爐內(nèi)空氣分級低NOx燃燒技術(shù)

1、第19卷第6期電站系統(tǒng)工程Vol.19 No.6 2003年11月Power System Engineering Nov., 2003 文章編號:1005-006X(200306-0047-03爐內(nèi)空氣分級低NO x燃燒技術(shù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)董利李瑞揚摘要:通過對氮氧化物生成機理的分析,論述了降低氮氧化物生成的基本途徑和爐內(nèi)空氣分級燃燒脫硝的基本原理。通過實例考察了火上風(fēng)量、徑向空氣分布、爐內(nèi)氧量、爐內(nèi)負(fù)荷和三次風(fēng)投停對氮氧化物排放量的影響,說明爐內(nèi)空氣分級燃燒技術(shù)是降低煤粉爐NO x排放量的有效方法。關(guān)鍵詞:煤粉爐;降低氮氧化物;爐內(nèi)空氣分級燃燒中圖分類號:X701文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ALow NO

2、x Combustion Technology by Classifired CombustionDONG Li, LI Rui-yangAbstract:By analysis of NO x production mechanism, the principles of controlling NO x production and lowering emission of NO x by classifired combustion is described. Through actual examples, it indicated the influence of OFA, the

3、secondary air distribution along furnace section, the boiler charge, the reject and stop of coal pulverizing system on denitrification rate. Then it can be concluded that the classifired combustion is available to lower NO x emission of coal fired utility boiler.Key words: coal fired utility boiler;

4、 lowering emission of NO x; classifired combustion煤炭是我國主要的一次能源,但燃燒過程排放的大量CO2、SO2、氮氧化物和粉塵顆粒對大氣造成嚴(yán)重的污染,所以解決煤燃燒所帶來的污染已成為目前急需解決的任務(wù)。對于煤粉爐,NO x污染主要從兩方面研究:一是采用潔凈燃燒技術(shù),著眼于降低爐內(nèi)NO x的生成量;二是在煙道一側(cè)附加脫硝裝置,把煙氣中已形成的NO x轉(zhuǎn)化成無害的氮氣和有用的氮肥。這兩種方法中,后者脫硝率高,綜合效益好,但投資和運行費用均很高,推廣應(yīng)用有一定的限制;前者的脫硝率相對低一些,但投資和運行費用很低,因而受到重視。爐內(nèi)空氣分級燃燒就是一

5、種很有效的低NO x燃燒技術(shù)。1 爐內(nèi)空氣分級燃燒的基本原理1.1 燃燒過程中NO x的形成機制煤粉燃燒過程中,氮氧化物生成途徑主要有以下3種:熱力型NO x,它是指空氣中的氮氣被高溫氧化而生成的NO x。燃料型NO x,它是指燃料中的含氮化合物在燃燒過程中進(jìn)行熱分解繼而進(jìn)一步氧化而成NO x?？焖傩蚇O x,它是燃料對空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等反應(yīng)生成的NO x。熱力型NO x的生成機理,遵從Zeldovich理論,認(rèn)為熱力型NO x是一個由氧原子引發(fā)的自由基鏈反應(yīng):O+N2NO+N (1N+O2NO+O (2 在反應(yīng)中,氮原子只能從式(1中產(chǎn)生,而不能通過氮的分解產(chǎn)生。式(1的

6、反應(yīng)活化能量高,控制著反應(yīng)的速度。熱力型氮氧化物的生成速度和溫度的關(guān)系是按照阿累尼烏斯定律進(jìn)行的,在溫度小于1 500 時,幾乎看不到收稿日期: 2002-11-05董利,女,碩士生。能源學(xué)院, 150001 NO的產(chǎn)生,只有當(dāng)溫度高于1 500 時,NO的產(chǎn)生才明顯起來。所以,在煤粉爐固態(tài)排渣燃燒方式下,熱力型NO x所占比例極小。燃料型NO x是NO x的主要組成部分,約占75%90%,其生成機理十分復(fù)雜。德國斯圖加特大學(xué)的Hein教授認(rèn)為:燃料型NO x的形成與煤的熱解產(chǎn)物和火焰中氧的濃度密切相關(guān)。氧氣的濃度及分布狀況對NO x的產(chǎn)生起決定性的作用。此外,煤中的揮發(fā)分,特別是還原性的成分

7、的含量增加,會對NO x的降低有積極的作用(見圖1。圖1 煤燃燒過程中燃料N的轉(zhuǎn)化快速型NO x是燃燒時產(chǎn)生的烴(CN i等撞擊燃燒空氣中的氮氣分子而產(chǎn)生CN、HCN,然后它們被氧化成NO x。由于快速型NO x在總的NO x中所占比例通常在5%以下,因此在煤粉爐中不予考慮。影響NO x 生成量的主要因素有燃料種類、燃料含氮量、48 電站系統(tǒng)工程2003年第19卷 燃燒方式、鍋爐容積熱負(fù)荷、燃燒器結(jié)構(gòu)形式、除渣方式和運行風(fēng)量等。其中,燃燒器結(jié)構(gòu)形式和運行風(fēng)量的影響比較顯著。為控制燃燒過程中NO x的生成量所采用的降低原則為:降低過量空氣系數(shù)和氧氣濃度,使煤粉在缺氧條件下燃燒;降低燃燒溫度,防止

8、產(chǎn)生局部高溫區(qū);縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時間;采用低NO x燃燒器。由于上述幾點與煤粉爐降低飛灰含炭量,提高燃盡率的原則相矛盾,所以在對鍋爐設(shè)計,改造和運行時,應(yīng)綜合全面考慮。1.2 爐內(nèi)空氣分級燃燒的基本原理由于煤粉爐燃燒溫度不超過1 500 ,熱力型NO x的生成量很少,所以可以忽略氮氣的氧化。燃料型NO x的快速形成主要集中于燃料的著火階段,這時煤粉熱解產(chǎn)生大量的揮發(fā)分。如果氧氣充足,它們將迅速生成NO;如果氧氣不足,則氮氣的形成得到強化,NO的形成受到抑制。爐內(nèi)空氣分級燃燒就是根據(jù)這一原理,通過改變送風(fēng)方式,控制爐內(nèi)空氣的分布,使煤在著火階段缺氧,即在燃燒器出口和燃燒中心區(qū)域造成還原性氣

9、氛,從而降低NO x的生成量,未燃盡的炭粒將在爐膛上部的燃盡區(qū)與燃盡風(fēng)混合并完全燃燒,其中燃盡風(fēng)由主燃空氣分流而來,并通過爐膛上部燃盡風(fēng)噴口噴入燃盡區(qū)。爐內(nèi)空氣分級燃燒的實現(xiàn)形式主要有兩種,即軸向空氣分級燃燒和徑向空氣分級燃燒。(1 軸向空氣分級燃燒(OFA方式將燃燒所需的空氣分兩部分送入爐膛:一部分為主二次風(fēng),約占總二次風(fēng)量的70%85%;另一部分為燃盡風(fēng)(OFA,Over Fire Air,約占總二次風(fēng)量的15%30%。因此,爐膛內(nèi)的燃燒分成三個區(qū)域,即熱解區(qū)、貧氧區(qū)和富氧區(qū)(見圖2。上部燃盡風(fēng)送入爐膛時,已經(jīng)避開了高溫火焰區(qū),對未燃盡產(chǎn)物起完全燃燒的作用。燃盡風(fēng)噴口與主燃燒器間軸線距離H

10、對NO x的降低有很大的影響,H的推薦值為2:H=1.5(V r/100.5圖2 軸向空氣分級燃燒示意圖(2 徑向空氣分級燃燒徑向空氣分級燃燒是在與煙氣流垂直的爐膛斷面上組織分級燃燒,它是通過將二次風(fēng)射流部分偏向爐墻來實現(xiàn)的(見圖3。徑向分級燃燒不僅可以使主燃區(qū)處于還原性氣氛從而降低NO x的排放量,還可使?fàn)t墻附近處于氧化性氣氛,從而可以避免水冷壁的高溫腐蝕以及因還原性氣氛使灰熔點下降而導(dǎo)致的燃燒器附近的結(jié)渣。圖3徑向空氣分級燃燒示意圖采用爐內(nèi)空氣分級燃燒使NO x降低的程度可用分級燃燒有效率NOx表示3:NOx=(C NO2-C NO2×100/C NO2式中C NO2,C NO2

11、為鍋爐實施爐內(nèi)空氣分級送風(fēng)改造前后換算到=1.4時,按NO2計算的NO x濃度。爐內(nèi)空氣分級燃燒約能降低NO x排放量25%30%,一些大型煤粉爐采用該技術(shù)后取得了顯著的效果,如表1所示3:表1 大型煤粉爐空氣分級燃燒效果燃燒方式容量/MW原NO x排放濃度/m gm-3分級燃燒排放濃度/m gm-3NO x降低率/%前墻布置燃燒器液態(tài)排渣煤粉爐300 912 584 36兩排前墻布置液態(tài)排渣煤粉爐500 672 323(425MW 52前墻布置燃燒器固態(tài)排渣煤粉爐200 380 283 25兩排前墻布置固態(tài)排渣煤粉爐350 476 183 622 工程應(yīng)用實例及分析在內(nèi)蒙古烏拉山發(fā)電廠3號鍋

12、爐,即WGZ/410-12型鍋爐上進(jìn)行試驗,對鍋爐實施爐內(nèi)軸向、徑向空氣分級燃燒改造。(1 燃盡風(fēng)份額的影響由于現(xiàn)場條件的限制而使得燃盡風(fēng)噴口過小,因此在滿負(fù)荷下,燃盡風(fēng)份額很低(約5%左右,故脫硝率較低。在70%負(fù)荷下,一方面減小二次風(fēng)擋板開度,一方面增大送風(fēng)機的送風(fēng)量,運行穩(wěn)定后,測試結(jié)果如表2所示4:表2 燃盡風(fēng)份額對脫硝率的影響(7% O2NO x濃度/mgm-3脫硝效率/%二次風(fēng)擋板開度/%燃盡風(fēng)風(fēng)速/ms-1過熱器后空氣預(yù)熱器后過熱器后空氣預(yù)熱器后60 39.83 511 516.3 45.5 47.4730 46.20 484.5 485.5 48.30 50.60由表2的測試數(shù)

13、據(jù)可知:二次風(fēng)擋板的開度越小,火上風(fēng)份額越大,主燃區(qū)氧氣濃度也就越低,NO x的形成被明顯抑制,脫硝率明顯增大。由于在低負(fù)荷下送風(fēng)裕量較大,所以在增大送風(fēng)量的情況下,減少二次風(fēng)擋板開度可以明顯增大火上風(fēng)的份額,有效降低主燃區(qū)的氧量,較好實現(xiàn)空氣分級燃燒,明顯提高脫硝率,使之達(dá)到50%60%。然而隨著負(fù)荷的增大,送風(fēng)裕量減少,軸向空氣分級效果變差,脫硝率的提高不夠理想。(2 二次風(fēng)分布的影響在70%、90%和100%負(fù)荷下,關(guān)閉燃盡風(fēng),空氣分級燃燒改造前后煙氣中NO x濃度的測試結(jié)果見表34。表3 二次風(fēng)的分布對NO x濃度的影響煙氣中NO x濃度/mgm-3負(fù)荷/%噴口中無導(dǎo)流板噴口中有導(dǎo)流板

14、脫硝率/%100 868.3 691.0 20.4290 1084.3 945.0 12.8570 982.8 729.0 25.82第6期 董 利等:爐內(nèi)空氣分級低NO x 燃燒技術(shù)49 徑向空氣分級燃燒改造前,二次風(fēng)噴口內(nèi)沒有設(shè)置導(dǎo)流板,全部二次風(fēng)射流以接近45°角的方向射向爐膛中心形成理想圓;徑向空氣分級燃燒改造后,二次風(fēng)噴口內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板(圖4,使得部分二次風(fēng)射流(大約15%20%偏向爐墻,遠(yuǎn)離燃燒中心,延遲了煤與空氣的混合,減少了火焰中心NO x 的生成量。表3說明二次風(fēng)遠(yuǎn)離燃燒中心可得到13%25%的脫硝率。此外,遠(yuǎn)離燃燒中心的二次風(fēng)可以避免水冷壁附近還原氣氛的形成,減弱水

15、冷壁的高溫腐蝕。圖4 徑向空氣分級燃燒示意圖(3 鍋爐負(fù)荷、爐膛氧量和三次風(fēng)的投停(即磨煤機的投停對NO x 形成有一定的影響在爐膛出口氧量及其他運行條件基本相同的情況下,負(fù)荷越大,空氣分級燃燒的燃盡風(fēng)份額越小,從而燃燒過程中生成的NO x 越多;爐膛氧量越高,燃燒中心區(qū)域氧氣濃度越大,燃燒過程中有機氮被氧化的趨勢越大,火焰中形成的NO x 越多,脫硝率越小;在入爐空氣總量不變的前提下,隨著磨煤機的投運,三次風(fēng)量逐漸增大,這實際上相當(dāng)于增大了燃盡風(fēng)的比例,使主燃區(qū)形成缺氧燃燒,抑制了NO x 的形成。由于三次風(fēng)含有5%10%左右的煤粉,它的后期投入也可以使已生成的NO 還原分解,從而降低了總的

16、NO x 排放量。3 結(jié)束語綜上所述,通過運用爐內(nèi)空氣分級燃燒技術(shù)對現(xiàn)有的直流燃燒煤粉爐進(jìn)行改造,可以顯著降低NO x 的排放量,脫硝率可達(dá)30%50%,爐膛內(nèi)二次風(fēng)的分布及燃盡風(fēng)的份額對空氣分級燃燒的脫硝率起著重要的作用。所以,爐內(nèi)空氣分級燃燒技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)有效的運行方式,這對于我國這樣的發(fā)展中國家無疑是一種值得大力推廣的方法。 參 考 文 獻(xiàn)1 邱廣明, 等. 燃煤鍋爐低NO x 燃燒技術(shù)研究J. 環(huán)境保護(hù), 2000(2.2 閆志勇, 等. 鍋爐分級燃燒降低NO x 排放的技術(shù)改造及分析J. 動力工程, 2000(4.3 張成恩. 分級燃燒技術(shù)的應(yīng)用J. 鍋爐技術(shù), 1998(6.4 魏

17、恩宗, 等. 燃煤鍋爐低NO x 燃燒技術(shù)及其試驗研究J. 電站系統(tǒng)工程, 2001(6.5J R Fan, P Sun. Numerical and experimental investigation on the reduction of NO x emission in a 600 MW utility furnace by using OFA J. Fuel, 1999, 78.編輯:聞 彰(上接第42頁間隔較大的通道分別噴入爐膛,在兩通道之間形成強煙氣回流以加熱煤粉;采用弧形板擴大燃燒器出口面積,增大了燃燒器的蓄熱,具有預(yù)燃室的優(yōu)點,同時弧形板將爐膛內(nèi)投射過來的輻射熱量發(fā)射到煤粉射

18、流上加熱煤粉。(2 該燃燒器在降低NO x 排放方面采用煤粉氣流濃淡分離,使燃燒初期濃、淡煤粉均偏離其當(dāng)量比燃燒,以降低NO x 生成。同時由于該燃燒器可以實現(xiàn)煤粉的穩(wěn)定著火,故可以應(yīng)用于四角切圓燃燒鍋爐上,采用過燃風(fēng)進(jìn)一步降低NO x 的排放。(3 該燃燒器在煤種適應(yīng)性方面,通過調(diào)節(jié)二次風(fēng)、側(cè)邊風(fēng)、夾心風(fēng)風(fēng)量及煤粉濃度以滿足不同煤種燃燒的需要。煤種較好的時候,開大二次風(fēng)、側(cè)邊風(fēng)、夾心風(fēng)風(fēng)量,調(diào)整煤粉濃度調(diào)節(jié)擋塊降低煤粉濃度,可以將著火點維持在一個較佳的位置。(4 該燃燒器在保護(hù)噴口及防止高溫腐蝕方面有以下特點:采用弧形板擴大噴口出口面積,確保煤粉不吹到燃燒器壁面上;采用二次風(fēng)、側(cè)邊風(fēng)、夾心風(fēng)及煤粉濃度調(diào)節(jié)著火點以保護(hù)噴口;在上下通道中采用煤粉濃淡隔板使各通道中濃淡煤粉具有近似正方形的界面,使煤粉射流的剛性得到增加。(5 在幾何位置方面,由于采用了上下雙通道布置,在水平方向上不增大幾何尺寸,有利于在舊爐改造中方便實現(xiàn)燃燒器的改造。為節(jié)約鍋爐點火用油,該燃燒器可以增設(shè)小油