炉内空气分级低NOx燃烧技术

1、第19卷第6期电站系统工程Vol.19 No.6 2003年11月Power System Engineering Nov., 2003 文章编号:1005-006X(200306-0047-03炉内空气分级低NO x燃烧技术哈尔滨工业大学董利李瑞扬摘要:通过对氮氧化物生成机理的分析,论述了降低氮氧化物生成的基本途径和炉内空气分级燃烧脱硝的基本原理。通过实例考察了火上风量、径向空气分布、炉内氧量、炉内负荷和三次风投停对氮氧化物排放量的影响,说明炉内空气分级燃烧技术是降低煤粉炉NO x排放量的有效方法。关键词:煤粉炉;降低氮氧化物;炉内空气分级燃烧中图分类号:X701文献标识码:ALow NO

2、x Combustion Technology by Classifired CombustionDONG Li, LI Rui-yangAbstract:By analysis of NO x production mechanism, the principles of controlling NO x production and lowering emission of NO x by classifired combustion is described. Through actual examples, it indicated the influence of OFA, the

3、secondary air distribution along furnace section, the boiler charge, the reject and stop of coal pulverizing system on denitrification rate. Then it can be concluded that the classifired combustion is available to lower NO x emission of coal fired utility boiler.Key words: coal fired utility boiler;

4、 lowering emission of NO x; classifired combustion煤炭是我国主要的一次能源,但燃烧过程排放的大量CO2、SO2、氮氧化物和粉尘颗粒对大气造成严重的污染,所以解决煤燃烧所带来的污染已成为目前急需解决的任务。对于煤粉炉,NO x污染主要从两方面研究:一是采用洁净燃烧技术,着眼于降低炉内NO x的生成量;二是在烟道一侧附加脱硝装置,把烟气中已形成的NO x转化成无害的氮气和有用的氮肥。这两种方法中,后者脱硝率高,综合效益好,但投资和运行费用均很高,推广应用有一定的限制;前者的脱硝率相对低一些,但投资和运行费用很低,因而受到重视。炉内空气分级燃烧就是一

5、种很有效的低NO x燃烧技术。1 炉内空气分级燃烧的基本原理1.1 燃烧过程中NO x的形成机制煤粉燃烧过程中,氮氧化物生成途径主要有以下3种:热力型NO x,它是指空气中的氮气被高温氧化而生成的NO x。燃料型NO x,它是指燃料中的含氮化合物在燃烧过程中进行热分解继而进一步氧化而成NO x。快速型NO x,它是燃料对空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成的NO x。热力型NO x的生成机理,遵从Zeldovich理论,认为热力型NO x是一个由氧原子引发的自由基链反应:O+N2NO+N (1N+O2NO+O (2 在反应中,氮原子只能从式(1中产生,而不能通过氮的分解产生。式(1的

6、反应活化能量高,控制着反应的速度。热力型氮氧化物的生成速度和温度的关系是按照阿累尼乌斯定律进行的,在温度小于1 500 时,几乎看不到收稿日期: 2002-11-05董利,女,硕士生。能源学院, 150001 NO的产生,只有当温度高于1 500 时,NO的产生才明显起来。所以,在煤粉炉固态排渣燃烧方式下,热力型NO x所占比例极小。燃料型NO x是NO x的主要组成部分,约占75%90%,其生成机理十分复杂。德国斯图加特大学的Hein教授认为:燃料型NO x的形成与煤的热解产物和火焰中氧的浓度密切相关。氧气的浓度及分布状况对NO x的产生起决定性的作用。此外,煤中的挥发分,特别是还原性的成分

7、的含量增加,会对NO x的降低有积极的作用(见图1。图1 煤燃烧过程中燃料N的转化快速型NO x是燃烧时产生的烃(CN i等撞击燃烧空气中的氮气分子而产生CN、HCN,然后它们被氧化成NO x。由于快速型NO x在总的NO x中所占比例通常在5%以下,因此在煤粉炉中不予考虑。影响NO x 生成量的主要因素有燃料种类、燃料含氮量、48 电站系统工程2003年第19卷 燃烧方式、锅炉容积热负荷、燃烧器结构形式、除渣方式和运行风量等。其中,燃烧器结构形式和运行风量的影响比较显著。为控制燃烧过程中NO x的生成量所采用的降低原则为:降低过量空气系数和氧气浓度,使煤粉在缺氧条件下燃烧;降低燃烧温度,防止

8、产生局部高温区;缩短烟气在高温区的停留时间;采用低NO x燃烧器。由于上述几点与煤粉炉降低飞灰含炭量,提高燃尽率的原则相矛盾,所以在对锅炉设计,改造和运行时,应综合全面考虑。1.2 炉内空气分级燃烧的基本原理由于煤粉炉燃烧温度不超过1 500 ,热力型NO x的生成量很少,所以可以忽略氮气的氧化。燃料型NO x的快速形成主要集中于燃料的着火阶段,这时煤粉热解产生大量的挥发分。如果氧气充足,它们将迅速生成NO;如果氧气不足,则氮气的形成得到强化,NO的形成受到抑制。炉内空气分级燃烧就是根据这一原理,通过改变送风方式,控制炉内空气的分布,使煤在着火阶段缺氧,即在燃烧器出口和燃烧中心区域造成还原性气

9、氛,从而降低NO x的生成量,未燃尽的炭粒将在炉膛上部的燃尽区与燃尽风混合并完全燃烧,其中燃尽风由主燃空气分流而来,并通过炉膛上部燃尽风喷口喷入燃尽区。炉内空气分级燃烧的实现形式主要有两种,即轴向空气分级燃烧和径向空气分级燃烧。(1 轴向空气分级燃烧(OFA方式将燃烧所需的空气分两部分送入炉膛:一部分为主二次风,约占总二次风量的70%85%;另一部分为燃尽风(OFA,Over Fire Air,约占总二次风量的15%30%。因此,炉膛内的燃烧分成三个区域,即热解区、贫氧区和富氧区(见图2。上部燃尽风送入炉膛时,已经避开了高温火焰区,对未燃尽产物起完全燃烧的作用。燃尽风喷口与主燃烧器间轴线距离H

10、对NO x的降低有很大的影响,H的推荐值为2:H=1.5(V r/100.5图2 轴向空气分级燃烧示意图(2 径向空气分级燃烧径向空气分级燃烧是在与烟气流垂直的炉膛断面上组织分级燃烧,它是通过将二次风射流部分偏向炉墙来实现的(见图3。径向分级燃烧不仅可以使主燃区处于还原性气氛从而降低NO x的排放量,还可使炉墙附近处于氧化性气氛,从而可以避免水冷壁的高温腐蚀以及因还原性气氛使灰熔点下降而导致的燃烧器附近的结渣。图3径向空气分级燃烧示意图采用炉内空气分级燃烧使NO x降低的程度可用分级燃烧有效率NOx表示3:NOx=(C NO2-C NO2×100/C NO2式中C NO2,C NO2

11、为锅炉实施炉内空气分级送风改造前后换算到=1.4时,按NO2计算的NO x浓度。炉内空气分级燃烧约能降低NO x排放量25%30%,一些大型煤粉炉采用该技术后取得了显著的效果,如表1所示3:表1 大型煤粉炉空气分级燃烧效果燃烧方式容量/MW原NO x排放浓度/m gm-3分级燃烧排放浓度/m gm-3NO x降低率/%前墙布置燃烧器液态排渣煤粉炉300 912 584 36两排前墙布置液态排渣煤粉炉500 672 323(425MW 52前墙布置燃烧器固态排渣煤粉炉200 380 283 25两排前墙布置固态排渣煤粉炉350 476 183 622 工程应用实例及分析在内蒙古乌拉山发电厂3号锅

12、炉,即WGZ/410-12型锅炉上进行试验,对锅炉实施炉内轴向、径向空气分级燃烧改造。(1 燃尽风份额的影响由于现场条件的限制而使得燃尽风喷口过小,因此在满负荷下,燃尽风份额很低(约5%左右,故脱硝率较低。在70%负荷下,一方面减小二次风挡板开度,一方面增大送风机的送风量,运行稳定后,测试结果如表2所示4:表2 燃尽风份额对脱硝率的影响(7% O2NO x浓度/mgm-3脱硝效率/%二次风挡板开度/%燃尽风风速/ms-1过热器后空气预热器后过热器后空气预热器后60 39.83 511 516.3 45.5 47.4730 46.20 484.5 485.5 48.30 50.60由表2的测试数

13、据可知:二次风挡板的开度越小,火上风份额越大,主燃区氧气浓度也就越低,NO x的形成被明显抑制,脱硝率明显增大。由于在低负荷下送风裕量较大,所以在增大送风量的情况下,减少二次风挡板开度可以明显增大火上风的份额,有效降低主燃区的氧量,较好实现空气分级燃烧,明显提高脱硝率,使之达到50%60%。然而随着负荷的增大,送风裕量减少,轴向空气分级效果变差,脱硝率的提高不够理想。(2 二次风分布的影响在70%、90%和100%负荷下,关闭燃尽风,空气分级燃烧改造前后烟气中NO x浓度的测试结果见表34。表3 二次风的分布对NO x浓度的影响烟气中NO x浓度/mgm-3负荷/%喷口中无导流板喷口中有导流板

14、脱硝率/%100 868.3 691.0 20.4290 1084.3 945.0 12.8570 982.8 729.0 25.82第6期 董 利等:炉内空气分级低NO x 燃烧技术49 径向空气分级燃烧改造前,二次风喷口内没有设置导流板,全部二次风射流以接近45°角的方向射向炉膛中心形成理想圆;径向空气分级燃烧改造后,二次风喷口内设置导流板(图4,使得部分二次风射流(大约15%20%偏向炉墙,远离燃烧中心,延迟了煤与空气的混合,减少了火焰中心NO x 的生成量。表3说明二次风远离燃烧中心可得到13%25%的脱硝率。此外,远离燃烧中心的二次风可以避免水冷壁附近还原气氛的形成,减弱水

15、冷壁的高温腐蚀。图4 径向空气分级燃烧示意图(3 锅炉负荷、炉膛氧量和三次风的投停(即磨煤机的投停对NO x 形成有一定的影响在炉膛出口氧量及其他运行条件基本相同的情况下,负荷越大,空气分级燃烧的燃尽风份额越小,从而燃烧过程中生成的NO x 越多;炉膛氧量越高,燃烧中心区域氧气浓度越大,燃烧过程中有机氮被氧化的趋势越大,火焰中形成的NO x 越多,脱硝率越小;在入炉空气总量不变的前提下,随着磨煤机的投运,三次风量逐渐增大,这实际上相当于增大了燃尽风的比例,使主燃区形成缺氧燃烧,抑制了NO x 的形成。由于三次风含有5%10%左右的煤粉,它的后期投入也可以使已生成的NO 还原分解,从而降低了总的

16、NO x 排放量。3 结束语综上所述,通过运用炉内空气分级燃烧技术对现有的直流燃烧煤粉炉进行改造,可以显著降低NO x 的排放量,脱硝率可达30%50%,炉膛内二次风的分布及燃尽风的份额对空气分级燃烧的脱硝率起着重要的作用。所以,炉内空气分级燃烧技术是一种经济有效的运行方式,这对于我国这样的发展中国家无疑是一种值得大力推广的方法。 参 考 文 献1 邱广明, 等. 燃煤锅炉低NO x 燃烧技术研究J. 环境保护, 2000(2.2 闫志勇, 等. 锅炉分级燃烧降低NO x 排放的技术改造及分析J. 动力工程, 2000(4.3 张成恩. 分级燃烧技术的应用J. 锅炉技术, 1998(6.4 魏

17、恩宗, 等. 燃煤锅炉低NO x 燃烧技术及其试验研究J. 电站系统工程, 2001(6.5J R Fan, P Sun. Numerical and experimental investigation on the reduction of NO x emission in a 600 MW utility furnace by using OFA J. Fuel, 1999, 78.编辑:闻 彰(上接第42页间隔较大的通道分别喷入炉膛,在两通道之间形成强烟气回流以加热煤粉;采用弧形板扩大燃烧器出口面积,增大了燃烧器的蓄热,具有预燃室的优点,同时弧形板将炉膛内投射过来的辐射热量发射到煤粉射

18、流上加热煤粉。(2 该燃烧器在降低NO x 排放方面采用煤粉气流浓淡分离,使燃烧初期浓、淡煤粉均偏离其当量比燃烧,以降低NO x 生成。同时由于该燃烧器可以实现煤粉的稳定着火,故可以应用于四角切圆燃烧锅炉上,采用过燃风进一步降低NO x 的排放。(3 该燃烧器在煤种适应性方面,通过调节二次风、侧边风、夹心风风量及煤粉浓度以满足不同煤种燃烧的需要。煤种较好的时候,开大二次风、侧边风、夹心风风量,调整煤粉浓度调节挡块降低煤粉浓度,可以将着火点维持在一个较佳的位置。(4 该燃烧器在保护喷口及防止高温腐蚀方面有以下特点:采用弧形板扩大喷口出口面积,确保煤粉不吹到燃烧器壁面上;采用二次风、侧边风、夹心风及煤粉浓度调节着火点以保护喷口;在上下通道中采用煤粉浓淡隔板使各通道中浓淡煤粉具有近似正方形的界面,使煤粉射流的刚性得到增加。(5 在几何位置方面,由于采用了上下双通道布置,在水平方向上不增大几何尺寸,有利于在旧炉改造中方便实现燃烧器的改造。为节约锅炉点火用油,该燃烧器可以增设小油