工业锅炉低氮燃烧改造技术-陕西伟隆科工贸有限公司

1、 陕西伟隆科工贸有限公司锅炉低氮燃烧技术 I燃煤工业锅炉高效节能低氮燃烧燃煤工业锅炉高效节能低氮燃烧 改造技术改造技术陕陕西西伟伟隆隆科科工工贸贸有有限限公公司司 陕西伟隆科工贸有限公司锅炉低氮燃烧技术 II目目 录录一、摘要，关键词一、摘要，关键词.1二、技术内容和原理研究二、技术内容和原理研究.22.12.1 代表性成果介绍代表性成果介绍.22.22.2 燃烧数学模型建立与优化设计软件开发燃烧数学模型建立与优化设计软件开发.122.32.3 结论结论.20三、关键技术及创新点三、关键技术及创新点.233.1 关键技术关键技术.233.2 创新性创新性.23四、技术经济性评估四、技术经济性评

2、估.23五、技术应用情况五、技术应用情况.25七、附件材料七、附件材料.27一、一、摘要，关键词摘要，关键词摘要：摘要：我国现有 58 万余台工业锅炉，燃煤量达 6 亿吨，占全国原煤年产量的 1/3。锅炉平均出力为 3.4 t/h，绝大部分为 0.5-4 t/h 层燃炉，35-75 t/h 的工业锅炉仅有 6000 台左右。工业锅炉效率低、污染物排放高，燃烧时产生大量的 NOx，NOx 的浓度一般为 300-500 mg/Nm3左右，由于工业锅炉大多数在居民区附近，排烟烟囱低和布局分散等，是我国城市大气污染贡献率最大的 NOx 污染源，也是制约城市经济发展的最重要的因素。虽然燃煤工业锅炉 NO

3、x 年排放量居第三位，但污染影响却比火电行业和机动车更明显。而从我国的能源构成来看，中小型燃煤锅炉仍将长期地应用于各个领域，因此控制燃煤工业锅炉NOx 污染，对控制我国大气 NOx 污染，提高空气质量，具有极其重要的意义。目前国内几乎所有的工业锅炉都没有采取 NOx 控制技术。低氮燃烧技术已成为我国燃煤电厂 NOx 控制的首选技术。由于火电行业的低氮燃烧锅炉和工业锅炉在燃烧方式、炉膛结构、燃烧温度等方面有极大不同，电站锅炉较成熟的低氮燃烧技术不能直接用于工业锅炉，而烟气脱硝技术对工业锅炉又过于昂贵，因此研究用于工业锅炉低氮燃烧技术已成为控制 NOx 排放的首选。20 世纪 70 年代开始，日本

4、、美国等对 NOx 控制技术进行了大量研究，但实用的工业锅炉低氮燃烧技术较少。METHANE de-NOx 技术是由美国煤气技术研究所（GTI）为工业锅炉提高效率、降低 NOx 排放而开发的一种气体再燃烧专利技术，由于需要向炉排锅炉炉膛内喷入大量的天然气限制了该技术在中国的推广应用。国内对工业锅炉低氮燃烧技术研究得较晚。赵黛青等人通过实验室模拟对燃煤锅炉中加入甲烷等有机气体，在富氧条件下研究 NOx 排放控制的机理，取得较好的成果，但研究还处于实验室阶段，需要进一步的工业应用实验；上海交通大学的季俊杰等人在实验室条件下利用固定床模拟链条炉燃烧方式，研究得到采用空气分级燃烧可实现 28%的 NO

5、x 减排效果，燃料分级则可使 NOx 排放降低 55%，但未见有中试或工业应用研究方面的报导。我公司经过近 10 年的努力在国内开发推广了 20 多台 215 蒸吨高效节能低氮燃烧锅炉，经环保监测低氮燃烧效果显著，近年来我们和中国环境科学研究院大气污染控制研究中心合作，改造了中国环境科学研究院内一台南京锅炉厂生产的 2 蒸吨层燃锅炉，用以实际监测分析低氮燃烧机理的研究，通过对 2 t/h 层燃锅炉燃烧条件等的分析，提出低氮燃烧技术改造方案，进行燃烧料分级燃烧、空气分级燃烧和烟气循环对 NOx 排放控制影响的研究。采用分室配风实现空气分级燃烧和燃料分级燃烧，NOx 排放量由 127-175 pp

6、m 降 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 4为 67-89 ppm；循环烟气率达 10-15%时，烟气循环可实现降低 NOx 排放 3-5%；相同燃烧状况的条件下，低氮燃烧技术优化后 NOx 的排放浓度由低氮燃烧改造前的 147-210 ppm降低到 67-89 ppm，降氮效率达 30 %以上。研究结果表明，层燃锅炉低氮燃烧改造后烟气中 NOx 的浓度低于 200 mg/Nm3，有较好的应用前景。技术经济评估结果表明，本技术投资明显低于同类技术中 SCR 和 SNCR 烟气脱硝技术，并可提出煤燃烧效率，降低煤耗量，可为我国的锅炉、窑炉 NOx 控制提供技术支持。关键词：关键词：低氮

7、燃烧、工业锅炉、NOx 控制二、二、技术内容和原理研究技术内容和原理研究2.12.1 代表性成果介绍代表性成果介绍2.1.1 项目研究方案设计项目研究方案设计随着国家对环境保护工作的重视程度不断提高，并下大力气采取措施对 SO2和烟尘等进行治理。总体上来说 SO2和颗粒物的排放量总体上有所降低，但 NOX的排放量并没有减少，而且还有增加的趋势。2009 年我国二氧化硫排放量为 2590 万吨；氮氧化物排放量为 2350 万吨左右。可以预测如果不采取有效的氮氧化物污染控制措施，2020 年我国氮氧化物排放量将达到 2900 万吨左右。我国工业锅炉以燃煤为主，其中层燃锅炉占总台数的 93.7%，而

8、室燃炉和循环流化床锅炉只占总台数的 6.3%。根据测算数据，我国现有燃煤工业锅炉约为 48 万多台，总蒸发量约为 250 多万 t/h，占全国工业锅炉总台数和总蒸发量的 85%左右。每年消耗原煤约 6.4亿吨，氮氧化物排放量约 200 万吨。工业锅炉按燃烧方式可分为手烧炉排锅炉、振动炉排锅炉、链条炉排锅炉、抛煤机炉和循环流化床锅炉等，其中 70%以上的为 4t/h 以下的低压小容量锅炉，绝大多数为层燃炉。较大规模的燃煤工业锅炉将在未来相当长的一段时间内长期存在。工业锅炉效率低、燃烧排放的 NOx 浓度一般为 300-500 mg/Nm3左右，对人体健康和生态环境构成巨大的威胁。国内外研究开发

9、NOx 排放控制技术主要是针对火电行业，实施最多的是低氮燃烧技术和烟气脱硝技术。烟气脱硝技术以选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)为主，我国正在推广的烟气脱硝装置以从国外引进的选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术为主，烟气脱硝的还原剂为氨、尿素等农业用化肥。随着我国烟气脱硝工程的大规模实施，势必 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 5出现烟气脱硝与农业争夺氨、尿素资源的严重问题。近年来随着对低氮燃烧技术的研发，国内已经基本具有自行设计、自行制造和自行安装调试的能力，低氮燃烧技术已成为中国燃煤电厂 NOx 控制的首选技术。因此，开发适合我国国情的具有前瞻性、战略性低氮燃

10、烧技术工艺具有重要的现实意义，也是保证我国烟气降氮脱硝事业可持续发展的迫切要求。低氮燃烧技术主要技术措施是改善燃烧条件，目前国内外研究较多的是空气分级燃烧法，燃料分级燃烧法，烟气再循环法等。火电行业的低氮燃烧锅炉和工业锅炉在燃烧方式、炉膛结构、燃烧温度等方面有极大不同，电站锅炉较成熟的低氮燃烧技术不能直接用于工业锅炉，我国工业锅炉的燃烧条件、燃料、锅炉结构、运行负荷和操作条件等变化较大，低氮燃烧技术和设备开发难度较大。国内对工业锅炉低氮燃烧技术研究得较晚，大部分研究仅限于实验室小试阶段，还需要进一步的中试和工业应用实验。目前国内绝大多数的工业锅炉都没有采取 NOx 控制技术，缺少成熟的低氮燃烧

11、技术。本项目利用现有的 2t/h 燃煤实验锅炉，通过对炉膛的结构进行改造，改变其燃烧方式和供风方式，进行工业锅炉燃烧分级燃烧、分室供风燃烧和排烟返烧研究，在不影响锅炉燃烧效率的条件下，使锅炉排放的 NOx 最低，达到综合控制 NOx 排放的目的。通过对本项目的研究，研究开发我国工业锅炉 NOx 的综合控制技术，为我国的低氮燃烧技术的进一步开发和产业化提供技术保证，并为开发经济高效 NOx 控制技术提供技术基础，从而提高我国烟气低氮燃烧、脱氮技术的市场竞争力。（1）工业锅炉）工业锅炉 NOx 生成机理生成机理目前国内几乎所有的工业锅炉都没有采取 NOx 控制技术。我国燃煤工业锅炉具有如下特点：)

12、多为低空排放，对城市大气污染贡献率高（约 45-65%） ，是影响城市空气质量的主要污染源之一；)布局相对分散，大多分布在城市或居民区周边；)燃煤品质差，且差异大，污染严重；污染物排放强度高，NOx 排放浓度一般为 300-1000mg/Nm3左右，NOx 排放系数达2.94 kg/吨煤。工业锅炉排放 NOx 是燃料与空气在高温燃烧时产生的，主要包括 NO、NO2和 N2O。在 NOx 中，NO 占有 90%以上，NO2仅占 2%-10%，产生机理一般分为如下三种： 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 61）热力型：燃烧时空气中氮在高温下氧化产生，其中的生成过程是一个不分支连锁反应。相

13、关研究表明随着反应温度 T 的升高，其反应速率按指数规律增加，当 T1500时，T 每增加 100，反应速率增大约 6-7 倍。2）快速型：快速型 NOx 是 1971 年 Fenimore 通过实验发现的，在燃料过浓时，在碳氢化合物燃料燃烧反应区附近会快速生成 NOx。由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的 CH 自由基可以和空气中氮气反应生成 HCN 和 N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成 NOx，其形成时间只需约 60ms，生成量与炉膛压力 0.5 次方成正比，与温度变化的关系不大。上述两种氮氧化物都不占 NOx 的主要部分，不是主要来源。3）燃料型 NOx：由燃料中氮化合物在燃烧

14、中氧化而成。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在 600-800时就会生成燃料型氮氧化物，它在煤粉燃烧 NOx 产物中占 60-80。在其生成过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生 N、CN、HCN 等中间产物基团，然后再氧化成 NOx。由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两阶段组成，故燃料型 NOx 的形成也由气相氮的氧化和焦炭中剩余氮的氧化两部分形成。（2）燃煤工业锅炉减排）燃煤工业锅炉减排 NOx 主要技术措施主要技术措施基于生成规律可以知道，NOx 的生成及去除多与以下因素有关：)煤种特性，如煤的含氮量，挥发份含量，燃料比等。)燃烧温度。)炉膛内反应区烟气的气氛，即烟气内

15、氧气，氮气，NO 等的含量。)燃料及燃烧产物在火焰高温区和炉膛内的停留时间。围绕燃煤工业锅炉 NOx 的生成机理，NOx 减排技术措施主要有两大类：一是燃烧方式改进，二是燃烧后控制治理。1）燃烧方式改进技术燃烧方式改进技术主要技术措施是改善燃烧条件：包括低过量空气燃烧法，空气分级燃烧法，燃料分级燃烧法，烟气再循环法等。对于现有锅炉本体进行改造，一般讲难度稍大，不易推广应用，可将成熟的低氮燃烧措施或技术应用于新推出炉型，并逐渐引导取代现有落后炉型，有利于取得预想减排效果。控制 NOx 形成的因素主要有：空气燃料比、燃烧区温度及其分布、后燃烧区的冷却程度、低氮燃烧器形状等等；烟气循环燃烧主要是降低

16、氧浓度及燃烧区温度，减少热力型 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 7NOx。2）炉膛喷射脱硝技术炉膛喷射脱硝技术主要包括喷氨及尿素（SNCR 脱硝） 、喷入二次燃料等。基本原理是向炉膛喷射某种物质，在一定的温度条件下还原 NO，达到降低 NOx 排放的目的。选择性非催化还原 SNCR 法只在较窄的温度范围内效果较好，故喷射点位置选取比较重要，也受到限制，同时喷入的氨或尿素水溶液与烟气良好混合是保证脱硝反应充分进行，使用最少量的氨或尿素水溶液达到最好效果的重要条件。若喷入的氨未充分反应，则余氨会影响受热面，使烟气飞灰容易沉积，并有可能生成硫酸铵，带来堵塞、腐蚀等隐患。SNCR 喷氨法投

17、资少，费用低，但适用范围窄，条件受限，良好的混合及反应空间、时间、温度等条件很重要。3）烟气脱硝技术烟气脱硝技术有湿法脱硝和干法脱硝，湿法脱硝主要有如碱液吸收法、酸吸收法、氧化吸收法、还原吸收法、生物法和络合吸收法等，干法脱硝有烟气催化脱硝（SCR 脱硝） ，电子束照射烟气脱硝，同时脱硫脱硝法等。就目前而言，干法脱硝占主流地位。主要原因是与NOx与SO2相比，缺乏化学活性，难以被水溶液吸收；NOx经还原后成为无毒的N2和O2，脱硝的副产品便于处理；NH3对烟气中的NO可选择性吸收，是良好的还原剂。湿法与干法相比，主要存在着装置复杂且庞大、排水要处理、内衬材料腐蚀、副产品处理较难以及电耗大等缺点

18、。2.1.2 燃煤工业锅炉实验研究燃煤工业锅炉实验研究（1）实验锅炉条件）实验锅炉条件2t/h 燃煤工业锅炉型号 DZL2-0.69-AII，燃煤为大同二类烟煤，煤质及工业分析如表1 所示。低氮燃烧改造前锅炉结构如图 1 所示，为四风室链条炉排锅炉。鼓风机型号为 4-72-12No3.2A，风量为 1688-3517 m3/h，风压力 1300-792 Pa。燃煤量为 380 kg/h，烟气排放量 3580 m3/h，排烟温度为 185。表表 1 燃煤成份分析燃煤成份分析项目项目单位单位数量数量收到基碳%58.17收到基硫%0.32收到基氮%0.78 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术

19、 8到基灰分%6.08收到基水分%6.18干燥无灰基挥发分%35.21收到基低位发热量kJ/kg25558 图图 1 低氮燃烧改造前的炉膛结构低氮燃烧改造前的炉膛结构 （2）分析测试条件）分析测试条件利用 GASMET 4000 测量锅炉出口烟气成份和参数，采样气体全程加热 180，采样气体流量为 2-10 L/min，两级过滤系统，检测器采用 Peltier 制冷，采用红外光检测，光谱特征区间为 900-4200 cm-1。烟气 NO 的检出限低于 1.3 ppm，NO2、CO、CH4、NH3等成份的检出线低于 1 ppm。锅炉烟膛温度较高，最高燃烧温度可达 1300，采用 GASMET 4

20、000 测量气体分析成份受到限制。利用真空气体采样箱采集炉膛烟气，采用 10 L Pelican 气密式安全箱，气体采样泵采用 BUCK 防爆型个体采样泵，流量为 0-5 L/min。采样启动时，将箱内空气抽出，箱内产生负压，箱外的烟气样品进入 5 L Tedlar 采样袋，采样后的气体样品避光保存待测。采用Nicolet 6700傅立叶红外光谱仪测量炉膛气体样品，配置MCT、DTGS双检测器，光谱特征区间为400-4000 cm-1，分辨率0.1-0.005 cm-1。测量气体样品中NO、NO2、H2O、CO、CO2 和CH4 等。（3）低氮燃烧技术分析）低氮燃烧技术分析 陕西伟隆科工贸有限

21、公司工业锅炉低氮燃烧技术 9 图图2 低氮燃烧锅炉结构低氮燃烧锅炉结构根据工业锅炉的燃烧特点和实验研究结果，将分级燃烧和烟气循环低 NOx 技术应用于层燃炉。通过在锅炉炉膛中增加一个竖拱，将炉膛内部分隔成两部分。通过改变层燃锅炉的结构和配风方式，使锅炉的低氮燃烧分为两个阶段，第一阶段作为挥发份析出区，主要的生成物有 NH3、CH4、CO 等，如图 2 中；第二阶段为 NOx 还原区，图 2 中，主燃烧区中生成的 NOx 可进一步与第一阶段生成的挥发份发生还原反应生成 N2和水，从而最终达到降低烟气中氮氧化物排放的目的。改变层燃锅炉炉拱的结构，使在锅炉的前部煤层温度可达 350-850，煤层停留

22、时间约为 8-15 分钟，根据燃煤挥发分生成的难易程度确定，预热室下部煤层空气量只需要鼓风机总空气量的 5-10 %。位于竖拱前部的炉膛空间由于供风量较少，温度较低，煤在该位置经过复杂的热解反应生成 CH4、HCN 和 NH3等。由于该位置含氧量低，较容易形成还原性气氛，生成少量的 NO。位于竖拱后部的炉膛内部由于过量空气系数高，形成氧化气氛，在竖拱前部生成的CH4、HCN 和 NH3等还原性气体进一步与 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 10NO、O2反应，生成 N2等，主要的反应式如下： OHCONCHNO222424OHCONOHCNNO222222322CONCNO22222

23、22CONCONOOHNONONH22236444主燃区的供风量为鼓风机风量的 95%左右，燃烧温度控制在 1080-1280，降低了热力型 NOx 的生成，使主燃区生成的氮氧化物主要为燃料型氮。通过竖拱的上部使主燃区的过剩空气与锅炉前部煤层产生的挥发份充分混合，实现燃料分级燃烧。通过竖拱使锅炉前部和后部的主燃区分开，达到分室供风的效果。烟气中的挥发份在锅炉前部的旋转燃烧室充分燃烧，从而降低烟气中的 CO 排放量，并使燃煤挥发份中的 NH3、CH4、CO 等与主燃区生成的 NOx 反应最终生成 N2和水，达到降低氮氧化物排放的效果。2.1.3 结果与分析结果与分析（1）分级燃烧对）分级燃烧对

24、NOx 排放的影响排放的影响通过改变炉排下各风室的供风量的方法实现层燃炉空气分级燃烧，实现低氮燃烧。原有的四风室改为六风室，沿炉排将鼓风分两级供入炉内，第一二风室为贫氧燃烧区，煤经热解产生的的 NH3、CH4、CO 等还原性气体。三至六风室为焦炭燃烧区，采用富氧燃烧，通过优化供风实现焦炭还原 NO。采用分室配风后 NOx 排放量由 127-175 ppm 降为 67-89 ppm，降氮效率达 30%。 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 11图图 3 过剩空气系数影响低氮燃烧效果过剩空气系数影响低氮燃烧效果采用 GASMET 4000 测量锅炉出口烟气成份，图 3 所示的是过剩空气系数

25、对 NOx 排放关系，研究发现空气过剩系数在 1.5 时，烟气 NOx 浓度为 127 mg/Nm3。图 4 所示的是二次风对降氮效果的影响，在不改变总供风量的条件下，研究旋流主燃烧区二次风量和降氮效率的关系。研究发现，增加二次风量时 NOx 浓度反而上升，研究以为，主燃烧区温度较高，通入二次风时可使 NH3、CH4、HCN 和 CO 等还原性气体燃烧，进一步生成 NOx，影响降氮效果。图图 4 二次风影响低氮燃烧效果二次风影响低氮燃烧效果（2）烟气循环对）烟气循环对 NOx 排放的影响排放的影响 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 12将一部分低温烟气直接送入第三至六风室内，降低了氧

26、气浓度，可提高焦炭的 NO 还原率。烟气循环有利于提高燃烧空气温度，降低能耗。图 5 所示是烟气循环率影响降氮效率的曲线，研究结果表时，烟气循环率 8-20%时，排烟 NOx 会明显降低，降 NOx 的效率3-5%左右。图图 5 循环烟气影响低氮燃烧效果循环烟气影响低氮燃烧效果通过对以上锅炉炉膛结构的改造，锅炉受热面积并不改变，并可提高锅炉燃烧温度，可使锅炉的燃烧效率不降低的条件下。表表 2 不同位置的气体成份不同位置的气体成份位置(mg/m3)成份CO29219541CH417191.6NH318112NO198187156NO2311（3）炉膛气体成份对）炉膛气体成份对 NOx 排放的影响

27、排放的影响采用真空采样对炉膛内部不同位置的气体进行采样，各位置如图 2 所示。结合傅立叶红外光谱仪分析各种气体成份，研究结果如表 2 所示。分析表明，在位置主要为焦炭燃烧，CO 生成量较高，同时由于该位置空气过剩系数较高，氧含量大，生成部分 NO2。在位置主要为贫氧燃烧，煤高温热解生成 CO、CH 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 13和 NH3等气体，NO 浓度较高。比较位置和，NO 的生成量受 CO 和 CH4的影响较明显，随着 CO 和 CH4浓度的变化，NO 的浓度也有较大的变化，说明 NO 的生成量受挥发份还原作用的影响。通过优化煤热解区、焦炭燃烧区和气体主燃烧区燃烧条件，

28、提高 NH3、CH4、HCN和 CO 等成份与 NO 反应的几率，提高降氮效率。（4）低氮燃烧效果分析）低氮燃烧效果分析表表 3 实验测试结果实验测试结果序号序号参数名称参数名称单位单位测试数据测试数据1烟气温度1282过量空气系数1.533烟气含湿量%7.14烟道工况烟气流量m3/h38575烟道标态烟气流量m3/h26256NOX平均排放浓度mg/Nm31367SO2平均排放浓度mg/Nm35788CO平均排放浓度ppm399CO2平均排放浓度%9.310O2平均排放浓度%11.2表 3 所示的是采用傅立叶红外烟气分析系统测得的低氮燃烧实验结果，比较发现，在燃烧同一煤种，相同燃状况的条件下

29、，未采取低氮燃烧锅炉 NOx 的排放浓度约为 147-210 ppm，采用低氮燃烧后烟气中 NOx 的浓度为 67-89 ppm，氮氧化物浓度降低 30%以上，烟气中 NOx 的浓度低于 200 mg/Nm3，有较好的降氮效果。（5）低氮燃烧效果分析）低氮燃烧效果分析表表 4 炉渣分析结果炉渣分析结果序号序号参数名称参数名称单位单位测试数据测试数据1灰分%82.412挥发分%1.493固定碳%12.974全硫%0.55 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 145氮%0.586全碳%16.32表 4 是对锅炉炉渣测试分析结果，研究表明，炉渣固定碳含量较低，达 12.97%，与普通工业锅炉

30、炉渣的含碳一致，一般为 10-15%。与火电锅炉相比，固定碳含量一般较高，火电锅炉炉渣含碳量一般为 8-9%。2.22.2 燃烧数学模型建立与优化设计软件开发燃烧数学模型建立与优化设计软件开发（1）数值模拟分析）数值模拟分析以动量、质量、能量和组分守恒基本方程和数值计算方法为基础的计算机模拟在流态化过程研究中得到了广泛的应用。由于计算机模拟能够对试验研究难以测量的一些过程和细节进行研究并且节省费用，因此计算机模拟作为与理论分析和试验研究互补的一种重要方法对于深化了解锅炉燃烧过程 NOx 的控制原理将会起到重要的作用，为设备优化与系统设计提供指导。本项目主要研究其燃烧室内的流场、温度场、烟气化学

31、成分等的变化，根据实际的锅炉尺寸用 GAMBIT 建立了链条锅炉的流场几何模型，利用 FLUENT 进行 CFD 数值模拟的基本步骤如下：1) 据锅炉的几何尺寸建立几何模型、划分网格；2) 根据计算工况确定入口介质的速度等边界条件；3) 选取合适的模型进行燃烧过程的模拟计算；4) 进行数据的后处理分析。（2）网格划分）网格划分构建 2 t/h 炉排锅炉的几何模型，如图 6 所示。该几何模型是根据中间有挡板、前部有圆柱形烟气出口的一种试验形式建立的模型。通过运用交错网格，x、y 方向动量方程中的压力梯度分别为和 ePExppxp 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 15 npNyppyp

32、初步划分了网格，网格数在 4105。如图 7 所示。图 6 链条锅炉几何模型图 7 链条锅炉网格图选用 FLUENT 中换热器模型来模拟其燃烧换热过程，同时把该区域考虑成一个多孔介质阻力区，来模拟它对烟气流动的阻碍作用。入口气量在 26000m3/h 左右，贫氧燃烧区进气量占 5%，中间竖拱后富氧燃烧区进气量占 95%。初始温度、压力、燃料供给都根据测量得到的参数确定。选择组分传输模型模拟燃烧，燃料是选择中压下煤的挥发分。模拟过程中用模型试验测得的试验数据进行归纳和修正。（3）流场分析模型）流场分析模型1）k- 双方程模型通过利用 SIMPLE 算子建立k- 双方程模型，其控制方程为： 陕西伟

33、隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 16 ()()()()()()()uStxyzxxyyzz 式中、各项的含义如表 5 所示。S表 5k模型的控制方程方程S连续性方程100X 轴向动量ueff()()()effeffeffuxxxyxzxY 轴向动量eff()()()effeffeffuyxyyyzyZ 轴向动量eff()()()effeffeffuzxzyzzz湍动能KtKkG耗散率t212kC GCkk其中： ； ；efft2/tC K22222()()() () ktuuGxyzxyz图 8 数值计算分析结果 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 17图 9 链条锅炉烟气流场模

34、型效果2）燃料气化燃烧模拟由于煤中的挥发分在达到一定的温度挥发出来之后才与氧气发生反应，所以挥发分的燃烧属于非预混燃烧，根据换算和试算来确定合适的边界条件。通过建立多步涡团耗散模型，对阶梯式火焰进行模拟。燃烧反应式如下：(1)1(1)(1)2kkkkkkkkkfuelr oxidantfrproductfrproduct其中：rk-第 k 种燃料的物质的量； fk是生成物的质量分数。,min,1pok edmebufebukfYYRAYBkrr 其中：Yf-燃料的质量分数； Yo-氧气的质量分数； Yp-产物的质量分数； Aebu、Bebu-模型常数。燃烧动力学速率由 Arrhenius 定律

35、表示： ,TEnmTk kincabRATCCe 其中 Ac-指前因子； -温度指数； Ci-各种燃料的浓度； ET-燃烧活化温度。 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 18反应率通常由混合率和燃烧动力学速率的最小值决定，即,min,kk edmk kinRRR本项目采用了多步涡团耗散模型，取得了较好的模拟效果。3）焦炭燃烧模拟煤析出挥发分后剩下固体物质是焦炭，焦炭在气相氧化剂中燃烧属于气固非均相燃烧，燃烧可能发生在碳粒的外部表面上，也可能发生在碳内部的气孔表面处。在这种非均相反应中一般作如下假定：炭颗粒是处于无限大气流中的炭球；气相反应物首先向颗粒表面或气孔内扩散，进而被固体表面吸附

36、发生反应；气相生成物从颗粒表面解析，离开固体表面向外扩散。控制整个反应速率的可以是化学的吸附、反应和解吸作用，也可以是反应物、生成物的扩散作用，因此炭的非均相反应速率是化学动力学因素和扩散作用联合控制的结果。采用焦炭燃烧的扩散动力模型，认为焦炭的燃烧速率 Rc同时受到氧扩散到焦炭表面的速率和化学反应的动力速率这两方面的控制，可表示为：22611ccdr P ORKKD式中：P(O2)-氧气的分压； r-为直径； Kc、Kd-分别为扩散系数和动力系数，可表示为：2expcEKART21hOcdS D MKRT D式中：Sh-Sherwood 数，取为 2.0； DO2-氧气的扩散系数； Mc-碳

37、的摩尔质量； R-通用气体常数。4）湍流两相流颗粒轨道模型342322NONHNONONH通过以上化学反应，颗粒轨道模型可简化为：33()()()NHNONONONONONONONHwmummMnStM 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 19222332222)()()(NONONONHNHNONONONOSnMMwmmutm33333()()()NHNHNHNHNHmummwt 图 10 温度分布轮廓图数值计算各项值的残差收敛如图 8。计算后速度场矢量图如图 9 所示，在出口处形成一个大的回旋流场，此处燃料的挥发分和氧气充分混合，因此温度的最高点集中在出口处，最高温度在 1300左

38、右，如图 8 所示；而燃烧室尾部流动速度较低，也有一个小的回流区，燃烧并不充分，主要是由前部对流辐射引起的升温，温度在 500左右，这基本符合实际试验现象。研究发现，锅炉燃烧温度最高点集中在出口处，如图 10 所示，与实际试验结果符合得较好。流场速度分布较为均匀，因此温度场也分布较为均匀，最高温度在1200左右。NOx 浓度分布如图 11 所示。在中间竖拱前的圆柱形出口处形成一个大的回旋流场NOx 浓度分布，因为燃烧区还产生了 NH3、甲烷等副产物，对 NOx 发生了还原反应，导致分布不均，要考虑根据所发生的反应对模型进行修正。 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 20图 11 NOx

39、 浓度分布轮廓图分析低氮燃烧锅炉的数值模拟温度场和 NOx 浓度分布场可以看出，NOx 浓度和燃烧温度最高发生在锅炉前上部的挥发份再燃区，温度达到 1300左右，与实验测得的结果符合得很好。研究发现，NOx 的浓度分布随着温度分布而变化，温度高的地方 NOx 浓度高，这是受热力燃烧生成 NOx 的影响而产生的。通过对层燃锅炉低氮燃烧数值模拟的研究与进一步验证，形成低氮燃烧开发软件包，可为低氮燃烧锅炉设计提供指导。2.32.3 结论结论（1） 空气分级燃烧和燃料分级燃烧可应用在工业锅炉低氮燃烧技术中，NOx 排放量由127-175 ppm 降为 67-89 ppm；（2） 工业锅炉排烟返烧技术中

40、循环烟气率达 10-15%时，烟气循环可实现降低 NOx 排放3-5%；（3） 采用傅立叶红外烟气分析系统测得的低氮燃烧实验结果，分析发现，NO 的生成量受 CO 和 CH4的影响较明显，随着 CO 和 CH4浓度的变化，NO 的浓度也有较大的变化，说明 NO 的生成量受挥发份还原作用的影响。（4） 相同燃烧条件下，未采取低氮燃烧锅炉 NOx 的排放浓度约为 147-210 ppm，采用低氮燃烧后烟气中 NOx 的浓度为 67-89 ppm，氮氧化物浓度降低 30%以上，烟气中NOx 的浓度低于 200 mg/Nm3，有较好的降氮效果。（5） 技术经济评估结果表明，本技术投资明显低于同类技术中

41、 SCR 和 SNCR 烟气脱硝技术，并可提高燃烧效率，降低煤耗，为我国的锅炉、窑炉 NOx 控制提供技术支持。 陕西伟隆科工贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 21（6）由于仪器设备条件的限制，未对低氮燃烧锅炉不同位置的其它还原气体成分进行精确分析，需要有更高精度的仪器，有待于在以后的研发和产业化过程中进一步完善。三、关键技术及创新点三、关键技术及创新点3.1 关键技术关键技术本项目拟利用现有的 2t/h 燃煤工业锅炉，通过对炉膛的结构进行改造，改变其燃烧方式和供风方式，进行工业锅炉燃烧分级燃烧、分室供风燃烧和排烟返烧实验研究，在不影响锅炉燃烧效率的条件下，使锅炉排放的 NOx 最低，达到综合控

42、制 NOx 排放的目的。通过对本项目的研究，研究开发我国工业锅炉 NOx 的综合控制技术，为我国的低氮燃烧技术的进一步开发和产业化提供技术保证，并为开发经济高效 NOx 控制技术提供技术基础，从而提高我国烟气低氮燃烧、脱氮技术的市场竞争力。1) 燃烧数值分析模型研究利用 FLUENT 数值模拟分析软件建立燃烧数学模型，通过对 2t/h 燃煤工业锅炉进行燃烧数值模拟分析，考察燃烧温度、燃煤厚度、富氧量、燃煤成分等因素对 NOx 排放浓度的影响；并通过建立的数学模型优化设计工业锅炉低氮燃烧设备，初步确定分段燃烧、供风方式和烟气回收燃烧等参数。2) 低氮燃烧技术优化设计软件包开发基于物料衡算和反应特

43、性，结合燃烧数值模拟分析方法，对改造前后烟气排放量和NOx 排放浓度进行比较，开发低氮燃烧技术优化设计软件包。为进一步推广应用本研究成果准备条件。3.2 创新性创新性1）借助燃烧数值模拟方法进行集成，来指导优化设计，开发出工业锅炉低氮燃烧新技术；2）研究燃料分级燃烧、分室供风低氮燃烧关键技术，通过改变锅炉的炉膛结构和燃烧方式，在不降低燃烧温度和燃烧效率的条件下实现低 NOx 排放；3）在2t/h 工业燃煤锅炉上实验保证NOx 减排30%-50%，为降低我国燃煤锅炉NOx 减排提供技术储备和关键技术支撑。四、四、技术经济性评估技术经济性评估以 2 t/h 燃煤工业锅炉低氮燃烧技术改 陕西伟隆科工

44、贸有限公司工业锅炉低氮燃烧技术 22造为例，原有的 2 t/h 燃煤工业锅炉为单锅筒链条炉排炉，烟气在锅炉内为三回程。锅炉出口烟气温度在 180以上，NOx 排放浓度在 330-370mg/Nm3，锅炉燃烧效率较低，在 76%以下。表 5 和表 6 所示的是分别利用本项目技术的投资和运行费用。（1 1）锅炉改造工作量）锅炉改造工作量1) 锅炉本体改造：在燃烧室两侧增加左右下集箱，在炉前增加前集箱和中集箱；新增与现有集箱的连通管道（包括下降管）；现有锅炉本体的集箱前部需接长 1.5 米左右；2) 筑炉：锅炉保温材料、耐火材料；3) 烘炉（2 2）成本核算）成本核算表表 6 6 2 2 t/ht/

45、h 燃煤工业锅炉低氮燃烧技术改造成本核算燃煤工业锅炉低氮燃烧技术改造成本核算序号名称数量单价（元）费用（万元）1钢材0.8 吨55000.442耐火砖1.5m312000.183耐火水泥40 袋800.324打压实验1 次30000.305烘炉用木材1m315000.156人工（筑炉、烘炉等）20 人天1800.36合计1.75表表 7 7 不同控制技术的费用比较（每蒸吨锅炉）不同控制技术的费用比较（每蒸吨锅炉）投资万元运行费用万元/年NOx 去除率（%）备注SCR 脱硝技术5.50.850-95增加阻力约 1000Pa，风机需改造SNCR 脱硝技术1.60.330-60单独采用效率较低本低氮燃烧技术0.87-0.0230-50无需增加运行费用，可提高燃烧效率，并减少煤耗