃尽风）燃烧器，包括5 层可水平摆动的分离燃尽风（SOFA ）喷嘴。SOFA 燃烧器立面布置见图2-7，SOFA 燃烧器角部见图2-8。采用CCOFA 和SOFA 实现对燃烧区域过量空气系数的多级控制。图2-7 上郭600MW超临界锅炉SOFA 燃烧器立面布置3旋流燃烧器对冲燃烧系统中分级燃烧的实现旋流式煤粉燃烧器也是一种很常用的燃烧设备，分级燃烧亦可在其上实现，也能取得很好的效果，可以将助燃空气分为一、二、三次风从燃烧器分级喷入，保证较低的NOX排放量。燃尽风与主燃烧火焰气流混合较难，需要采用特别的技术措施。燃尽风采用优化的双气流结构和布置形式。燃尽风风口包含两股独立的气流：中央部位的气流是非旋转的气流，它直接穿透进入炉膛中心；外圈气流是旋转气流，用于和靠近炉膛水冷壁的上升烟气进行混合。外圈气流的旋流强度和两股气流之间的分离程度由一个简单的调节杆来控制。调节杆的最佳位置在锅炉试运行期间燃烧调整时设定。这样，可通过燃烧调整，使燃尽风沿膛宽度和深度同烟气充分混合，既可保证水冷壁区域呈氧化性特性，防止结渣；同时可保证炉膛中心不缺氧，达到高燃烧效率。三、烟气再循环燃烧技术将锅炉尾部烟气抽出，掺混到一次风中，一次风因烟气掺混后其氧浓度降低，同时低温烟气还会使火焰温度降低，也能使氮氧化物的生成受到抑制。但这一方法会引起煤粉燃烧不稳定，甚至灭火。最近有的在燃烧器中采用高温烟气再循环，这样既能抑制氮氧化物的生成，又能提高煤粉燃烧的稳定性。四、煤粉浓淡分离燃烧技术将一次风输送的煤粉用离心分离法分为浓度不同的浓、淡粉风流。在着火燃烧的初期，空气燃料比低的浓粉对抑制氮氧化物生成有利。但从整个锅炉燃烧过程来看，煤粉空气混合越均匀，燃烧效果越好，将煤粉浓淡分离就对炉内后期的煤粉与空气混合不利，会使飞灰含碳量增加，效率降低。此外，在煤种不同，负荷不同的条件下，煤粉浓、淡程度难以控制。五、燃料分级（或再燃）燃烧法向炉内燃烬区再送入一股燃料流，使煤粉在氧量不足的条件下热分解，所生成的中间产物可将NOX还原为N2，也可在燃烧器出口的热分解区、着火区，使已生成的NOX回流，并与热分解产生的中间产物反应使NOX还原。但这种方法往往会使分级送入燃烬区的煤粉难以燃烬，从而影响燃烧效率。再燃烧法的特点是，将燃烧分成三个区域：一次燃烧区是氧化性或稍还原性气氛（1）；在第二燃烧区，将二次燃料送入还原性气氛（1），因而生成碳氢化合物基团，这些基团与一次燃烧区内生成的NO反应，最终生成N2，这个区域通常称为再燃烧区。二次燃料称为再燃燃料；最后再送入二次风（），使燃料完全燃烧，称为燃尽区。六、低NOX煤粉燃烧器在燃煤粉锅炉NOX排放量的燃烧控制技术的研究中很重要的一个方面是开发出高效低NOX排放的燃烧器，为此目的国内外开发出各种高效低NOX排放燃烧器，主要有以下几类：Babcock双调风燃烧器。该燃烧器的特点是，通过控制煤粉与空气的混合，使燃烧从燃烧器的出口开始，将完全燃烧区调长。这种延时燃烧的方法可降低火焰温度峰值来减少NOX排放量。根据我国南通电厂使用该燃烧器的情况看，在燃用收到基挥发分为22.8%的晋北煤时，锅炉效率为93.6%, 满负荷是NOX排放量为600 mg/m3。WR型浓淡偏差燃烧器。直流燃烧器四角布置。切圆燃烧是ABB-GE公司的传统燃烧方式，这种燃烧器因气流在炉膛内形成一个较强烈旋转的整体火焰，对燃烧稳定，强化后期混合，保证燃料完全燃烧十分有利。此外，四角燃烧时，炉内火焰充满情况较好，水冷壁传热均匀，燃烧中心的火焰峰值温度和最大热流密度较低，有利于减少NOX的排放。第三节 高效低NOx燃烧优化一、现代采用分级燃烧的系统主要是控制分级风的风率、高度（多层布置时）；主燃烧区的配风优化。二、无分级燃烧布置的高效低NOx燃烧优化根据试验结果，可分析实际锅炉各种运行因素对锅炉效率和NOx的影响规律如下。2.4.1炉膛氧量对NOx排放和效率的影响试验在100MW负荷进行，二次风采用缩腰配风，一次风风速控制在28m/s左右。过量空气系数是通过改变二次风总风门，控制二次风总风压来调整的，用炉膛出口烟气含氧量来控制，各对应试验工况炉内一、二、三次风风量的分配如图2-2所示。试验过剩空气系数对NOx排放量和锅炉效率影响试验结果见表2-2。图2-2 不同炉膛出口氧量时炉内风分配表2-6 过剩空气系数(炉膛氧量)对NOx排放和效率的影响变化参数运行参数过剩空气系数低中高机组负荷(MW)103100101炉膛出口氧量(%)3.75.556.9排烟损失(%)6.196.67.71机械未完全损失(%)2.372.662.47锅炉效率(%)90.8390.1289.21NOx排放(mg/m3)7009301018锅炉效率随着氧量的增加而下降。造成锅炉效率下降的主要原因是排烟温度和体积的增加使排烟热损失加大。由于炉膛氧量没有在很低的水平进行试验，所以灰渣含碳量变化不大，机械未完全燃烧热损失变化不明显，试验数据中机械未完全燃烧热损失的变化基本上可以认为是试验误差范围的变化。由于该锅炉再热蒸汽调温设备烟道挡板失去作用，需利用炉膛氧量控制汽温，造成了锅炉效率的下降和NOx排放量上升趋势。2.4.2二次风配风方式对NOx和效率的影响在100MW负荷下，用二次风总风门调整炉膛氧量，保持入炉总风量不变(用炉膛出口剩余氧量控制)，一次风风门开度不变，控制一次风速约为28m/s，2套制粉系统运行，各试验工况炉内一、二、三次风风量的分配如图2-3所示。二次风配风方式对NOx排放量和锅炉效率影响试验结果见表2-3。图2-3 不同二次风配风方式炉内风分配表2-3 二次风配风方式对NOx排放和效率的影响变化参数运行参数二次风配风方式缩腰型倒宝塔型均匀型鼓形正宝塔型机组负荷(MW)9610199.499.2100炉膛出口氧量(%)7.06.06.35.356.45排烟损失(%)7.527.197.327.437.5机械未完全损失(%)1.151.851.211.651.43锅炉效率(%)90.6790.3490.8490.2990.44NOx排放(mg/m3)7868268688861045从表2-3中可以看出，在NOx排放方面，采用缩腰型配风和倒宝塔配风方式最低，均匀配风和鼓形配风次之，正宝塔配风最高。从正宝塔配风、均匀配风到倒宝塔配风，空气中心上移，炉内空气分级程度增大，使主燃烧器区域的氧浓度降低，既能降低主燃烧区域的火焰温度，又能抑制燃料氮形成的中间产物与氧的化合，因而降低了NOx的排放量。缩腰配风NOx排放量最低，低于的倒宝塔配风，这是因为缩腰配风不仅象倒宝塔配风一样使上二次风喷口的风量加大，主燃烧器区域的氧浓度降低，而且让部分中间二次风喷口风量转移到下二次风喷口，使一次风与二次风的混合推迟，造成燃烧初期氧量供应的下降，限制了NOx的生成量。在锅炉效率方面，倒宝塔和鼓形配风机械未完全燃烧热损失最大，效率最低。缩腰配风机械未完全燃烧热损失最小，虽然由于氧量较大使排烟热损失较大，但如果将氧量控制在较小，锅炉效率应较高，考虑到炉膛氧量有不同，锅炉效率的变化不明显。综合锅炉效率和NOx的排放量以缩腰配风最佳。值得注意的是该锅炉缩腰配风NOx的排放量较倒宝塔配风为低，原因可能是倒宝塔配风中距离一次风喷口较近的中二次风风量和次下二次风风量相对较大，在煤粉气流燃烧初期，二次风掺入量较多；而缩腰配风时，下部风量主要集中在离一次风喷口较远的下二次风喷口，导致在煤粉气流燃烧初期，二次风掺入量较少，使NOx的排放量最少。由于本锅炉燃烧器二次风口的布置中有两层下二次风口，占整个二次风口的一半，故即使是每个二次风风口风量基本相同的均匀配风和鼓形配风，整体上也具有正宝塔配风的特性，而倒宝塔配风的特性不明显。在125MW进行了缩腰和均匀两种配风形式的NOx排放试验，保持入炉总风量不变(用炉膛出口剩余氧量控制)，一次风风门开度不变，控制一次风速约为28m/s，2套制粉系统运行，各试验工况炉内一、二、三次风风量的分配如图2-4所示。125MW负荷时，二次风配风方式对NOx排放量和锅炉效率影响结果见表2-4。图-4 125MW负荷二次风缩腰、均匀配风各风口风率表2-8 125MW二次风配风方式对NOx排放和效率的影响变化参数运行参数二次风配风方式均匀型缩腰型机组负荷(MW)122123炉膛出口氧量(%)5.35.65排烟损失(%)7.267.12机械未完全损失(%)2.261.96锅炉效率(%)89.9790.41NOx排放(mg/m3)971945从表2-4中可以看出，虽然缩腰配风NOx排放量较低，均匀配风NOx排放量稍高，但差别已较小。这是因为在满负荷时，风量大，即使缩腰配风时中间二次风风门开度也较大（见图2-4），使均匀配风和缩腰配风炉内风的分配的差别变小， NOx排放量差别变小。随着锅炉负荷的增加，入炉风量加大，燃烧器各风口风量的差别减小，使得炉内各种配风的差别变小，NOx排放量差别变小。在负荷高时，通过配风的方法减少NOx排放量的效果相对有限；在负荷低时，入炉总风量减少，炉内风分配的变化可以很大，相应的NOx排放量的变化也较大。说明在锅炉负荷较低时通过配风的调整可以在NOx排放量的控制方面取得更大的成效。满负荷时，均匀配风机械未完全燃烧热损失和排烟热损失均稍高，锅炉效率较低，缩腰配风虽然氧量较大，但排烟热损失和机械未完全燃烧热损失却稍低，故锅炉效率较高。2.4.3一次风速对NOx排放和效率的影响在100MW负荷下，保持入炉总风量（控制炉膛出口氧量）及二次风门、三次风门不变，只改变一次风总风压来调整一次风风速进行试验，二次风配风方式为缩腰配风。设计试验一次风风速为26 m/s、28 m/s、30 m/s，结果为12个一次风风管风速的平均值，各试验工况炉内一、二、三次风风量的分配如图2-5所示。一次风风速NOx排放量和锅炉效率影响试验结果见表2-5。图2-5 不同一次风风速时炉内风分配表2-9 一次风速对NOx排放和效率的影响变化参数运行参数一次风速(m/s)低(26.61)中(27.64)高(31.03)机组负荷(MW)10010097.4炉膛出口氧量(%)5.555.86.35排烟损失(%)6.67.027.16机械未完全损失(%)2.662.642.33锅炉效率(%)90.1289.7289.87NOx排放(mg/m3)9309531068从表2-5中可以看出，随着一次风风速的增加锅炉NOx排放量相应增加。一次风风速的降低，会导致煤粉气流着火提前，着火提前，相当于与二次风的混合延迟；一次风风量减少，使一次风的煤粉浓度相应增加，均有利于在着火的初期燃烧阶段，氧浓度下降， NOx生成量减少。一次风速增加使燃烧初期氧量增加，燃烧初期氧浓度上升，炉内风与粉的混合更快，空气分级程度下降，NOx生成量增加；由于一次风率小，对空气在炉内的分配影响小，对NOx生成的影响较小。随着一次风风速的增加，机械未完全燃烧热损失稍有下降，排烟热损失稍有上升，考虑到炉膛氧量增加的原因，锅炉的效率变化很小，可以认为在试验误差范围。由于炉膛氧量不能控制的非常准确，随着一次风风速的增加，炉膛出口氧量有少量的增加，因此，部分NOx排放量的增加和锅炉效率的降低是由于炉膛氧量增加造成的。2.4.4不同负荷对NOx排放的影响试验是在相同二次风配风方式(缩腰型)、一次风速条件，尽量相同的总入炉风量下进行的。在较低负荷下采用2套制粉系统运行的方式没有实际意义，在80MW负荷制粉系统的运行采用1套投入，各试验工况炉内一、二、三次风风量的分配如图2-6和图2-7所示。第一次试验不同负荷下，NOx排放量和锅炉效率影响试验结果见表2-6。图2-6 80MW负荷缩腰配风各风口风率 图2-7 90125MW负荷缩腰配风各风口风率表2-6 不同负荷对NOx排放和效率的影响变化参数运行参数锅炉负荷（MW）8191.1100123制粉系统投运套数1222炉膛出口氧量(%)6.56.35.85.65排烟损失(%)6.266.887.027.12机械未完全损失(%)2.753.132.641.96锅炉效率(%)90.2289.389.7290.41NOx排放(mg/m3)1090889953945从图2-6和2-7中可见，除80MW负荷由于只有一套制粉系统运行，三次风率很低，仅为19%外，随着锅炉负荷的增加，三次风率逐渐下降，锅炉负荷由90MW上升至125MW时，三次风率由34%降为25%。三次风率的下降使空气分级程度降低了，主燃烧区氧量增加，燃料型NOx生成量增加；燃料量的增加使炉内的热负荷增加，热力型NOx生成量增加；一次风率下降使煤粉浓度增加，燃烧初期NOx生成量减少。随负荷的增加，一般炉内风分配趋向均匀，空气分级程度下降的影响更大，所以NOx生成量总的结果是增加的。从表2-6中可以看出，随着负荷的变化，NOx排放量的变化比较复杂，总的来说，在制粉系统运行数量相同时（90MW125MW），随着负荷的降低，NOx排放量是减少的。随着锅炉负荷的增加，飞灰含碳量下降，氧量稍有减少，锅炉效率稍有上升。80MW由于只有一套制粉系统运行，三次风风量大大下降，炉内整体空气分级程度降低，NOx生成量显著增加，但排烟温度低，排烟热损失小，锅炉效率较高。实际上，随着锅炉负荷的增加，一次风、三次风风量不变，二次风量增加，煤粉量增加，使一次风、三次风率下降，虽然采用相同的二次风配风方式，炉内风的分配已经发生了变化，且一次风煤粉浓度也发生了变化。2.4.5制粉系统运行方式对NOx的影响在100MW负荷下、二次风配风采用缩腰方式，控制入炉总风炼不变，改变制粉系统投运套数分别为1套、2套，各试验工况炉内一、二、三次风风量的分配如图2-8所示。不同制粉系统运行方式下，NOx排放量和锅炉效率影响试验结果见表2-7。图2-8 不同制粉系统运行方式时炉内配风表2-7 制粉系统运行对NOx排放和效率的影响变化参数运行参数制粉系统投运套数一套两套锅炉负荷(MW)100100炉膛出口氧量(%)5.75.8排烟损失(%)6.377.02机械未完全损失(%)3.422.64锅炉效率(%)89.5889.72NOx排放 (mg/m3)1028953从表2-7可以看出，制粉系统投停对NOx的排放有明显的影响，当制粉系统投运2套时，虽然氧量稍大，但NOx排放量明显变小。这是因为制粉系统投运时，制粉乏气由布置于燃烧器最上部的三次风喷口送入炉内，类似分级风的作用，制粉系统投运套数增加，三次风风量增大，空气分级程度越大，NOx排放量降低。随着制粉系统投运套数的增加，火焰中心上移，排烟温度上升，排烟损失增加，但飞灰含碳量明显减少，结果锅炉效率反而稍有上升。2.4.5煤粉分配对NOx排放量的影响在第三次试验中进行了煤粉分配对NOx排放量影响的试验。试验在100MW负荷、二次风配风采用缩腰方式、磨煤机投运套数2套、一次风风速不变和入炉总风量不变下进行。各试验工况炉内一、二、三次风风量的分配如图2-9所示，不同煤粉分配方式下锅炉NOx排放量和锅炉效率的试验结果见表2-8。从表2-8中可以看出，上多下少的煤粉分配方式NOx排放较高，均匀配粉和上少下多煤粉分配方式较低。由于炉膛氧量有差别，考虑到氧量的影响，均匀配粉和上少下多煤粉分配方式NOx排放量和锅炉效率基本相同。因为上多下少的配粉方式使煤粉中心上移，离上部二次风风口和三次风风口距离减小，空气分级程度下降，NOx生成量增加。上多下少的煤粉分配方式锅炉效率较低。这是由于上多下少的配粉方式使煤粉中心上移，火焰中心上移，排烟温度上升，排烟热损失加大，而且机械未完全燃烧热损失增加，使锅炉效率下降。图2-9 不同配粉方式时炉内配风表2-8 不同配粉方式对NOx排放和效率的影响变化参数运行参数煤粉分配方式均匀配粉上多下少上少下多机组负荷(MW)101.8100.399.6制粉系统投运套数222炉膛出口氧量(%)4.85.65.1上层给粉机平均转速(rpm)7731146612中层给粉机平均转速(rpm)779640709下层给粉机平均转速(rpm)8165801043排烟损失(%)6.726.956.60机械未完全损失(%)2.642.922.67锅炉效率(%)90.2689.5290.12NOx排放(mg/m3)7158237402.4.6改变下层二次风对NOx排放量的影响试验分别在100MW、缩腰配风、2套制粉系统运行和90MW、缩腰配风、1套制粉系统运行下进行。对应工况的配风如图2-10、2-11所示。试验结果见表2-9。 图2-10 100MW增、减下二次风炉内配风 图2-11 90MW增、减下二次风炉内配风表2-9 不同下二次风对NOx排放和效率的影响变化参数运行参数下二次风风量增风量减风量增风量减风量锅炉负荷（MW）102.510290.489.2制粉系统投运套数2211炉膛出口氧量(%)4.894.345.645.56排烟损失(%)6.706.616.827.01机械未完全损失(%)2.712.823.074.06锅炉效率(%)90.090.089.488.2NOx排放(mg/m3)851768871838从表2-9可以看出，在100MW和90MW时增加下层二次风风量，NOx排放量均会增加，因为增加下二次风将减少上部二次风风量，使风中心下移，燃烧主要阶段氧量更充分，生成的NOx更多。在100MW时NOx排放量由768 mg/m3增加到851 mg/m3中的一部分是由于炉膛总氧量增加造成的。在100MW时减少下二次风量时，转移的二次风量部分通过中二次风进入炉膛，上二次风增加的风量不很多，燃烧条件变化不大，锅炉效率基本不变，部分原因是由于炉膛氧量稍小。在90MW时，下二次风减少量全部转移到上二次风，并关闭了中二次风，使风量中心大大上移，虽然使NOx排放量下降，但是同时造成不完全燃烧大大增加，锅炉效率严重下降，影响锅炉经济性，在运行中不可取。2.4.7改变次下层二次风对NOx排放量的影响试验分别在100MW、缩腰配风、2套制粉系统运行和125MW、缩腰配风、2套制粉系统运行下进行。对应工况的配风如图2-12、2-13所示。试验结果见表2-10。 图2-12 100MW增、减次下二次风炉内配风 图2-13 125MW增、减次下二次风炉内配风表2-10 不同次下二次风对NOx排放和效率的影响变化参数运行参数次下二次风风量增风量减风量增风量减风量锅炉负荷（MW）102.5101.8123.7123制粉系统投运套数2222炉膛出口氧量(%)4.654.84.003.86排烟损失(%)6.66.76.686.46机械未完全损失(%)2.62.54.384.31锅炉效率(%)90.290.388.488.7NOx排放(mg/m3)741715829776从图2-12、2-13和表2-10可以看出，增加次下二次风口风量均会造成NOx排放量的增加。在100MW时，次下二次风风量的变化范围较小，减次下二次风风量时，转移的风量分别送入下二次风和上二次风，NOx排放量下降的同时不会造成锅炉效率的降低。在125MW负荷时，中二次风风量关闭，机械未完全燃烧热损失较大，特别是在次下二次风量过大时，机械未完全燃烧热损失达到4.38，造成锅炉效率严重下降。从图2-11、2-13及表2-9、2-10的结果可以看出，中二次风不宜完全关闭，此时由于燃烧区严重缺氧，NOx排放下降不多，而机械未完全燃烧急剧增加，锅炉效率低。2.5 小结通过对420t/h锅炉效率和NOx排放特性试验结果的分析，可以得到如下主要结论：（1）随着入炉氧量的增加，NOx排放量呈明显上升趋势，特别是在氧量较低时增加速度较快。锅炉效率随着氧量的增加而下降，造成锅炉效率下降的主要原因是排烟温度和体积的增加使排烟热损失加大，而未完全燃烧热损失变化不大。（2）采用缩腰型配风和倒宝塔配风方式最低，均匀配风和鼓形配风次之，正宝塔配风最高。在锅炉效率方面，倒宝塔和正宝塔配风飞灰含碳量较大，机械未完全燃烧热损失较大，正宝塔配风锅炉效率较低，缩腰配风锅炉效率较高。（3）随着一次风风速的增加NOx排放量有相应的增加，由于一次风率小，对空气在炉内的分配影响小，对NOx生成量的影响较小。（4）随着负荷的变化，NOx排放量的变化比较复杂，总的来说，随着负荷的降低，NOx排放量是减少的。随着锅炉负荷的增加，虽然采用相同的二次风配风方式，炉内风的分配已经发生了变化，一次风煤粉浓度也发生了变化。锅炉负荷对NOx排放量的影响，需考虑各方面的变化，不能一概而论。随着锅炉负荷的增加，飞灰含碳量下降，氧量下降，锅炉效率稍有上升。在满负荷高时，通过配风的方法减少NOx排放量的效果有限；在负荷低时，配风的变化可以很大，相应的NOx排放量的变化也较大。说明在锅炉负荷较低时通过配风的调整可以在NOx排放量的控制方面取得更大的成效。（5）制粉系统投停对NOx的排放有明显的影响，当制粉系统投运2套时，NOx排放量明显变小；火焰中心上移，排烟温度上升，排烟损失增加。（6）上多下少的煤粉分配方式NOx排放较高，均匀配粉和上少下多煤粉分配方式较低；上多下少的配粉方式使煤粉中心上移，火焰中心上移，排烟温度上升，排烟热损失加大，使锅炉效率下降。煤粉分配对NOx排放量和锅炉效率的影响较小。（7）下二次风和次下二次风的增减对NOx排放量的影响符合一般规律，即风量上移NOx排放量下降，但是中二次风不宜完全关闭，否则燃烧不完全大增，锅炉效率严重下降。在燃煤粉锅炉切圆燃烧系统中，高效低NOx排放的最佳运行模式是：较低的炉膛氧量（炉膛出口氧量34%）和一次风速；二次风采用缩腰配风方式，中二次风保留少量的风量；煤粉分配采用下多上少，相对集中。三、分级燃烧的利弊。降低NOX排放主燃烧区缺氧，还原性气氛，灰熔点下降，容易结渣和腐蚀。容易出现燃烧不完全，飞灰含碳量增加。应对措施：在靠近水冷壁处形成气幕，防止结渣和腐蚀；用配风的优化来保证燃尽。第二章 锅炉燃烧调整技术煤粉燃烧过程的要求 着火稳定 燃烧完全 煤种适应性好 不结渣、腐蚀小 NO排放低第一节 直流燃烧器切圆布置燃烧系统燃烧优化一、优化燃烧运行特性1经济性方面（1）煤粉的燃尽程度（2）过量空气系数（3）煤粉细度（4）煤种和负荷适应性（包括低负荷燃烧的稳定性）2安全性方面（1）炉内结渣和积灰的的控制（2）受热面磨损和腐蚀的控制（3）四管爆漏的控制（4）防止燃烧器长期运行时的过热和烧坏二、炉膛内的流动特性1四角切圆燃烧的主要特点1） 四角射流着火后相交，相互点燃，使煤粉着火稳定，是煤粉着火稳定性较好的炉型。2） 由于四股射流在炉膛内相交后强烈旋转，湍流的热量、质量和动量交换十分强烈，故能加速着火后燃料的燃尽程度。3） 四角切向射流有强烈的湍流扩散和良好的炉内空气动力结构，炉膛充满系数较好，炉内热负荷均匀。4） 切圆燃烧时每角均由多个一、二次风喷嘴所组成，负荷变化时调节灵活，对煤种适应性强，控制和调节手段也较多。5） 炉膛结构简单，便于大容量锅炉的布置。6） 采用摆动式直流燃烧器时，运行中改变上、下摆动角度即可改变炉膛出口烟温，达到调节过热蒸汽的温度的目的。7） 便于实现分段送风，组织分段燃烧，从而抑制NOx的排放等。8）残余扭转导致水平烟道热偏差大。9）一次风容易偏斜冲墙。10）四角风粉的均匀性难以保证，火焰容易偏斜。2表征炉内过程的重要参数假想切圆；实际切圆；切圆放大倍数；炉内气流充满程度；切圆的不圆度；炉膛出口残余扭转；水平烟道中速度不均匀系数；燃烧器高宽比；炉内气流的旋转强度；炉膛容积热负荷；炉膛截面热负荷；燃烧器区域热负荷；煤粉在炉内平均停留时间。3炉内实际切圆的变化规律及其影响因素炉内实际切圆比假想切圆大是由于燃烧器射流在炉内发生偏转引起的。造成炉内气流偏转的原因主要有两个：一是炉内旋转气流对射流的横向撞击，另一个是射流两侧补气条件不同形成的压力差。对偏转进行研究时，还需要考虑射流自身的抗偏转能力和射流的初始位置。4实际切圆大小对炉内运行的影响炉内切圆大，对炉内燃烧肯定是有利的，但是容易造成火焰冲墙，引起水冷壁的结渣。切圆大的好处：（1）火焰中心接近一次风喷口，煤粉着火条件好。（2）旋转动量大，混合作用好。问题：（1）火焰容易冲墙（2）高挥发份的燃料，喷口容易烧坏（3）炉膛出口参与扭转大，形成出口速度场、温度场不均，热偏差大。三、结构参数的影响1假想切圆直径通过实际切圆直径的变化体现。假想切圆直径增大，实际切圆直径增大。2燃烧器高宽比燃烧器高宽比大的切圆放大系数比高宽比小的切圆放大倍数大。3加钝体的影响钝体使射流的扩展角加大，实际切圆直径加大。冷态实验表明增大2025%。4周界风的影响周界风的作用：（1）冷却一次风喷口，防止烧坏；（2）煤质和负荷变化时，调节着火点；对着火不利。增大射流刚性。四、运行参数的影响1燃烧器出口速度改变（负荷改变）的影响负荷下降，总风量减少，一、二次风速普遍降低。炉膛温度下降，炉内燃烧稳定性边差。随着风速的增加，实际切圆直径明显减少，减少幅度与燃烧器高宽比有关，高宽比小，减少幅度大。2一次风、二次风动量变化的影响增加一次风动量，保持二、三次风动量，一次风实际切圆直径减少；增加二次风动量，实际切圆增大。3停运部分燃烧器的影响停运部分燃烧器一般是因为负荷降低或炉内结渣。（1）停用上部一、二次风最常用的方法，此时中、下部一次风相对集中，对稳定着火有利，火焰行程较长，停留时间多，有利于燃尽，但汽温较低。（2）停用中部一次风燃料分散，不利于稳定燃烧；有利于提高汽温。（3）停下部一、二次风火焰集中，有利于稳定燃烧；有利于提高汽温；停留时间稍少，燃尽不利。相对较好的一种运行方式，特别是对于欠温的锅炉。燃烧器高宽比较大的锅炉，中部一次风偏斜最大，停用部分中间二次风，拉开喷口间距，改善补气条件，可以使实际切圆明显减小，对防止结渣有利。4四角风粉不均的影响对于四角切圆燃烧系统的锅炉，保证四角风粉分配的均匀是取得安全稳定运行的前提。如果四角风粉分配不均，容易产生炉内结渣，热负荷分配不均匀，风粉混合效果差，飞灰含碳量增大。（1）1角风速低时：1角射流偏转大，贴尽墙壁，2角射流偏转减小，3角射流偏转加大，形成两侧冲墙，特别是左侧（1角后方）（2）1、2角射流风速降低：2角射流对3角射流的推力作用小，使3角射流对4角射流推力大，使4角射流偏转大，1角射流偏转并不很大。使前后墙容易受火焰冲刷，由于3角射流风速未降低，火焰中心向前墙偏的可能性加大。（3）1、3角射流风速下降：2、4角射流偏转少，1、3角射流偏转大，两侧墙容易受到火焰冲刷。（4）1角射流上翘：2角射流偏转减小，3角射流偏转加大，4角射流偏转小，是上部火焰贴后墙，下部火焰中心偏向右侧。（5）缺角运行时：炉内燃烧火焰中心严重偏斜，切圆中心沿炉膛高度做偏心螺旋运动。保证风粉均匀性的方法：（1）一次风管道流动阻力相同（长度或节流，采用节流方法，由于磨损的影响，需要经常标定）（2）煤粉分配均匀：1）给粉机：转速和工