工業(yè)鍋爐低氮燃燒改造技術(shù)-陜西偉隆科工貿(mào)有限公司

1、燃煤工業(yè)鍋爐高效節(jié)能低氮燃燒改造技術(shù)陜西偉隆科工貿(mào)一、摘要,關(guān)鍵詞3二、技術(shù)內(nèi)容和原理研究42.1代表性成果介紹42.2燃燒數(shù)學(xué)模型建立與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件開發(fā)142.3結(jié)論20三、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)213.1 關(guān)鍵技術(shù)213.2 創(chuàng)新性21四、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估21五、技術(shù)應(yīng)用情況23七、附件材料錯(cuò)誤!未定義書簽.一、摘要,關(guān)鍵詞摘要：我國(guó)現(xiàn)有58萬(wàn)余臺(tái)工業(yè)鍋爐,燃煤量達(dá)6億噸,占全國(guó)原煤年產(chǎn)量的1/3.鍋爐平均出力為3.4t/h,絕大局部為0.5-4t/h層燃爐,35-75t/h的工業(yè)鍋爐僅有6000臺(tái)左右.工業(yè)鍋爐效率低、污染物排放高,燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的NOx,NOx的濃度一般為300-500mg/N

2、m3左右,由于工業(yè)鍋爐大多數(shù)在居民區(qū)附近,排煙煙囪低和布局分散等,是我國(guó)城市大氣污染奉獻(xiàn)率最大的NOx污染源,也是制約城市經(jīng)濟(jì)開展的最重要的因素.雖然燃煤工業(yè)鍋爐NOx年排放量居第三位,但污染影響卻比火電行業(yè)和機(jī)動(dòng)車更明顯.而從我國(guó)的能源構(gòu)成來(lái)看,中小型燃煤鍋爐仍將長(zhǎng)期地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,因此限制燃煤工業(yè)鍋爐NOx污染,對(duì)限制我國(guó)大氣NOx污染,提升空氣質(zhì)量,具有極其重要的意義.目前國(guó)內(nèi)幾乎所有的工業(yè)鍋爐都沒(méi)有采取NOx限制技術(shù).低氮燃燒技術(shù)已成為我國(guó)燃煤電廠NOx限制的首選技術(shù).由于火電行業(yè)的低氮燃燒鍋爐和工業(yè)鍋爐在燃燒方式、爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒溫度等方面有極大不同,電站鍋爐較成熟的低氮燃燒技術(shù)不能

3、直接用于工業(yè)鍋爐,而煙氣脫硝技術(shù)對(duì)工業(yè)鍋爐乂過(guò)于昂貴,因此研究用于工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)已成為限制NOx排放的首選.20世紀(jì)70年代開始,日本、美國(guó)等對(duì)NOx限制技術(shù)進(jìn)行了大量研究,但實(shí)用的工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)較少.METHANEde-NOx技術(shù)是由美國(guó)煤氣技術(shù)研究所GTI為工業(yè)鍋爐提升效率、降低NOx排放而開發(fā)的一種氣體再燃燒專利技術(shù),由于需要向爐排鍋爐爐膛內(nèi)噴入大量的天然氣限制了該技術(shù)在中國(guó)的推廣應(yīng)用.國(guó)內(nèi)對(duì)工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)研究得較晚.趙黛青等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬對(duì)燃煤鍋爐中參加甲烷等有機(jī)氣體,在富氧條件下研究NOx排放限制的機(jī)理,取得較好的成果,但研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段,需要進(jìn)一步的工業(yè)應(yīng)用

4、實(shí)驗(yàn)；上海交通大學(xué)的季俊杰等人在實(shí)驗(yàn)室條件下利用固定床模擬鏈條爐燃燒方式,研究得到采用空氣分級(jí)燃燒可實(shí)現(xiàn)28%的NOx減排效果,燃料分級(jí)那么可使NOx排放降低55%,但未見有中試或工業(yè)應(yīng)用研究方面的報(bào)導(dǎo).我公司經(jīng)過(guò)近10年的努力在國(guó)內(nèi)開發(fā)推廣了20多臺(tái)215蒸噸高效節(jié)能低氮燃燒鍋爐,經(jīng)環(huán)保監(jiān)測(cè)低氮燃燒效果顯著,近年來(lái)我們和中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院大氣污染限制研究中央合作,改造了中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院內(nèi)一臺(tái)南京鍋爐廠生產(chǎn)的2蒸噸層燃鍋爐,用以實(shí)際監(jiān)測(cè)分析低氮燃燒機(jī)理的研究,通過(guò)對(duì)2t/h層燃鍋爐燃燒條件等的分析,提出低氮燃燒技術(shù)改造方案,進(jìn)行燃燒料分級(jí)燃燒、空氣分級(jí)燃燒和煙氣循環(huán)對(duì)NOx排放限制影響的研究

5、.采用分室配風(fēng)實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒,NOx排放量由127-175ppm降為67-89ppm；循環(huán)煙氣率達(dá)10-15%時(shí),煙氣循環(huán)可實(shí)現(xiàn)降低NOx排放3-5%；相同燃燒狀況的條件下,低氮燃燒技術(shù)優(yōu)化后NOx的排放濃度由低氮燃燒改造前的147-210ppm降低至67-89ppm,降氮效率達(dá)30%以上.研究結(jié)果說(shuō)明,層燃鍋爐低氮燃燒改造后煙氣中NOx的濃度低于200mg/Nm有較好的應(yīng)用前景.技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估結(jié)果說(shuō)明,本技術(shù)投資明顯低于同類技術(shù)中SCR和SNCR煙氣脫硝技術(shù),并可提出煤燃燒效率,降低煤耗量,可為我國(guó)的鍋爐、窯爐NOx限制提供技術(shù)支持.關(guān)鍵詞：低氮燃燒、工業(yè)鍋爐、NOx限制二、技

6、術(shù)內(nèi)容和原理研究2.1代表性成果介紹2.1.1 工程研究方案設(shè)計(jì)隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)工作的重視程度不斷提升,并下大力氣采取舉措對(duì)SO2和煙塵等進(jìn)行治理.總體上來(lái)說(shuō)SO2和顆粒物的排放量總體上有所降低,但NOx的排放量并沒(méi)有減少,而且還有增加的趨勢(shì).2021年我國(guó)二氧化硫排放量為2590萬(wàn)噸；氮氧化物排放量為2350萬(wàn)噸左右.可以預(yù)測(cè)如果不采取有效的氮氧化物污染限制舉措,2021年我國(guó)氮氧化物排放量將到達(dá)2900萬(wàn)噸左右.我國(guó)工業(yè)鍋爐以燃煤為主,其中層燃鍋爐占總臺(tái)數(shù)的93.7%,而室燃爐和循環(huán)流化床鍋爐只占總臺(tái)數(shù)的6.3%.根據(jù)測(cè)算數(shù)據(jù),我國(guó)現(xiàn)有燃煤工業(yè)鍋爐約為48萬(wàn)多臺(tái),總蒸發(fā)量約為250多萬(wàn)t

7、/h,占全國(guó)工業(yè)鍋爐總臺(tái)數(shù)和總蒸發(fā)量的85%左右.每年消耗原煤約6.4億噸,氮氧化物排放量約200萬(wàn)噸.工業(yè)鍋爐按燃燒方式可分為手燒爐排鍋爐、振動(dòng)爐排鍋爐、鏈條爐排鍋爐、拋煤機(jī)爐和循環(huán)流化床鍋爐等,其中70%以上的為4t/h以下的低壓小容量鍋爐,絕大多數(shù)為層燃爐.較大規(guī)模的燃煤工業(yè)鍋爐將在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)期存在.工業(yè)鍋爐效率低、燃燒排放的NOx濃度一般為300-500mg/Nnf左右,對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成巨大的威脅.國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)NOx排放限制技術(shù)主要是針對(duì)火電行業(yè),實(shí)施最多的是低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù).煙氣脫硝技術(shù)以選擇性催化復(fù)原(SCR)和選擇性非催化復(fù)原(SNCR)為主,我

8、國(guó)正在推廣的煙氣脫硝裝置以從國(guó)外引進(jìn)的選擇性催化復(fù)原SCR煙氣脫硝技術(shù)為主,煙氣脫硝的復(fù)原劑為氨、尿素等農(nóng)業(yè)用化肥.隨著我國(guó)煙氣脫硝工程的大規(guī)模實(shí)施,勢(shì)必出現(xiàn)煙氣脫硝與農(nóng)業(yè)爭(zhēng)奪氨、尿素資源的嚴(yán)重問(wèn)題.近年來(lái)隨著對(duì)低氮燃燒技術(shù)的研發(fā),國(guó)內(nèi)已經(jīng)根本具有自行設(shè)計(jì)、自行制造和自行安裝調(diào)試的水平,低氮燃燒技術(shù)已成為中國(guó)燃煤電廠NOx限制的首選技術(shù).因此,開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的具有前瞻性、戰(zhàn)略性低氮燃燒技術(shù)工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,也是保證我國(guó)煙氣降氮脫硝事業(yè)可持續(xù)開展的迫切要求.低氮燃燒技術(shù)主要技術(shù)舉措是改善燃燒條件,目前國(guó)內(nèi)外研究較多的是空氣分級(jí)燃燒法,燃料分級(jí)燃燒法,煙氣再循環(huán)法等.火電行業(yè)的低氮燃燒鍋爐

9、和工業(yè)鍋爐在燃燒方式、爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒溫度等方面有極大不同,電站鍋爐較成熟的低氮燃燒技術(shù)不能直接用于工業(yè)鍋爐,我國(guó)工業(yè)鍋爐的燃燒條件、燃料、鍋爐結(jié)構(gòu)、運(yùn)行負(fù)荷和操作條件等變化較大,低氮燃燒技術(shù)和設(shè)備開發(fā)難度較大.國(guó)內(nèi)對(duì)工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)研究得較晚,大局部研究?jī)H限于實(shí)驗(yàn)室小試階段,還需要進(jìn)一步的中試和工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn).目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的工業(yè)鍋爐都沒(méi)有采取NOx限制技術(shù),缺少成熟的低氮燃燒技術(shù).本工程利用現(xiàn)有的2t/h燃煤實(shí)驗(yàn)鍋爐,通過(guò)對(duì)爐膛的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,改變其燃燒方式和供風(fēng)方式,進(jìn)行工業(yè)鍋爐燃燒分級(jí)燃燒、分室供風(fēng)燃燒和排煙返燒研究,在不影響鍋爐燃燒效率的條件下,使鍋爐排放的NOx最低,到達(dá)綜合限制

10、NOx排放的目的.通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目的研究,研究開發(fā)我國(guó)工業(yè)鍋爐NOx的綜合限制技術(shù),為我國(guó)的低氮燃燒技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)保證,并為開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效NOx限制技術(shù)提供技術(shù)根底,從而提升我國(guó)煙氣低氮燃燒、脫氮技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.1工業(yè)鍋爐NOx生成機(jī)理目前國(guó)內(nèi)幾乎所有的工業(yè)鍋爐都沒(méi)有采取NOx限制技術(shù).我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐具有如下特點(diǎn)：多為低空排放,對(duì)城市大氣污染奉獻(xiàn)率高約45-65%,是影響城市空氣質(zhì)量的主要污染源之一；布局相對(duì)分散,大多分布在城市或居民區(qū)周邊；燃煤品質(zhì)差,且差異大,污染嚴(yán)重；污染物排放強(qiáng)度高,NOx排放濃度一般為300-1000mg/Nm3左右,NOx排放系數(shù)達(dá)2.94kg/噸煤

11、.工業(yè)鍋爐排放NOx是燃料與空氣在高溫燃燒時(shí)產(chǎn)生的,主要包括NO、NO?和N2O.在NOx中,NO占有90%以上,NO?僅占2%-10%,產(chǎn)生機(jī)理一般分為如下三種:1熱力型：燃燒時(shí)空氣中氮在高溫下氧化產(chǎn)生,其中的生成過(guò)程是一個(gè)不分支連鎖反響.相關(guān)研究說(shuō)明隨著反響溫度T的升高,其反響速率按指數(shù)規(guī)律增加,當(dāng)T1500時(shí),T每增加100C,反響速率增大約6-7倍.2快速型：快速型NOx是1971年Fenimore通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的,在燃料過(guò)濃時(shí),在碳?xì)浠衔锶剂先紵错憛^(qū)附近會(huì)快速生成NOxo由于燃料揮發(fā)物中碳?xì)浠衔锔邷胤纸馍傻腃H自由基可以和空氣中氮?dú)夥错懮蒆CN和N,再進(jìn)一步與氧氣作用以極快的

12、速度生成NOx,其形成時(shí)間只需約60ms,生成量與爐膛壓力0.5次方成正比,與溫度變化的關(guān)系不大.上述兩種氮氧化物都不占NOx的主要局部,不是主要來(lái)源.3燃料型NOx：山燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成.由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度,在600-800C時(shí)就會(huì)生成燃料型氮氧化物,它在煤粉燃燒NOx產(chǎn)物中占60-80%o在其生成過(guò)程中,首先是含有氮的有機(jī)化合物熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN等中間產(chǎn)物基團(tuán),然后再氧化成NOx.由于煤的燃燒過(guò)程由揮發(fā)份燃燒和焦炭燃燒兩階段組成,故燃料型NOx的形成也由氣相氮的氧化和焦炭中剩余氮的氧化兩局部形成.2燃煤工業(yè)鍋爐減排NOx主要技術(shù)舉措基于生成規(guī)律可以

13、知道,NOx的生成及去除多與以下因素有關(guān)：煤種特性,如煤的含氮量,揮發(fā)份含量,燃料比等.燃燒溫度.爐膛內(nèi)反響區(qū)煙氣的氣氛,即煙氣內(nèi)氧氣,氮?dú)?NO等的含量.燃料及燃燒產(chǎn)物在火焰高溫區(qū)和爐膛內(nèi)的停留時(shí)間.圍繞燃煤工業(yè)鍋爐NOx的生成機(jī)理,NOx減排技術(shù)舉措主要有兩大類：一是燃燒方式改良,二是燃燒后限制治理.1燃燒方式改良技術(shù)燃燒方式改良技術(shù)主要技術(shù)舉措是改善燃燒條件：包括低過(guò)量空氣燃燒法,空氣分級(jí)燃燒法,燃料分級(jí)燃燒法,煙氣再循環(huán)法等.對(duì)于現(xiàn)有鍋爐本體進(jìn)行改造,一般講難度稍大,不易推廣應(yīng)用,可將成熟的低氮燃燒舉措或技術(shù)應(yīng)用于新推出爐型,并逐漸引導(dǎo)取代現(xiàn)有落后爐型,有利于取得預(yù)想減排效果.限制NO

14、x形成的因素主要有：空氣一燃料比、燃燒區(qū)溫度及其分布、后燃燒區(qū)的冷卻程度、低氮燃燒器形狀等等；煙氣循環(huán)燃燒主要是降低氧濃度及燃燒區(qū)溫度,減少熱力型NOx.2爐膛噴射脫硝技術(shù)爐膛噴射脫硝技術(shù)主要包括噴氨及尿素SNCR脫硝、噴入二次燃料等.根本原理是向爐膛噴射某種物質(zhì),在一定的溫度條件下復(fù)原NO,到達(dá)降低NOx排放的目的.選擇性非催化復(fù)原SNCR法只在較窄的溫度范圍內(nèi)效果較好,故噴射點(diǎn)位置選取比擬重要,也受到限制,同時(shí)噴入的氨或尿素水溶液與煙氣良好混合是保證脫硝反響充分進(jìn)行,使用最少量的氨或尿素水溶液到達(dá)最好效果的重要條件.假設(shè)噴入的氨未充分反響,那么余氨會(huì)影響受熱面,使煙氣飛灰容易沉積,并有可能

15、生成硫酸鐵,帶來(lái)堵塞、腐蝕等隱患.SNCR噴氨法投資少,費(fèi)用低,但適用范圍窄,條件受限,良好的混合及反響空間、時(shí)間、溫度等條件很重要.3煙氣脫硝技術(shù)煙氣脫硝技術(shù)有濕法脫硝和干法脫硝,濕法脫硝主要有如堿液吸收法、酸吸收法、氧化吸收法、復(fù)原吸收法、生物法和絡(luò)合吸收法等,干法脫硝有煙氣催化脫硝SCR脫硝,電子束照射煙氣脫硝,同時(shí)脫硫脫硝法等.就目前而言,干法脫硝占主流地位.主要原因是與NOx與SO2相比,缺乏化學(xué)活性,難以被水溶液吸收；NOx經(jīng)復(fù)原后成為無(wú)毒的N2和02,脫硝的副產(chǎn)品便于處理；N%對(duì)煙氣中的NO可選擇性吸收,是良好的復(fù)原劑.濕法與干法相比,主要存在著裝置復(fù)雜且龐大、排水要處理、內(nèi)襯材

16、料腐蝕、副產(chǎn)品處理較難以及電耗大等缺點(diǎn).212燃煤工業(yè)鍋爐實(shí)驗(yàn)研究1實(shí)驗(yàn)鍋爐條件2t/h燃煤工業(yè)鍋爐型號(hào)DZL2-0.69-AH,燃煤為大同二類煙煤,煤質(zhì)及工業(yè)分析如表1所示.低氮燃燒改造前鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示,為四風(fēng)室鏈條爐排鍋爐.鼓風(fēng)機(jī)型號(hào)為4-72-12No3.2A,風(fēng)量為1688-3517nf/h,風(fēng)壓力1300-792Pa.燃煤量為380kg/h,煙氣排放量3580m3/h,排煙溫度為185.表】燃煤成份分析工程單位數(shù)量收到基碳%58.17收到基硫%0.32收到基氮%0.78到基灰分%6.08收到基水分%6.18枯燥無(wú)灰基揮發(fā)分%35.21收到基低位發(fā)熱量kJ/kg25558媾圖1低氮

17、燃燒改造前的爐膛結(jié)構(gòu)(2)分析測(cè)試條件利用GASMET4000測(cè)量鍋爐出口煙氣成份和參數(shù),采樣氣體全程加熱180,采樣氣體流量為2-10L/min,兩級(jí)過(guò)濾系統(tǒng),檢測(cè)器采用Peltier制冷,采用紅外光檢測(cè),光譜特征區(qū)間為900-4200cm/.煙氣NO的檢出限低于1.3ppm,NCh、CO、CH4、NH3等成份的檢出線低于1ppm.鍋爐煙膛溫度較高,最高燃燒溫度可達(dá)1300C,采用GASMET4000測(cè)量氣體分析成份受到限制.利用真空氣體采樣箱采集爐膛煙氣,采用lOLPelican氣密式平安箱,氣體采樣泵采用BUCK防爆型個(gè)體采樣泵,流量為0-5L/min.采樣啟動(dòng)時(shí),將箱內(nèi)空氣抽出,箱內(nèi)產(chǎn)

18、生負(fù)壓,箱外的煙氣樣品進(jìn)入5LTedlar采樣袋,采樣后的氣體樣品避光保存待測(cè).采用Nicolet6700傅立葉紅外光譜儀測(cè)量爐膛氣體樣品,配置MCT、DTGS雙檢測(cè)器,光譜特征區(qū)間為400-4000cm/,分辨率0.1-0.005cnP.測(cè)量氣體樣品中NO、NO2、比0、CO、CO2和CH4等.(3)低氮燃燒技術(shù)分析圖2低氮燃燒鍋爐結(jié)構(gòu)根據(jù)工業(yè)鍋爐的燃燒特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,將分級(jí)燃燒和煙氣循環(huán)低NOx技術(shù)應(yīng)用于層燃爐.通過(guò)在鍋爐爐膛中增加一個(gè)豎拱,將爐膛內(nèi)局部隔成兩局部.通過(guò)改變層燃鍋爐的結(jié)構(gòu)和配風(fēng)方式,使鍋爐的低氮燃燒分為兩個(gè)階段,第一階段作為揮發(fā)份析出區(qū),主要的生成物有N%、CH4CO等

19、,如圖2中；第二階段為NOx復(fù)原區(qū),圖2中,主燃燒區(qū)中生成的NOx可進(jìn)一步與第一階段生成的揮發(fā)份發(fā)生復(fù)原反響生成電和水,從而最終到達(dá)降低煙氣中氮氧化物排放的目的.改變層燃鍋爐爐拱的結(jié)構(gòu),使在鍋爐的前部煤層溫度可達(dá)350-850C,煤層停留時(shí)間約為8-15分鐘,根據(jù)燃煤揮發(fā)分生成的難易程度確定,預(yù)熱室下部煤層空氣量只需要鼓風(fēng)機(jī)總空氣量的5-10%.位于豎拱前部的爐膛空間由于供風(fēng)量較少,溫度較低,煤在該位置經(jīng)過(guò)復(fù)雜的熱解反響生成CH4、HCN和NH3等.由于該位置含氧量低,較容易形成復(fù)原性氣氛,生成少量的NO.位于豎拱后部的爐膛內(nèi)部由于過(guò)量空氣系數(shù)高,形成氧化氣氛,在豎拱前部生成的CH4、HCN和

20、NH3等復(fù)原性氣體進(jìn)一步與NO、O?反響,生成N?等,主要的反響式如下：4NO+CH,t2N2+CO2+H2O3NO+2HCN+20,一二M+ICO,+H、O2-2NO+CfM+2CO2NO+2CO-N?+CO24N3+ANO+O2-4N?+6H8主燃區(qū)的供風(fēng)量為鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量的95%左右,燃燒溫度限制在1080-1280,降低了熱力型NOx的生成,使主燃區(qū)生成的氮氧化物主要為燃料型氮.通過(guò)豎拱的上部使主燃區(qū)的過(guò)?？諝馀c鍋爐前部煤層產(chǎn)生的揮發(fā)份充分混合,實(shí)現(xiàn)燃料分級(jí)燃燒.通過(guò)豎拱使鍋爐前部和后部的主燃區(qū)分開,到達(dá)分室供風(fēng)的效果.煙氣中的揮發(fā)份在鍋爐前部的旋轉(zhuǎn)燃燒室充分燃燒,從而降低煙氣中的CO排放

21、量,并使燃煤揮發(fā)份中的NH3、CH、CO等與主燃區(qū)生成的NOx反響最終生成N?和水,到達(dá)降低氮氧化物排放的效果.213結(jié)果與分析1分級(jí)燃燒對(duì)NOx排放的影響通過(guò)改變爐排下各風(fēng)室的供風(fēng)量的方法實(shí)現(xiàn)層燃爐空氣分級(jí)燃燒,實(shí)現(xiàn)低氮燃燒.原有的四風(fēng)室改為六風(fēng)室,沿爐排將鼓風(fēng)分兩級(jí)供入爐內(nèi),第一二風(fēng)室為貧氧燃燒區(qū),煤經(jīng)熱解產(chǎn)生的的NH、CH/、CO等復(fù)原性氣體.三至六風(fēng)室為焦炭燃燒區(qū),采用富氧燃燒,通過(guò)優(yōu)化供風(fēng)實(shí)現(xiàn)焦炭復(fù)原NO.采用分室配風(fēng)后NOx排放量由127-175ppm降為67-89ppm,降氮效率達(dá)30%o150-1.11.21.31.41.5161.7i悌)空氣系數(shù)圖3過(guò)菊I空氣系數(shù)影響低氮燃燒

22、效果ooooooO432109811111fNOE)-X二XON采用GASMET4000測(cè)量鍋爐出口煙氣成份,圖3所示的是過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)NOx排放關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn)空氣過(guò)剩系數(shù)在1.5時(shí),煙氣NOx濃度為127mg/Nm3o圖4所示的是二次風(fēng)對(duì)降氮效果的影響,在不改變總供風(fēng)量的條件下,研究旋流主燃燒區(qū)二次風(fēng)量和降氮效率的關(guān)系.研究發(fā)現(xiàn),增加二次風(fēng)量時(shí)NOx濃度反而上升,研究以為,主燃燒區(qū)溫度較高,通入二次風(fēng)時(shí)可使NN、CH,、HCN和CO等復(fù)原性氣體燃燒,進(jìn)一步生成NOx,影響降氮效果.一一NOx一一CO02468-Wi總川顯的仃分?jǐn)?shù)(%)圖4二次風(fēng)影響低氮燃燒效果(2)煙氣循環(huán)對(duì)NOx排放的影響

23、將一局部低溫?zé)煔庵苯铀腿氲谌亮L(fēng)室內(nèi),降低了氧氣濃度,可提升焦炭的NO復(fù)原率.煙氣循環(huán)有利于提升燃燒空氣溫度,降低能耗.圖5所示是煙氣循環(huán)率影響降氮效率的曲線,研究結(jié)果表時(shí),煙氣循環(huán)率8-20%時(shí),排煙NOx會(huì)明顯降低,降NOx的效率3-5%左右.Edd)詞代ON通過(guò)對(duì)以上鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)的改造,鍋爐受熱面積并不改變,并可提升鍋爐燃燒溫度,可使鍋爐的燃燒效率不降低的條件下.表2不同位置的氣體成份成份位置(mg/nP)co29219541ch417191.6N%18119NO198187156NOz311(3)爐膛氣體成份對(duì)NOx排放的影響采用真空采樣對(duì)爐膛內(nèi)部不同位置的氣體進(jìn)行采樣,各位置如圖2

24、所示.結(jié)合傅立葉紅外光譜儀分析各種氣體成份,研究結(jié)果如表2所示.分析說(shuō)明,在位置主要為焦炭燃燒,CO生成量較高,同時(shí)由于該位置空氣過(guò)剩系數(shù)較高,氧含量大,生成局部NO2.在位置主要為貧氧燃燒,煤高溫?zé)峤馍蒀O、CH和NH3等氣體,NO濃度較高.比擬位置和,NO的生成量受CO和CH4的影響較明顯,隨著CO和CH4濃度的變化,NO的濃度也有較大的變化,說(shuō)明NO的生成量受揮發(fā)份復(fù)原作用的影響.通過(guò)優(yōu)化煤熱解區(qū)、焦炭燃燒區(qū)和氣體主燃燒區(qū)燃燒條件,提升NH3、CH,、HCN和CO等成份與NO反響的幾率,提升降氮效率.(4)低氮燃燒效果分析表3實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果序號(hào)參數(shù)名稱單位測(cè)試數(shù)據(jù)1煙氣溫度,C1282過(guò)

25、量空氣系數(shù)a1.533煙氣含濕量%7.14煙道工況煙氣流量m3/h38575煙道標(biāo)態(tài)煙氣流量m?/h26256NOx平均排放濃度mg/Nm31367SO?平均排放濃度mg/Nm35788CO平均排放濃度ppm399CO2平均排放濃度%9.31002平均排放濃度%11.2表3所示的是采用傅立葉紅外煙氣分析系統(tǒng)測(cè)得的低氮燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果,比擬發(fā)現(xiàn),在燃燒同一煤種,相同燃狀況的條件下,未采取低氮燃燒鍋爐NOx的排放濃度約為147-210ppm,采用低氮燃燒后煙氣中NOx的濃度為67-89ppm,氮氧化物濃度降低30%以上,煙氣中NOx的濃度低于200mg/Nnf,有較好的降氮效果.(5)低氮燃燒效果分析

26、表4爐渣分析結(jié)果序號(hào)參數(shù)名稱單位測(cè)試數(shù)據(jù)i灰分%82.412揮發(fā)分%1.493固定碳%12.974全硫%0.555氮%0.586全碳%16.32表4是對(duì)鍋爐爐渣測(cè)試分析結(jié)果,研究說(shuō)明,爐渣固定碳含量較低,達(dá)12.97%,與普通工業(yè)鍋爐爐渣的含碳一致,一般為10-15%.與火電鍋爐相比,固定碳含量一般較高,火電鍋爐爐渣含碳量一般為8-9%o2.2燃燒數(shù)學(xué)模型建立與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件開發(fā)1數(shù)值模擬分析以動(dòng)量、質(zhì)量、能量和組分守恒根本方程和數(shù)值計(jì)算方法為根底的計(jì)算機(jī)模擬在流態(tài)化過(guò)程研究中得到了廣泛的應(yīng)用.由于計(jì)算機(jī)模擬能夠?qū)υ囼?yàn)研究難以測(cè)量的一些過(guò)程和細(xì)節(jié)進(jìn)行研究并且節(jié)省費(fèi)用,因此計(jì)算機(jī)模擬作為與理論分析

27、和試驗(yàn)研究互補(bǔ)的一種重要方法對(duì)于深化了解鍋爐燃燒過(guò)程N(yùn)Ox的限制原理將會(huì)起到重要的作用,為設(shè)備優(yōu)化與系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).本工程主要研究其燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、煙氣化學(xué)成分等的變化,根據(jù)實(shí)際的鍋爐尺寸用GAMBIT建立了鏈條鍋爐的流場(chǎng)兒何模型,利用FLUENT進(jìn)行CFD數(shù)值模擬的根本步驟如下：1據(jù)鍋爐的幾何尺寸建立兒何模型、劃分網(wǎng)格；2根據(jù)計(jì)算工況確定入口介質(zhì)的速度等邊界條件；3選取適宜的模型進(jìn)行燃燒過(guò)程的模擬計(jì)算；4進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理分析.2網(wǎng)格劃分構(gòu)建2t/h爐排鍋爐的幾何模型,如圖6所示.該幾何模型是根據(jù)中間有擋板、前部有圓柱形煙氣出口的一種試驗(yàn)形式建立的模型.通過(guò)運(yùn)用交錯(cuò)網(wǎng)格,x、y方向動(dòng)

28、量方程中的壓力梯度分別為空=和私族dp_Pn.Pp與初步劃分了網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)在4x10)如圖7所示.圖6鏈條鍋爐幾何模型圖7鏈條鍋爐網(wǎng)格圖選用FLUENT中換熱器模型來(lái)模擬其燃燒換熱過(guò)程,同時(shí)把該區(qū)域考慮成一個(gè)多孔介質(zhì)阻力區(qū),來(lái)模擬它對(duì)煙氣流動(dòng)的阻礙作用.入口氣量在26000m3/h左右,貧氧燃燒區(qū)進(jìn)氣量占5%,中間豎拱后富氧燃燒區(qū)進(jìn)氣量占95%o初始溫度、壓力、燃料供應(yīng)都根據(jù)測(cè)量得到的參數(shù)確定.選擇組分傳輸模型模擬燃燒,燃料是選擇中壓下煤的揮發(fā)分.模擬過(guò)程中用模型試驗(yàn)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和修正.(3)流場(chǎng)分析模型1)4飛雙方程模型通過(guò)利用SIMPLE算子建立k-z雙方程模型,其限制方程為:嚓

29、嗎噫+裊嚶式p,次pudpv!opD/d111=dtdxdydzdx式中.、S各項(xiàng)的含義如表5所示.ScaledResxkiahApr29.2021FLUENT6,33d.pbns$pt.skt表5k-f模型的限制方程方程.S連續(xù)性方程100X軸向動(dòng)量UeffSPa/du.dzdv.d/dco一丁+丁-+叨力+-理二oxoxoxdyox&oxY軸向動(dòng)量V以哂6Pdzduxdzdv,d/6co、一丁一丁也+叨+/dyoxdydydy&dyZ軸向動(dòng)量GN哂6Pdzdu.dzov.d,6co、一二皿+叨+&-&ox&dydz.&湍動(dòng)能K/+外Gk-P耗散率/+%CQk,c*其中：民0=4+:M=K/

30、：圖8數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果1g05oo844e*CO7846*CO7246-00664e-008036*0015436*004&36-004236-0036283026*002426-001&26-001216*006301VelocityVtdorsColotodByVelocityMagnitudemApt29.2021FLUENT63(35pbns.$pe.3ks圖9鏈條鍋爐煙氣流場(chǎng)模型效果2燃料氣化燃燒模擬由于煤中的揮發(fā)分在到達(dá)一定的溫度揮發(fā)出來(lái)之后才與氧氣發(fā)生反響,所以揮發(fā)分的燃燒屬于非預(yù)混燃燒,根據(jù)換算和試算來(lái)確定適宜的邊界條件.通過(guò)建立多步渦團(tuán)耗散模型,對(duì)階梯式火焰進(jìn)行模擬.燃燒反響

31、式如下：fuelk+rkoxidantkf1+4product!k+1一人1+rkproduct2k其中：X第k種燃料的物質(zhì)的量；人是生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù).yY-buP-minSKf,Behtl1k4l+0j其中：上燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；匕-氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；力-產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；4加、瓦加-模型常數(shù).燃燒動(dòng)力學(xué)速率由Arrhenius定律表示：xMcjcr其中4-指前因子；氏溫度指數(shù)；C-各種燃料的濃度;燃燒活化溫度.反響率通常由混合率和燃燒動(dòng)力學(xué)速率的最小值決定,即4min,凡燦_本工程采用了多步渦團(tuán)耗散模型,取得了較好的模擬效果.3焦炭燃燒模擬煤析出揮發(fā)分后剩下固體物質(zhì)是焦炭,焦炭在氣相氧化劑中燃燒屬

32、于氣固非均相燃燒,燃燒可能發(fā)生在碳粒的外部外表上,也可能發(fā)生在碳內(nèi)部的氣孔外表處.在這種非均相反應(yīng)中一般作如下假定：炭顆粒是處于無(wú)限大氣流中的炭球；氣相反響物首先向顆粒外表或氣孔內(nèi)擴(kuò)散,進(jìn)而被固體外表吸附發(fā)生反響；氣相生成物從顆粒外表解析,離開固體外表向外擴(kuò)散.限制整個(gè)反響速率的可以是化學(xué)的吸附、反響和解吸作用,也可以是反響物、生成物的擴(kuò)散作用,因此炭的非均相反響速率是化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素和擴(kuò)散作用聯(lián)合限制的結(jié)果.采用焦炭燃燒的擴(kuò)散動(dòng)力模型,認(rèn)為焦炭的燃燒速率R同時(shí)受到氧擴(kuò)散到焦炭外表的速率和化學(xué)反響的動(dòng)力速率這兩方面的限制,可表示為：空式中：尸.2人氧氣的分壓；六為直徑；七、元-分別為擴(kuò)散系數(shù)和動(dòng)

33、力系數(shù),可表示為：氏四卜/K_ShDM一_R7D式中：S/Sherwood數(shù),取為2.0：-氧氣的擴(kuò)散系數(shù)：M-碳的摩爾質(zhì)量；凡通用氣體常數(shù).4湍流兩相流顆粒軌道模型2NH、+NO+NO、2NH4NO.通過(guò)以上化學(xué)反響,顆粒軌道模型可簡(jiǎn)化為：c+.NO=.Tf-XMNOXNO3MngMnh、XMNOX+SN01d帆Njy+VdtON%=,=物、/-%II.夕03161ro3155e*03150*03144e*03138M03132*403127X03II21*031.303113031Ue*039811029.22028302Cfi02752026302579e*02ContoursofSia

34、licTerrpefaiwekApr12.2021FLUENT633dptns印,$ke圖io溫度分布輪廓圖數(shù)值計(jì)算各項(xiàng)值的殘差收斂如圖8.計(jì)算后速度場(chǎng)矢量圖如圖9所示,在出口處形成一個(gè)大的盤旋流場(chǎng),此處燃料的揮發(fā)分和氧氣充分混合,因此溫度的最高點(diǎn)集中在出口處,最高溫度在1300C左右,如圖8所示；而燃燒室尾部流動(dòng)速度較低,也有一個(gè)小的回流區(qū),燃燒并不充分,主要是由前部對(duì)流輻射引起的升溫,溫度在500C左右,這根本符合實(shí)際試驗(yàn)現(xiàn)象.研究發(fā)現(xiàn),鍋爐燃燒溫度最高點(diǎn)集中在出口處,如圖10所示,與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果符合得較好.流場(chǎng)速度分布較為均勻,因此溫度場(chǎng)也分布較為均勻,最高溫度在1200C左右.NOx濃

35、度分布如圖11所示.在中間豎拱前的圓柱形出口處形成一個(gè)大的盤旋流場(chǎng)NOx濃度分布,由于燃燒區(qū)還產(chǎn)生了NH3、甲烷等副產(chǎn)物,對(duì)NOx發(fā)生了復(fù)原反響,導(dǎo)致分布不均,要考慮根據(jù)所發(fā)生的反響對(duì)模型進(jìn)行修正.147041zWe-041.l904113041.067M9.21258.53Y7.峙T57.17-O5649.O65.81OS5.13-06ComtxrsofMassfractonofPotutamgApe29.2021FLUENT6.343d.2g卬e.de圖11NOx濃度分布輪廓圖分析低氮燃燒鍋爐的數(shù)值模擬溫度場(chǎng)和NOx濃度分布場(chǎng)可以看出,NOx濃度和燃燒溫度最高發(fā)生在鍋爐前上部的揮發(fā)份再燃區(qū)

36、,溫度到達(dá)1300C左右,與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果符合得很好.研究發(fā)現(xiàn),NOx的濃度分布隨著溫度分布而變化,溫度高的地方NOx濃度高,這是受熱力燃燒生成NOx的影響而產(chǎn)生的.通過(guò)對(duì)層燃鍋爐低氮燃燒數(shù)值模擬的研究與進(jìn)一步驗(yàn)證,形成低氮燃燒開發(fā)軟件包,可為低氮燃燒鍋爐設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).2.3結(jié)論1空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒可應(yīng)用在工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)中,NOx排放量由127-175ppm降為67-89ppm；2工業(yè)鍋爐排煙返燒技術(shù)中循環(huán)煙氣率達(dá)10-15%時(shí),煙氣循環(huán)可實(shí)現(xiàn)降低NOx排放3-5%；3采用傅立葉紅外煙氣分析系統(tǒng)測(cè)得的低氮燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析發(fā)現(xiàn),NO的生成量受CO和CH4的影響較明顯,隨著CO和C

37、H濃度的變化,NO的濃度也有較大的變化,說(shuō)明NO的生成量受揮發(fā)份復(fù)原作用的影響.4相同燃燒條件下,未采取低氮燃燒鍋爐NOx的排放濃度約為147-210ppm,采用低氮燃燒后煙氣中NOx的濃度為67-89ppm,氮氧化物濃度降低30%以上,煙氣中NOx的濃度低于200mg/Nm3,有較好的降氮效果.5技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估結(jié)果說(shuō)明,本技術(shù)投資明顯低于同類技術(shù)中SCR和SNCR煙氣脫硝技術(shù),并可提升燃燒效率,降低煤耗,為我國(guó)的鍋爐、窯爐NOx限制提供技術(shù)支持.6由于儀器設(shè)備條件的限制,未對(duì)低氮燃燒鍋爐不同位置的其它復(fù)原氣體成分進(jìn)行精確分析,需要有更高精度的儀器,有待于在以后的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中進(jìn)一步三、關(guān)鍵

38、技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)3.1 關(guān)鍵技術(shù)本工程擬利用現(xiàn)有的2t/h燃煤工業(yè)鍋爐,通過(guò)對(duì)爐膛的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,改變其燃燒方式和供風(fēng)方式,進(jìn)行工業(yè)鍋爐燃燒分級(jí)燃燒、分室供風(fēng)燃燒和排煙返燒實(shí)驗(yàn)研究,在不影響鍋爐燃燒效率的條件下,使鍋爐排放的NOx最低,到達(dá)綜合限制NOx排放的目的.通過(guò)對(duì)本工程的研究,研究開發(fā)我國(guó)工業(yè)鍋爐NOx的綜合限制技術(shù),為我國(guó)的低氮燃燒技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)保證,并為開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效NOx限制技術(shù)提供技術(shù)根底,從而提升我國(guó)煙氣低氮燃燒、脫氮技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.1燃燒數(shù)值分析模型研究利用FLUENT數(shù)值模擬分析軟件建立燃燒數(shù)學(xué)模型,通過(guò)對(duì)2t/h燃煤工業(yè)鍋爐進(jìn)行燃燒數(shù)值模擬分析,考察燃燒溫

39、度、燃煤厚度、富氧量、燃煤成分等因素對(duì)NOx排放濃度的影響；并通過(guò)建立的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)工業(yè)鍋爐低氮燃燒設(shè)備,初步確定分段燃燒、供風(fēng)方式和煙氣回收燃燒等參數(shù).2低氮燃燒技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件包開發(fā)基于物料衡算和反響特性,結(jié)合燃燒數(shù)值模擬分析方法,對(duì)改造前后煙氣排放量和NOx排放濃度進(jìn)行比擬,開發(fā)低氮燃燒技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件包.為進(jìn)一步推廣應(yīng)用本研究成果準(zhǔn)備條件.3.2 創(chuàng)新性1借助燃燒數(shù)值模擬方法進(jìn)行集成,來(lái)指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì),開發(fā)出工業(yè)鍋爐低氮燃燒新技術(shù)；2研究燃料分級(jí)燃燒、分室供風(fēng)低氮燃燒關(guān)鍵技術(shù),通過(guò)改變鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒方式,在不降低燃燒溫度和燃燒效率的條件下實(shí)現(xiàn)低NOx排放；3在2t/h工業(yè)燃煤鍋

40、爐上實(shí)驗(yàn)保證NOx減排30%-50%,為降低我國(guó)燃煤鍋爐NOx減排提供技術(shù)儲(chǔ)藏和關(guān)鍵技術(shù)支撐.四、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估以2t/h燃煤工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造為例,原有的2t/h燃煤工業(yè)鍋爐為單鍋筒鏈條爐排爐,煙氣在鍋爐內(nèi)為三回程.鍋爐出口煙氣溫度在180C以上,NOx排放濃度在330-370mg/Nm3,鍋爐燃燒效率較低,在76%以下.表5和表6所示的是分別利用本工程技術(shù)的投資和運(yùn)行費(fèi)用.1鍋爐改造工作量1鍋爐本體改造：在燃燒室兩側(cè)增加左右下集箱,在爐前增加前集箱和中集箱；新增與現(xiàn)有集箱的連通管道包括下降管；現(xiàn)有鍋爐本體的集箱前部需接長(zhǎng)1.5米左右；2筑爐：鍋爐保溫材料、耐火材料；3烘爐2本錢核算表62t/h燃煤工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造本錢核算序號(hào)名稱數(shù)量單價(jià)元費(fèi)用萬(wàn)元1鋼材0.8噸55000.442耐火磚1.5m312000.183耐火水泥40袋800.324打壓實(shí)驗(yàn)1次30000.305烘爐用木材1m315000.156人工筑爐、烘爐等20人天1800.36合計(jì)1.75表7不同限制技術(shù)的費(fèi)用比擬每蒸噸鍋爐投資萬(wàn)元運(yùn)行費(fèi)用萬(wàn)元/年NOx去除率%備注SCR脫硝技術(shù)5.50.850-95增加阻力約lOO