降低电站锅炉NOX排放的燃烧技术分析

1、降低电站锅炉NOX排放的燃烧技术分析随着我国经济的增长和电力工业的快速发展,燃煤产生的NOX污染物与日剧增。1985年在中国各主要城市中测定的大气污染物,烧煤产生的NOX占65%,而发电厂燃煤又占较大的比例,因此降低发电厂排烟中NO X是减轻大气污染的重要任务。1985年中国发电及供热煤耗约2.7亿t,推算排入大气的NO X可达150万t;1993年煤耗量已达4亿t,NOX排放量已超过200万t。由于NOX在煤的燃烧产物中生成复杂,且其对人类乃至整个生态系统的危害大,对其排放量的控制已引起全球范围内的普遍重视,绝大多数国家和地区都制定了较严格的限制NOX排放的法规和标准,中国也于1996年8月

2、开始实施650 mg/Nm3的排放指标规定。近二、三十年来,欧美日等发达国家一直在致力于研究降低NOX的燃煤技术。如前苏联的高浓度给粉技术、日本三菱重工的PM 型燃烧器、美国B&W公司的PAX燃烧器和DRB-XCL双调风旋流燃烧器及德国SM 公司SM型旋流燃烧器等都处于世界领先地位。这些技术措施和硬件设备有一个共同特点,改变燃烧器结构和配风,组织浓淡燃烧和分级燃烧。中国近十几年也开始注重研究适合国情的低NOX控制技术,各科研院所及高校在借鉴国外先进技术经验时,经过大量基础性试验研究,形成了自己的技术特色。近几年,江苏省部分电厂进行了锅炉燃烧器改造,以提高低负荷稳燃能力,但改造后出现了燃

3、烧器易烧损、锅炉水冷壁高温腐蚀、炉渣可燃物含量偏高等问题。在结合解决锅炉存在的问题时,考虑采用低NOX燃烧技术,既能降低锅炉NOX的排放量,又能提高锅炉运行的经济性和安全性。1 电站锅炉NOX的成因1 NOX的种类及生成煤燃烧过程中形成的NOX 有燃料型NOX(fuel NOX、热力型NOX(ThermalNOX 和快速型NOX(Prompt NOX3种,其中快速型NOX所占比例很小,燃料型NOX 约占75%,热力型NOX约占25%。对于燃烧粉煤的锅炉,NOX的排放主要取决于燃料型NOX的生成量,原因主要有以下两点:(1大多数煤粉火焰温度不太高,尤其是固态排渣锅炉,受排渣温度的限制,炉膛温度不

4、可能太高,而热力型NOX的生成主要取决于火焰温度和风煤比。热力型NO X只在燃料富氧燃烧时生成,而且温度超过1 800 K时才能大量地生成。当<0.95和T<1 800 K时热力型NOX可以忽略不计。因此,在煤粉锅炉中热力型NOX 在总NOX排放量中所占的比例较小;(2快速型NOX只在富燃料的烃类火焰中有较大量的生成,但据估算,如果煤中含有1%的燃料氮,且其50%转为NOX ,快速型NOX的生成量仍将小于总NOX 的5%,而通常的煤含有1%2%的母氮。所以快速型NOX差不多被燃料型NOX所遮掩。1.2 燃料型NOX煤粉燃烧过程中燃料型NOX 包括由挥发份中均相生成的NOX和由残炭中

5、异相生成的NOX两部分。挥发份的析出包括两个阶段:第一阶段发生在较低的温度条件下,此时分子量较低的挥发份从煤颗粒中释出;第二阶段发生在较高的温度条件下,此时放出分子量较大的烃类和芳香族化合物。煤中的母氮大部分在挥发份析出阶段以HCN和NH3的形式从颗粒中释放出来,随后氧化生成NOX。挥发份析出后剩下的煤焦主要由碳和矿物质(灰组成,还有少量的氧、氢、硫和氮。留在煤焦中剩余的母氮可以通过异相反应氧化生成NOX 。热力型NOX主要与烟气温度和风煤比有关系,化学当量比对它影响很小。燃料型NOX主要与氧浓度(化学当量比有关,在很大的范围内几乎与温度无关。由挥发份燃料氮转化而成的燃料型NOX (简称挥发份

6、燃料型NOX约占60%80%,由焦炭燃料氮转化而成的NOX (简称焦炭燃料型NOX约占20%40%。因而,减少氮氧化物排放的主要措施是降低燃料型NOX的形成,即降低氧浓度,使燃料氮的相对浓度提高,增强还原性气氛,延长燃料氮在还原性气氛中的停留时间,从而降低燃料氮向燃料型NOX的转变率。2 降低NOX排放的燃烧技术2.1 采用分级燃烧燃料分级燃烧是降低NOX排放的有效方法之一。它的优点在于既可降低火焰最高温度,减小热力型NOX 的形成,也可减小局部氧气浓度,抑制燃料型NOX的形成。因此分级燃烧被广泛地应用于锅炉的设计中。但是研究表明,在许多情况下分级燃烧会导致快速型NOX的明显增大。如果不对分级

7、燃烧进行优化,很难使锅炉的NOX排放总量达到最小。以便使沿炉内火焰行程快速型、燃料型和热力型NOX的形成量达到最小。空气分级燃烧是把燃料完全燃烧所需要的空气沿火焰长度分段送入,使燃烧过程分成空气过剩系数明显不同的几个阶段。目前2级和3级燃烧方式用较多。分级燃烧既可以在单一燃烧器上实现,也可以在多排布置燃烧器的炉膛内整体实现。前者通过分级配风燃烧器的结构,后者通过组织氧气浓度和温度不同的燃烧区来达到目的。两种实现分级燃烧方法的系统是有区别的。沿炉膛垂直方向分级燃烧的实现是关闭上层燃烧器的燃料,或在主燃烧器的上方布置专门的空气喷嘴;在水平方向分级燃烧的实现是在对冲布置的燃烧器中,使一面墙的燃烧器具

8、有富燃料,另一面墙的燃烧器具有富氧。但是,无论是那一种方法实现的分级燃烧,其实质都是使第一燃烧区的空气过剩系数小于1.0(2级燃烧的第一级空气过剩系数通常选=0.850.95,结果降低了火焰的最高温度以及火焰核心区氧气的浓度,从而降低了NO X的形成;而在第二区,由于燃烧产物和过量空气的稀释,实际上NOX不再形成。日本三菱重工研制和应用出两级和三级燃料燃烧系统。其主要的技术是在主燃烧器的上方布置有辅助燃烧器,以采用不同细度的煤粉,采用这种燃烧方式,可使NO X排放量降低到328600 mg/Nm3。某电厂锅炉采用分级燃烧技术,对均等配风的烟煤型直流燃烧器进行改造,在上部增开燃尽风喷口,为防止主

9、燃烧器区缺氧而可能出现的结渣和腐蚀,使用了水平偏转二次风,借以增加水冷壁附近的氧浓度。改造后实测数据表明:NOX排放量明显降低,由改造前的744 mg/Nm3降至556 m*g/Nm3。2.2 采用浓淡燃烧浓淡燃烧可降低NOX的排放。浓淡燃烧就是把煤粉分成浓淡两股送入炉膛。浓侧煤粉由于煤粉浓缩,着火温度下降,稳燃性提高,淡侧煤粉利用浓侧煤粉火焰引燃和助燃。浓侧煤粉浓度高,氧浓度低,由于着火性能好,局部温度水平较高,热力型NOX 的排放量稍有增加,而燃料型NOX却大为减少;淡侧过量空气系数大,温度水平较低,热力型NOX 的排放量是降低的,燃料型NOX略有增加,总NOX的排放量是降低的。华能石洞口

10、二厂600 MW机组锅炉采用了ABB-CE公司开发的WR型浓淡燃烧器,在满负荷下,NO X的排放量为630 mg/Nm3。2.3 采用烟气再循环在主燃烧器的上方加装烟气喷口,抽取低温烟气送入燃烧区,可在非常短的时间里,促使各反应物横向混合,使最初生成的NOX迅速地混入其它在主燃烧器区现成的能够使NOX 还原的各组分之中,NOX还原成N2,降低最后NOX的生成量。日本三菱公司的PM燃烧器就采用了这种技术。2.4 锅炉燃烧优化锅炉燃烧优化通常是降低NOX排放的首选方法。燃烧优化是通过锅炉燃烧器运行参数的调整实现的,采取控制过剩空气量、燃烧器一、二次风量配比的调整、平衡送入每只燃烧器的风粉量等方法,

11、从而在燃烧过程中把NOX的生成量降到最低。从对某厂SG406型400 t/h锅炉进行的燃烧调整试验结果看出:在机组负荷为125 MW下,燃烧调整试验前,在空预器出口测得NOX含量为1 029 mg/Nm3,而锅炉燃烧优化工况下测得NOX 含量为725 mg/Nm3。对于已经采用低NOX燃烧技术的电站锅炉,燃烧优化仍然是降低NO X排放的重要前提。2.5 选择合适的低NOX燃烧技术对于锅炉NOX排放水平较高的一些电厂,应结合电厂锅炉的具体特点,选择合适的低NOX燃烧技术,着手对锅炉燃烧系统进行重新设计计算。在解决电厂存在的锅炉燃烧效率低、燃烧器易烧损或水冷壁高温腐蚀等问题的同时,采用低NOX燃烧技术。可以在原有的浓