低氮分級(jí)燃燒技術(shù)

1、低氮分級(jí)燃燒技術(shù)一.低NOx優(yōu)化燃燒技術(shù)的分類及比較為了實(shí)現(xiàn)清潔燃燒，目前降低燃燒中NO、排放污染的技術(shù)措施可分為兩大類：一類是爐內(nèi)脫氮，另一類是尾部脫氮。1.1爐內(nèi)脫氮爐內(nèi)脫氮就是采用各種燃燒技術(shù)手段來(lái)控制燃燒過(guò)程中NOx的生成，又稱低NOx燃燒技術(shù)，下表給出了現(xiàn)有幾種典型爐內(nèi)脫氮技術(shù)的比較。表2技術(shù)名稱效果優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)低氧燃燒根據(jù)原來(lái)運(yùn)行條件，最多降低20%投資最少導(dǎo)致飛灰含碳量增加降低投入運(yùn)行的燃燒器數(shù)目15%30%投資低，易于鍋爐改裝有引起爐內(nèi)腐蝕和結(jié)渣的可能，并導(dǎo)致飛灰含碳量增加空氣分級(jí)燃燒（OFA）最多30%投資低并不是對(duì)所有爐膛都適用，有可能引起爐內(nèi)腐蝕和結(jié)渣，并降低燃燒效率低NOx

2、燃燒器與空氣分級(jí)燃燒相結(jié)合時(shí)可達(dá)60%用于新的和改裝的鍋爐，中等投資，有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)比常規(guī)燃燒器復(fù)雜.煙氣再循環(huán)（FGR）最多20%能改善混合燃燒，中等投資增加再循環(huán)風(fēng)機(jī)，使用不廣泛燃料分級(jí)(再燃)達(dá)到50%適用于新的和改造現(xiàn)有鍋爐，可減少已形成的NOX，中等投資可能需要增加第二種燃料，可能導(dǎo)致飛灰含碳量增加，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少1.2尾部脫氮尾部脫氮又稱煙氣凈化技術(shù)，即把尾部煙氣中已經(jīng)生成的氮氧化物還原或吸附，從而降低NOx排放。煙氣脫氮的處理方法可分為：催化還原法、液體吸收法和吸附法三大類。催化還原法是在催化劑作用下，利用還原劑將NOx還原為無(wú)害的N2。這種方法雖然投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高，且需消耗氨和燃

3、料，但由于對(duì)NOx效率很高，設(shè)備緊湊，故在國(guó)外得到了廣泛應(yīng)用，催化還原法可分為選擇性非催化還原法和選擇性催化還原法相比，設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)資金少，是一種有吸引力的技術(shù)。液體吸收法是用水或者其他溶液吸收煙氣中的NOx。該法工藝簡(jiǎn)單，能夠以硝酸鹽等形式回收N進(jìn)行綜合利用，但是吸收效率不高。吸附法是用吸附劑對(duì)煙氣中的NOx進(jìn)行吸附，然后在一定條件下使被吸附的NOx脫附回收，同時(shí)吸附劑再生。此法的NOx脫除率非常高，并且能回收利用。但一次性投資很高。爐內(nèi)脫氮與尾部脫氮相比，具有應(yīng)用廣泛、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效等優(yōu)點(diǎn)。表2中各種低NOx燃燒技術(shù)是降低燃煤鍋爐NOx排放最主要也是比較成熟的技術(shù)措施。一般情況下，這

4、些措施最多能達(dá)到50%的脫除率。當(dāng)要進(jìn)一步提高脫除率時(shí)，就要考慮采用尾部煙氣脫氮的技術(shù)措施，SCR和SNCR法能大幅度地把NOx排放量降低到200mg/m3，但它的設(shè)備昂貴、運(yùn)行費(fèi)用很高。根據(jù)我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀和當(dāng)前經(jīng)濟(jì)實(shí)力還不雄厚的國(guó)情，以及相對(duì)寬松的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CB13223一2003，在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)更適合發(fā)展投資少、效果也比較顯著的爐內(nèi)脫氮技術(shù)。即使采用煙氣凈化技術(shù)，同時(shí)采用低NOx燃煤技術(shù)來(lái)控制燃燒過(guò)程N(yùn)Ox的產(chǎn)生，以盡可能降低化設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。表2中各爐內(nèi)脫氮技術(shù)又以燃料分級(jí)效率較高。燃料再燃技術(shù)是有效的降低NOx排放的措施，早在1980年日本的三菱公司就將天然氣再燃技術(shù)應(yīng)

5、用于實(shí)際鍋爐，NOx排放減少50%以上。美國(guó)能源部的“潔凈煤技術(shù)”計(jì)劃也包括再燃技術(shù)，其示范項(xiàng)目分別采用煤或天然氣作為再燃燃料，NOx排放減少30%到70%。在日本、美國(guó)、歐洲再燃技術(shù)大量應(yīng)用于新建電站鍋爐和已有電站鍋爐的改造，在商業(yè)運(yùn)行中取得良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。在我國(guó)燃料再燃燒技術(shù)研究和應(yīng)用起步較晚，主要是因?yàn)槲覈?guó)過(guò)去對(duì)環(huán)保的要求較低，另一方面則是出于技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的考慮。進(jìn)入90年代，我國(guó)嚴(yán)重缺電局面開始緩和，大氣污染日益嚴(yán)重，1994年全國(guó)85個(gè)大中城市中NOx超標(biāo)的城市就有30個(gè)，占35%。1998年對(duì)全國(guó)322個(gè)省控城市量監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，NOx年日平均值范圍在0.006一0.152m

6、g/m3，全國(guó)平均為0.037mg/m3，治理大氣污染成為十分迫切的任務(wù)。隨著環(huán)保要求的不斷提高，研究適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的低成本的再燃低NOx燃燒技術(shù)具有良好的前景。二.分級(jí)燃燒原理抑制NOx 的生成可采取的措施有：1.降低鍋爐峰值溫度,將燃燒區(qū)的煤粉量降低。2.降低氧濃度（即降低過(guò)量空氣系數(shù)），將部分二次風(fēng)管堵住。3.由于要保證鍋爐的出力，可將部分煤粉和空氣從鍋爐上部投入，這樣就控制了燃燒火焰中心區(qū)域助燃空氣的數(shù)量，縮短燃燒產(chǎn)物在高溫火焰區(qū)的停留時(shí)間，避免了高溫和高氧濃度的同時(shí)存在。4在爐膛中設(shè)立再燃區(qū)，利用在主燃區(qū)中燃燒生成的烴根CHi和未完全燃燒產(chǎn)物CO、H2、C和CnHm等，將NO的還原成N

7、2。如示意圖1所示。燃料+空氣NOCO+O2CO2NO+CHiN2等燃料+空氣NO燃盡區(qū) =1.167再燃區(qū) =0.80.9主燃區(qū) =0.91燃盡風(fēng)再燃燃料一次燃料一、二次風(fēng)圖1 分級(jí)燃燒原理圖將80%85%的燃料送入主燃區(qū),燃料在主燃區(qū)燃燒生成NOx ,15%20%的燃料送入再燃區(qū),再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)小于1.0(<1.0),具有很強(qiáng)的還原性氣氛,在主燃區(qū)生成的NOx被還原；再燃區(qū)不僅能夠還原已經(jīng)生成的NOx,而且還抑制了新的NOx生成；在燃盡區(qū)供給一定量的空氣(稱為燃盡風(fēng)),保證從再燃區(qū)出來(lái)的未完全燃燒產(chǎn)物燃盡。根據(jù)超細(xì)煤粉再燃低NOx燃燒技術(shù)原理和前期的研究結(jié)果,將整個(gè)爐膛燃燒區(qū)劃分

8、為主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。各區(qū)域出口過(guò)量空氣系數(shù)目標(biāo)值為：主燃區(qū)出口=0.91.0,再燃區(qū)出口=0.80.9,燃盡區(qū)出口=1.167。鍋爐主、再燃區(qū)均以鍋爐實(shí)際燃用煤為燃料,主燃區(qū)燃燒80%90%的濃煤粉,再燃區(qū)噴入10%20%的超細(xì)化煤粉作為再燃燃料。超細(xì)煤粉是指粒徑小于43m的煤粉,根據(jù)有關(guān)研究,這個(gè)尺度的煤粉有與霧化燃油相同的燃燒特性。在工程應(yīng)用中,可以用濃淡分離器從常規(guī)煤粉中分離。三分級(jí)燃燒的技術(shù)特點(diǎn)1.優(yōu)異的低負(fù)荷不投油穩(wěn)燃能力。該設(shè)計(jì)的理念之一是建立煤粉早期濃縮著火，為此公司開發(fā)了高效濃淡分離裝置、兩層濃濃、淡淡一次風(fēng)合用一層一次風(fēng)室，中間完全分隔的一次風(fēng)煤粉燃燒器、周界齒形的煤粉

9、燃燒噴嘴，同時(shí)一次風(fēng)煤粉反切射流技術(shù)，極大地提高鍋爐的不投油低負(fù)荷穩(wěn)燃能力。根據(jù)設(shè)計(jì)和校核煤種的著火特性，選用合適的煤粉濃縮比、煤粉噴嘴、和濃一次風(fēng)反切角度，在煤種允許的變化范圍內(nèi)確保煤粉及時(shí)著火穩(wěn)燃，并且燃燒器狀態(tài)良好。2.優(yōu)異的煤粉高效燃盡、防結(jié)渣及高溫腐蝕的特性首先，高濃度煤粉的早期著火提高了燃燒效率；同時(shí)通過(guò)在爐膛的不同高度布置底部二次風(fēng)、偏置二次風(fēng)、上部OFA 和空間分離的S-OFA，將爐膛分成三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分：燃燒區(qū)，NOx還原區(qū)和燃盡區(qū)。在每個(gè)區(qū)域合理的控制各自的過(guò)量空氣系數(shù)，這種改進(jìn)的空氣分級(jí)方法通過(guò)優(yōu)化每個(gè)區(qū)域的過(guò)量空氣系數(shù)，在有效降低NOx 排放的同時(shí)能最大限度地提高燃燒

10、效率；第三，通過(guò)燃燒器區(qū)域的剛性偏置二次風(fēng)，在爐膛壁面附近形成低煤粉濃度的氧化區(qū)，避免了爐膛結(jié)渣和高溫腐蝕的發(fā)生。第四，本技術(shù)將煤粉濃淡分離，所有濃一次風(fēng)煤粉都布置在了燃燒區(qū)域下部，相當(dāng)于提高了煤粉燃盡高度及NOx還原高度，有利于提高鍋爐燃燒效率及降低NOx的排放水平。3.超低的NOx燃燒排放特性分級(jí)燃燒技術(shù)的最突出特點(diǎn)是超低NOx燃燒特性，在保證穩(wěn)燃高效的前提下，通過(guò)采用高效濃淡分離技術(shù)、空間燃燒分級(jí)技術(shù)、一次風(fēng)逆向射流等手段不僅保證煤粉早著火，穩(wěn)定燃燒，通過(guò)采用上下、左右可調(diào)燃盡風(fēng)噴口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)按需供風(fēng)和降低爐膛出口煙溫偏差，更重要的是實(shí)現(xiàn)了鍋爐超低NOx的燃燒排放。4.優(yōu)異的小油點(diǎn)火

11、穩(wěn)燃能力。該設(shè)計(jì)采用公司經(jīng)過(guò)了大量工業(yè)應(yīng)用的煤粉氣化小油燃燒點(diǎn)火技術(shù)，在第一層的濃、淡一次風(fēng)的煤粉燃燒器中布置了小油點(diǎn)火裝置，可以在鍋爐冷態(tài)以及熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)完全不投入大油槍，極大地降低了鍋爐的啟動(dòng)和在更低負(fù)荷下的穩(wěn)燃油耗。5.分離燃盡風(fēng)SOAF還具有較好的降低爐膛出口煙溫偏差特性采用空間空氣的分級(jí)燃燒技術(shù)不僅是降低NOx排放、提高煤粉燃盡率的重要手段，同時(shí)采用對(duì)SOFA的水平擺動(dòng)調(diào)整，更有助于降低爐膛出口兩側(cè)煙溫偏差而導(dǎo)致的過(guò)熱器及再熱器壁溫偏差的作用6. 五大技術(shù)特點(diǎn)保證鍋爐改造后大幅提高鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性CEE超低NOx燃燒技術(shù)無(wú)任何運(yùn)行成本，它不僅實(shí)現(xiàn)鍋爐的超低NOx排放，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了鍋爐高效穩(wěn)

12、燃、防結(jié)渣、防高溫腐蝕、低負(fù)荷不投油穩(wěn)燃、鍋爐小油點(diǎn)火穩(wěn)燃的特性，擴(kuò)大了鍋爐的煤種適應(yīng)性等功能，在工業(yè)化應(yīng)用中取得了優(yōu)異的效果。四、改造方案（煙煤）下面以典型的300MW四角切圓燃燒鍋爐為例介紹基于分級(jí)燃燒技術(shù)的CEE低氮燃燒技術(shù)：整個(gè)燃燒系統(tǒng)的各噴嘴布置示意見圖1所示。圖1. 鍋爐燃燒系統(tǒng)各噴嘴布置示意圖圖2 CEE燃燒技術(shù)的爐膛縱向空間燃燒組織示意圖圖4 CEE主燃燒器區(qū)域爐膛水平截面燃燒組織示意圖圖3 CEE燃燒技術(shù)的一室兩層濃一次風(fēng)煤粉燃燒器示意圖首先，采用在各煤粉管道中布置的的旋風(fēng)分離器對(duì)一次風(fēng)煤粉進(jìn)行濃淡分離，兩個(gè)濃濃、淡淡的一次風(fēng)煤粉進(jìn)入一個(gè)一次風(fēng)室，構(gòu)成一個(gè)一室兩層的煤粉燃燒器

13、。從下往上，一次風(fēng)煤粉噴嘴依次為：兩室四層濃濃一次風(fēng)、一層濃淡一次風(fēng)、兩層淡淡一次風(fēng)，見圖1所示。第二，將燃燒區(qū)域分成上下三個(gè)區(qū)域，下部為由兩層四室濃一次風(fēng)構(gòu)成的主燃燒穩(wěn)燃區(qū)，中部為兩層四室的淡一次風(fēng)構(gòu)成的NOx還原區(qū)，頂部為由在主燃燒區(qū)上部布置的兩層分離SOFA構(gòu)成的燃盡區(qū)，見圖2所示。第三，在爐膛燃燒區(qū)域的水平截面，一次風(fēng)噴嘴射流反切，在每層濃一次風(fēng)噴嘴上部布置一層剛性的偏置二次風(fēng)，這樣構(gòu)成了在爐膛中央的高濃度煤粉、高溫、低氧的主燃燒區(qū)，在爐膛壁面附近構(gòu)成了低煤粉濃度、低溫、高過(guò)量空氣系數(shù)的氧化區(qū)；同時(shí)SOFA燃盡風(fēng)噴嘴反切，并可水平、上下擺動(dòng)，調(diào)節(jié)爐膛出口火焰溫度和避免爐膛出口兩側(cè)煙溫偏

14、差，見圖2、圖4、圖5所示。第四，一次風(fēng)煤粉燃燒器采用齒形低NOx煤粉噴嘴,見圖6所示。該結(jié)構(gòu)類似于WR寬調(diào)節(jié)比燃燒器，但采用了本公司的擺動(dòng)配合結(jié)構(gòu)，減少了煤粉噴嘴的周界風(fēng)設(shè)計(jì)，而在煤粉噴嘴上下兩側(cè)各增加了一層二次風(fēng)，見圖2所示。第五，在最下層的濃一次風(fēng)和淡一次風(fēng)燃燒器布置小油點(diǎn)火裝置，以保證冷熱態(tài)鍋爐啟動(dòng)的少油點(diǎn)火啟動(dòng)，以及實(shí)現(xiàn)鍋爐非正常的超低負(fù)荷(低于的30%MCR)的節(jié)油穩(wěn)燃。五、CEE超低NOx燃燒系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)CEE技術(shù)的最突出特點(diǎn)是超低NOx燃燒特性，在保證穩(wěn)燃高效的前提下，通過(guò)采用高效濃淡分離技術(shù)、空間燃燒分級(jí)技術(shù)、一次風(fēng)逆向射流等手段不僅保證煤粉早著火，穩(wěn)定燃燒，通過(guò)采用上下、左

15、右可調(diào)燃盡風(fēng)噴口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)按需供風(fēng)和降低爐膛出口煙溫偏差，更重要的是實(shí)現(xiàn)了鍋爐超低NOx的燃燒排放。它包含了兩大核心技術(shù)特點(diǎn)：（一）、縱向空間的三區(qū)分布在距主燃燒器區(qū)頂部約3米以上，布布置了三層SOFA燃盡風(fēng)，約占總風(fēng)量的25%左右，它首先保證了主燃燒器區(qū)與高位燃盡風(fēng)之間有足夠的還原高度，是降低燃料型及熱力型NOx的主要手段；同時(shí)，所有燃盡風(fēng)噴口均設(shè)計(jì)為可上下左右擺動(dòng)噴口，實(shí)現(xiàn)按需靶向送風(fēng)及調(diào)整鍋爐出口煙溫偏差。將主燃燒區(qū)分成上下兩個(gè)濃淡燃燒空間，對(duì)于300MW鍋爐的五層煤粉燃燒器，下部布置兩室四層的濃一次風(fēng)煤粉低NOx齒形燃燒器，中間為第三室的濃淡上下分離低NOx齒形煤粉燃燒器，上部為兩

16、室四層的淡一次風(fēng)煤粉低NOx齒形燃燒器，上下四室八層的濃、淡煤粉噴嘴都可以分層獨(dú)立調(diào)節(jié)。一次風(fēng)煤粉全部采用公司開發(fā)的管道型高效低阻力旋風(fēng)分離器，分離后濃淡比為8：2（質(zhì)量濃度比），阻力約200Pa左右。這樣在主燃燒區(qū)域，構(gòu)成的下部四層濃煤粉燃燒器組成具有高著火穩(wěn)燃特性的主燃燒區(qū)，保證占鍋爐80%左右的煤粉的下部整體集中布置，對(duì)著火燃盡有利，運(yùn)行時(shí)通過(guò)調(diào)整可以適當(dāng)降低此區(qū)域的過(guò)量空氣系數(shù)，此區(qū)域爐溫達(dá)到較高水平，在缺氧的狀態(tài)下，NOx還原物大量析出，進(jìn)入主燃燒區(qū)上部，還原已生成的NOx，運(yùn)行時(shí)此區(qū)域過(guò)量空氣系數(shù)在1.0左右，保證鍋爐爐膛主燃燒區(qū)足夠高的溫度水平。該技術(shù)在爐膛縱向空間上構(gòu)成了大空間

17、尺度的燃料上下濃淡分級(jí)燃燒、空氣分級(jí)燃燒特性，對(duì)于降低煤粉燃燒的燃料型NOx形成和熱力型NOx形成具有極其明顯的效果。（二）、燃燒區(qū)域水平截面的兩區(qū)分布在主燃燒區(qū)域，本技術(shù)將所有濃、淡一次風(fēng)射流采用反切布置，同時(shí)在兩層一次風(fēng)之間，布置一層剛性偏置二次風(fēng)射流，其余主燃燒器二次風(fēng)維持原切圓射流角度不變。該設(shè)計(jì)，在爐膛水平截面上形成了特性截然不同的中心區(qū)與近壁區(qū)燃燒空間分布。濃、淡一次風(fēng)反切使一次風(fēng)煤粉氣流逆向沖進(jìn)上游來(lái)的高溫?zé)煔?，使煤粉在此區(qū)域著火燃燒，對(duì)穩(wěn)燃及燃盡相當(dāng)有利。有利于在爐膛主燃燒器區(qū)域組織一個(gè)高煤粉濃度、高溫、低氧的燃燒核心區(qū)。同時(shí)，在較低的過(guò)量空氣系數(shù)下，燃料型NOx的生成會(huì)得到有效抑制，較低的燃燒溫度可在根本上抑制溫度型NOx的產(chǎn)生，從而達(dá)到爐內(nèi)燃燒低NOx的目標(biāo)。六、CEE超低NOx燃燒系統(tǒng)技術(shù)改造指標(biāo)1. 鍋爐額定負(fù)荷下，鍋爐的效率大