燃煤电站锅炉先进低氮燃烧技术应用及运行方式的研究

1、电站燃煤锅炉先进低氮燃烧技术的研究及应用,华东电力试验研究院,2,前言,国内外应用状况 目前引进技术存在的问题 技术的代表性 具有改造特征，设计环节技术验证程度不是很高 存在不完善 产业化存在的困难 设计/调试/运行环节割裂 缺乏长期数据（工程实际/实验室）支持 价格因素（综合成本核算问题） 试图解释的问题 基本知识介绍 存在问题的讨论 目前能做的工作,3,目前国内低氮燃烧技术应用现状,综合技术应用程度 设计领域的现状 模型完善程度 中间试验完备性 商业运行经验（模型验证过程） 制造厂标准,4,目录,第一章 环保问题现状 第二章 nox的生成和抑制机理 第三章 低氮燃烧技术发展历程和 当前先进

2、低nox燃烧技术 第四章 当前国内外研究成果 第五章 技术应用及工程实践 第六章 测试技术简介,5,第一章 环保问题现状,nox排放量（尤其是固定源）逐年增加 原排放标准宽松 2003版新标准出台了 新标准规定了三个时段使用不同燃料锅炉的排放标准 对燃料/容量等因素仍未考虑周全 对减排的实施方法未有具体方案 排放考核的最终趋势（火电厂污染物排放标准gps-发电绩效标准generation performance standard ）,第二章 nox的生成和抑制机理,7,2.1 煤燃烧所生成的nox的类型,热力型no -由燃烧气体中的氮在高温下与氧反应生产 燃料型no -燃料本身固有氮化合物在燃

3、烧时转化而成 瞬发型no -分子氮在火焰前沿的早期阶段，在碳氢化合物的参与影响下，通过中间产物转换为no,8,2.2 热力型no的生成机理,空气中的氮在燃烧室的高温下被氧化成no的机理是相当复杂的，一般认为按下列链锁反应（zeldovich热力型nox机理）进行： o22o，链的形成与中断； t1538，n2+on+no 链的发展； t816， n +o2 no+o 链的发展。 ,9,2.3 燃料型no的生成机理,燃料氮是燃煤过程中nox的主要来源，占锅炉nox排放总量的60%80%； 根据煤种的不同，挥发份氮生成的nox占燃料氮总nox的60%80%，焦碳氮生成的占20%40%； 挥发分的含

4、氮化合物通过迅速的气相均相反应，生成n2，n2o，no等物质，而焦碳氮则通过气固多相反应生成氮氧化物，其所需的时间远长于挥发分气化所需时间。 煤脱除挥发分的程度随着温度的升高不断增大。初级脱挥发分放出焦油等物质，其中含氮量与原煤含氮量相近；次级脱挥发分放出甲烷、氢气等气体，有研究表明当温度超过1300时，燃料型nox的生成将被抑制。 在燃烧温度高于800时，no主要来源于挥发分氮，在较低温度下，焦碳中的残留氮则是nox的主要来源。此外，煤的挥发分含量越高（燃料比fc/v较小），则no的生成量会更多。另外，随着燃料中氮含量的增加，燃料氮的转化率趋势是降低的，但总量确是升高的；此外，燃料氮的转化率

5、而随氧气浓度的平方而增加。,10,煤的初次和二次裂解,煤的燃烧模型通常基于以下的假设，即煤的转化按照以下三个步骤进行：原煤的热解、挥发分的燃烧和焦碳的燃尽。热解通常又被认为有两个过程 ,即 初次热解-煤组分分离并析出挥发分 主要产物即焦碳（char）、煤焦油（ tar ：cxhyoz类物质）和气体产物（co、co2、h2、h2o和少量烃、cmhn（主要是c2h4）的混合物 ）。 二次热解-主要是焦油的热解 焦油的二次热解主要产物为碳黑（soot)、氢气、低阶的碳氢化合物和一氧化碳。,11,煤裂解时氮的分布,12,煤的初次/二次裂解示意图,13,燃料氮的演化路径示意图（1）,14,燃料氮的演化路

6、径示意图（2）,15,燃料氮的演化路径示意图（3）,16,焦碳氮占燃料氮比例与炉膛温度关系（实验炉）,17,不同煤种（挥发份由低到高）焦碳氮残留量变化图（实验炉）,18,2.4抑制燃料氮生成nox的关键因素,抑制燃料氮生成nox的关键是： 在还原气氛下，hcn对于促使氮生成n2起重要作用，在n2的生成持续进行时，hcn不允许被耗尽； hcn的一个来源是no被chi还原，是主要破坏no的再燃反应； 均相/异相no破坏原理：空气分级燃烧（燃尽区之前的长时间尺度过程）的异相反应中的no的分解并非是no还原的主要途径。 对于几乎所有的煤种来说，燃料富集条件下均相反应中no的分解速率将首先依赖于nh3，

7、以及更为上游处火焰中oh的平衡浓度。,19,第2章小结,燃料氮是燃煤锅炉nox的主要来源（生成容易） 燃料氮生成nox的主要路径 关于燃料氮的主要结论,20,第三章 低氮燃烧技术发展历程和 当前先进低nox燃烧技术,控制nox排放的技术措施可分为两大类： 一是所谓的一次措施，其特征是通过各种技术手段，控制燃烧过程中nox的生成反应。从nox生成的机理中可知从燃烧侧减少nox生成量的基本条件有：降低燃烧区温度和氧的浓度、缩短烟气在高温燃烧区中停滞时间，防止产生局部高温区、采用低nox燃烧器、使用含氮量少的燃料等方法。属于这类措施的有所有的运行改进措施和除燃料分级技术外的燃烧技术措施。 二是所谓的

8、二次措施，其特征是把已经生成的nox通过某种手段还为n2，从而降低nox的排放量。属于这类措施的有选择性催化还原法（scr）、非催化还原法（sncr），以及80年代后期才出现的燃料分级燃烧技术。,21,燃煤锅炉炉内脱硝技术发展,22,低氮燃烧技术发展史,23,低氮燃烧技术的发展历史（1）,第一代低nox燃烧技术措施 这一代措施不要求对燃烧系统做大的改动，只是对燃烧装置的运行方式 或部分运行方式做调整或改进。因此简单易行，可方便地用于现役装置， 但nox的降低幅度十分有限。 低过剩空气系数运行 降低助燃空气预热温度 浓淡燃烧技术 炉膛内烟气再循环 部分燃烧器退出运行,24,低氮燃烧技术的发展历史

9、（2）,第二代低nox燃烧技术措施 这一代措施的特征是助燃空气分级送入燃烧装置，从而降低初始燃烧区（也称 一次区）的氧浓度，相应地也降低火焰的峰值温度。 典型产品： abb-ce公司的整体炉膛空气分级直流燃烧器、 同轴燃烧系统（cfs、cfs、cfs）、 低nox同轴燃烧系统（lncfs 、 、 ）及其种类繁多的 变异型式、 tfs2000燃烧系统； b&w公司的双调风旋流燃烧器（drb、drb-xlc）； 德国evt公司、 steinmuller公司、babcook公司（ds系列）的各种旋流燃烧器等等。,25,空气分级炉内no的变化趋势,26,空气分级炉内过剩空气系数对no和ubc的影响,2

10、7,第二代低nox燃烧技术措施（1）,炉膛内整体空气分级低nox直流燃烧器 技术关键有三点： 一是 要合理确定燃尽风喷口与最上层煤粉喷口的距离。距离大，分级效果好，nox下降幅度大，但飞灰可燃物会增加。合适的距离与炉膛结构、燃料种类有关。 二是 燃尽风量要恰当。风量大，分级效果好，但可能引起燃烧器区域因严27重缺氧而出现受热面结渣和高温腐蚀。合理的燃尽风量对于燃煤炉约为20%左右，燃气、燃油炉可以再高一些。 三是 燃尽风要有足够高的流速，以保证与烟气的良好混合。,28,美国ce公司低氮燃烧系统系列,1 同轴燃烧系统（the concentric firing system） cfs 、cfs,

11、2 低nox同轴燃烧系统： lncfstm、 组合型ofa(ccofa)和分离型ofa(sofa)是lncfstm燃烧系统的基本手段。,3 tfs2000燃烧系统： tfs2000tmr燃烧技术是将精确的炉膛化学反应控制、磨制煤粉细度控制、初级燃烧过程控制和cfstm集中燃烧完整结合在一起，达到对nox生成、未燃烬碳损失和co生成的最佳控制。,29,tfs2000燃烧系统结构特点：,提前析出挥发分的控制 （火焰前端煤粉喷嘴 ）； 水平偏置的二次风； 两级布置的燃尽风 ： -紧凑布置的燃尽风（ccofa）：改善碳的燃尽，有助于整体nox排放的控制 -多层的低位和高位分离的燃尽风（l-sofa，h

12、-sofa）：为锅炉整个运行范围提供灵活的分级能力。,30,第二代低nox燃烧技术措施（2）,空气分级低nox旋流燃烧器 这种燃烧器的特点是在其出口实现助燃空气逐渐混入煤粉空气射流，其难点是要准确地控制燃烧器区域燃料与助燃空气的混合过程，以阻止燃料氮转化为nox的反应和热力型nox的生成，同时又要保证较高的燃烧效率。其做法是通过合理的结构设计，控制燃烧器喉部燃料和空气的动量以及射流的流动方向。,31,babcook公司旋流燃烧器的发展,32,旋流燃烧器一/二/三次风旋流片角度组合所对应的火焰图象,33,babcook公司早期的旋流燃烧器（不分级）,34,babcook公司最新的旋流燃烧器（ds

13、系列分级）,35,babcook公司旋流燃烧器发展史,36,bhk公司最新的旋流燃烧器结构图,37,日立公司（hit）ht-nr系列旋流燃烧器（1）,日立公司从20世纪70年起开始研究低nox燃烧器，并首先研发出基于“in-flame”技术的ht-nr系列低氮旋流燃烧器。新研发的ht-nr2型（1992年）和ht-nr3型（1997年）燃烧器在日本国内外得到了广泛的应用并赢得了良好的声誉。由于其长期致力于低nox燃烧技术的研究和其杰出的贡献而荣获日本机械工程师协会（jsme）颁发的奖章，这相当于日本国家环保局的最高荣誉。,38,日立公司（hit）ht-nr系列旋流燃烧器（2）,ht-nr系列燃

14、烧器采用了“扩大回流和缩短火焰”的低氮燃烧技术，在降低nox的同时可保证未燃尽碳含量不升高。 最新的ht-nr3型燃烧器具有以下技术特点： 1 扩大了稳焰环周围的回流区，而在还原区内由于采用“in-flame”技术，燃烧率增强，以确保未燃尽碳不升高。 2 通过导向衬套将三次风从燃烧器喷口处的高温还原区内分离开来。,39,日立公司（hitachi nr系列旋流燃烧器示意图）,40,bhk公司nr3型旋流燃烧器示意图,41,bhk燃烧器发展史,42,低氮燃烧技术的发展历史（3）,第三代低nox燃烧技术措施 这一代措施的主要特征是空气和燃料都是分级送入炉膛，燃料分级送入可在燃烧器区的下游形成一个富集

15、nh3、cmhn、hcn的低氧还原区，燃烧产物通过此区时，已经生成的nox会部分地被还原为n2。 属于这一代措施是空气燃料分级低nox旋流燃烧器和用于切圆燃烧方式的三级燃烧。 典型产品： 三菱重工：mact； 川崎的kvc大容积燃烧技术； 巴布科克（babcock）的ifnr； 斯坦米勒（steinmuller）的nox-rif技术。,43,日本三菱重工（mhi）mact系统（1）,三菱开发的低氮燃烧系统采用称为“mact”（mitsubishi advanced combustion technology）的分级燃烧技术，它包括： -a-pm（advanced pollution minim

16、ize）浓稀相低nox燃烧器； -aa燃尽风； -mrs（mitsubishi rotary separator）超细旋转煤粉分离器和烟气再循环等一系列低氮燃烧技术。 采用这种再燃技术后总体上可以减少50左右的nox量。,44,日本三菱重工（mhi）mact系统（2）,pm低氮燃烧器实际是一种水平浓稀相直流燃烧器，由于采用组合风道技术，特别适用于旧锅炉燃烧器改造，而且这种燃烧器喷口常做成可摆动式，可获得更好的分级燃烧效果。 三菱重工的低氮燃烧技术从1973年起开始至今已发展至第5代（见图4-9），最新的a-pm+two staged aa+mact技术可将炉膛出口的nox浓度降低至100ppm

17、以下。,45,46,第3章小结,典型技术（空气+燃料分级） 问题：煤种、直流燃烧器少 设备配备 良好 灵活性强 根据设计配置 自动及检测,47,第四章 当前国内外研究成果,4.1 国外研究机构 德国斯图加特大学-klaus r.g.hein教授，采用fg-dvc动力学模型 美国亚利桑那大学化学工程所 -j.o.l. wendt等人，应用glargorg et al.的气相反应动力学机理 主要制造商 4.2 国内研究机构 清华大学 西安交大 煤研所 上海交大 4.3 主要成果,48,国外低氮燃烧技术机理研究成果,1 低氮燃烧系统设计关键 设计低氮燃烧系统必须掌握炉内三个区域的化学有限反应动力学和

18、湍流流动的相互作用：即 着火区：研究瞬时尺度现象：包括点火、脱去挥发份等微扩散作用，主要控制挥发分氮的演化，属于火焰模式； 还原区：研究长时间尺度现象，即在空气/燃料分级下发生在气相带内过程所描述的反应，并控制焦碳氮的演化，属于反应模式； 燃尽区：在燃尽风或三次风（再燃燃料）加入点，瞬时尺度和长时间尺度同时交互的区域的气体混合及动力学反应现象。 和对建模来说是困难的，但绝不可忽视。而第二区域已取得了很好的效果。,49,国外低氮燃烧技术机理研究成果,2 着火和稳定着火距离的重要性 设计低nox燃烧器的关键是燃料在后期与所需空气充分混合之前建立一个稳定的燃料着火区。其中： -火焰模式研究挥发份氮的

19、演化，主要依赖于二次风与煤挥发份的混合； -反应模式研究焦碳氮的演化，主要依赖于大部分早期混合现象后的长时间尺度模型。,50,国外低氮燃烧技术机理研究成果,关于着火和着火距离上的结论是： 越早接触火焰，挥发份中的氮便能越早释放，在喷口还原性气氛条件下，只有极少会转化成nox； 焦碳氮转化很慢，只与当地空气动力学有关。 与nox生成最有关的因素是着火点处氧气的分压，与着火距离相当有关； 低nox燃烧器性能依赖于煤点火特性、燃料挥发份氮含量和挥发份氮未析出前煤挥发份消耗氧气的能力。这些均表明煤氮和低nox燃烧器的设计总体上不能与煤的燃烧特性隔离开来。,51,国外低氮燃烧技术机理研究成果,3 空气分

20、级时各项参数浓度梯度的变化 延长停滞时间并非越长越好，（0.38秒hcn将耗尽）； 二次反应区仍应保持还原性气氛； 多级分级效果好。 4 空气/燃料分级的机理 燃料分级时，燃料富集区域的温度一般比空气分级低； 还原区ch浓度远比空气分级燃料富集区域的高； 用煤粉作再燃燃料比气体燃料效果要差一些；,52,国外低氮燃烧技术机理研究成果,5 再燃和空气分级条件下燃料氮的动力学特性 燃料氮的演化过程中的关键内容： 在还原气氛下，hcn对于促使氮生成n2起重要作用，在n2的生成持续进行时，hcn不允许被耗尽； hcn的一个来源是no被chi还原，是主要破坏no的再燃反应； 氧化气氛下的微扩散效应：即使在

21、无hcn和nh3的氧化气氛下，燃料氮（甚至气相挥发份）也并非全能转化为no，缘于独立煤粉颗粒在脱去挥发份时的微扩散效应。 均相/异相no破坏原理：空气分级燃烧长时间尺度过程-燃尽区之前的异相反应中的no的分解并非是no还原的主要途径。对于几乎所有的煤种来说，燃料富集条件下均相反应中no的分解速率将首先依赖于nh3，以及更为上游处火焰中oh的平衡浓度。,53,第4章小结,按照目前的认识，desoete的燃料型no生成机理是理论界公认的no生成模型。 在过去的许多年中，国外的科研机构对这些基本模型又进行了不断的研究和修正，又产生了一大批机理模型，从这些模型来看，基本形式均是相同的，均为一系列燃料氮

22、演化过程产物的时均组分方程。所不同的则主要体现在采用的煤燃烧模型有所差异、使用的组分方程有多有少、反应级数大小不一、计算所取的物质种类及其初始浓度不同、分析以及验证模型时选择的数值计算模型不同等等， 对于当前对燃料氮的动力学机理的研究，采取不同的模型所获得的结果确是基本相近的。在研究空气分级或是燃料分级时，还原区模型与实验非常符合，而着火区和燃尽区的模型都还不太理想。,54,第五章 技术应用及工程实践,5.1 工程实践 5.2 存在问题 5.3 未来展望,55,5.1 工程实践之一-试验研究项目,石洞口电厂 -机组调试/性能试验/优化 望亭发电厂 -低氮燃烧系统改造（调整及 鉴定），上海交通大

23、学总体负责 华阳后石电厂-性能试验/二次脱销试验 高桥石化电厂-掺烧石油气试验，同上海交 通大学合作，燃煤锅炉掺烧天然气课题示范 闵行发电厂 -降低nox调整试验，制订低氮燃烧改造技术规范（进行中） 课题研究 -大型燃煤电站锅炉氮氧化物排放机理研究（华东电力集团公司项目）,56,5.1 工程实践之二-技术支持系统,性能优化管理及系统 过再热器系统在线监测及寿命管理系统 煤的热分析技术平台 华东地区煤质炉性数据库 机组招标/技术谈判/设计规范/改造调试技术支持 热控逻辑设计及调试技术支持,57,5.1 工程实践之三-工程实践的具体内容,石洞口电厂 消化吸收了有代表性的欧洲技术（结构设计运行） 对

24、安全性及经济性问题进行了深入分析 加深了煤种（贫煤）对锅炉综合性能影响的理解 望亭电厂 对运行可变因素进行了全面的试验 对分级理论进行了试验论证 对分级燃烧对锅炉热力系统的影响初步摸索,58,5.1 工程实践之三-工程实践的具体内容,后石电厂 了解了最新一代的空气+燃料分级系统 了解了有代表性的日本技术（结构/控制） 了解了尾部脱硝技术 高桥电厂 对天然气脱氮进行了实验研究（位置/掺烧比）,59,低氮燃烧系统控制技术调试/测试实绩,石洞口电厂 望亭电厂 后石电厂 锅炉容量 1025t/h 1025t/h 2000t/h 制造厂家 steinmuller 上锅厂 日本三菱重工 燃用煤种 贫煤 烟

25、煤 烟煤 锅炉燃烧方式 四角切圆 四角切圆 八角双切圆 锅炉最低稳燃负荷 40%ecr 40%ecr 35%ecr 制粉系统形式 中储式热风送粉 hp mdm28r 低氮燃烧系统 类似lncfs level 近似sdk a-mact 低氮燃烧系统 分级送风 近似同sdk 燃烧优化 控制方式 sofa计量控制 空气燃料均分级 原nox排放浓度 8601050 720 改造后nox排放浓度 500650 420520 300 飞灰含碳量 58 3.2 3,60,江苏望亭电厂14号炉低氮燃烧系统调试结果,61,石洞口电厂锅炉低氮燃烧系统设计特点：,独立火球理论 燃烧区域风量的定义 空气分级低氮燃烧理

26、论 低负荷稳燃技术,62,国内部分四角切圆燃烧、固态排渣贫煤锅炉nox排放统计,63,石洞口4号炉二次风风门挡板控制逻辑（括号内为冷却风量比例）,64,石洞口电厂低氮燃烧系统风量控制曲线,65,石洞口电厂低氮燃烧系统自动控制策略,66,5.2 发生的问题及解决办法,石洞口电厂 望亭电厂 后石电厂 存在的可能发生结焦或高温腐蚀的条件 炉膛容积热负荷高 改为汽包炉后， 分级比例大， 分级比例较大 炉膛容积热负荷增加 约40%的二次风 螺旋管水冷壁易积灰 煤种挥发份较高 在aa层分段风喷出 炉膛采用大切角 采用浓稀相燃烧器， 燃烧强度大 防止水冷壁高温腐蚀的措施 偏置风 采用较低分级比例， 浓相喷口

27、侧边风和 增大分级距离 上下的稀相喷口 采用同轴反切燃烧方式， 连同主二次风喷口 可形成风包煤 将浓相喷口围在中间 燃烧器在前后墙上 实际效果 偏置风量过小， 无高温腐蚀和严重结焦 无高温腐蚀和结焦 严重的高温腐蚀 解决办法 水冷壁喷涂；加强吹灰,67,第5章小结（1）-影响nox排放的因素,影响因素： 燃料因素：灰份，fc/a（*挥发份*），含氮量，细度（其 影响与挥发份有关），均匀性指数，结焦性， 掺烧，添加其他燃料-与煤种相关 容量因素：行程-滞留时间 结构因素：炉膛结构尺寸（高度/断面），燃尽风位置， 燃烧器形式（煤粉/ofa/sofa），燃烧器布置 方式 运行因素：磨组合，燃烧器投运

28、组合，摆角，总风量，分 级风比例，配风方式，同层均匀性。此外还 有负荷因素。,68,第5章小结（2）-设计低氮燃烧系统（改造）时需要注意的问题,煤种与排放指标/经济指标-价格问题 结构及控制的灵活程度-适应煤种变化的域度 掌握低氮燃烧技术引入对系统的影响，进行综合设计 考虑启动过程及部分负荷时的nox控制 燃烧稳定性：低负荷稳燃问题 燃烧经济性：飞灰/炉渣 燃烧安全性：水冷壁腐蚀/结焦/ 制粉系统可调性： 对热力系统的影响：过/再热汽温/省煤器 自动控制问题：硬件/控制策略/监测手段等,69,第5章小结（2）续-碳的燃尽,灰份低、燃料比高（低挥发份）则ubc高； ubc与no是矛盾，可用细度予

29、以改善，对挥发份低的煤效果更好。 锅炉容量与ubc/no关系：容量大，滞留时间长，相对指标低。对小容量锅炉，细度调整更为重要； 磨煤机组合对ubc/no影响：上位磨均高。 炉膛结焦对ubc/no影响：结焦增强则ubc下降，炉膛出口温度上升，热力型no增加； 不同细度下燃烧器间距对ubc/no影响： 燃尽风与上排煤粉之间间距长短对ubc/no影响：间距增加，则no下降，ubc增加（在富氧区停留时间变短了）； 添加其他燃料如生物质等对ubc/no可能具有非常大的影响,70,71,72,73,第5章小结（2）续-高温腐蚀,腐蚀的基本原因 煤中的含氯化合物；0.2%，为潜在腐蚀临界点 煤中的含硫化合物

30、； 高温； 靠近炉墙的残焦颗粒-与炉膛结构/燃烧器布置/煤粉或空气气流分配相关 缺氧-炉膛管壁氧化层加速脱落，使硫/氯腐蚀加剧。 加强燃烧器区域co/o2监测 离线/在线监测 采取cfd计算各种场 对直流燃烧器四角切圆燃烧则采用偏置风。,74,第5章小结（2）续-热力系统,设计空气/燃料分级低氮燃烧系统对原热力系统的影响（对汽包炉） 需考虑以下因素： 蒸发器吸热量的变化 炉膛出口烟温的变化 过热器/再热器/省煤器吸热量的变化 排烟温度的变化 通常空气分级或燃料分级将使燃烧中心上移，并使炉膛出口烟温上升；（在一定的燃料/细度/配风条件下，因分级使还原区燃烧强度增强，将使蒸发量增加-高挥发份煤可能获得降低过剩空气系数同样的效果。） 基于炉膛出口温度上升的假设，需着重考虑以下问题： -控制系统对再热器吸热量增加的平衡能力； -省煤器在各种负荷下汽化的可能性；,75,对低氮燃烧系统改造/实际应用的一些体会,技术路线 实施关键 运行控制 数据积累,76,低氮燃烧系统控制技术应用的体会,燃煤锅炉采用何种低氮燃烧技术，与燃用的煤种、锅炉的结构布置、业主要求的经济指标及限定的投资额度等均有