低氮燃烧器改造方案

1、中石化湖北化肥厂资产公司宜昌分公司热电厂2X240t/h、1X220t/h燃煤锅炉烟气低氮改造方案目录前言(2)设备概况(2)锅炉规范(3)燃煤特性(3)主要设计研究依据(8)NOx生成和低NOX空制技术(8)NOx生成机理(8)NOx的控制技术与分析(11)4.2.1燃烧前NOxS制技术(11)4.2.2燃烧中NOxS制技术(11)早期低NOx!烧技术(12)水平空气分级低NOx!烧技术(13)422.3垂直空气分级低NOx!烧技术(13)4.2.3烟气脱硝技术(13)选择性催化还原技术SCR(14)选择性非催化还原技术SNCR(14)低NOx燃烧器的设计(14)3台锅炉低NOX然烧技术改造

2、项目燃煤特性评价(14)锅炉低氮改造改造技术方案(15)5.4技术原理(18)垂直浓淡稳燃技术原理(18)水平浓淡煤粉燃烧器的热回流着火稳燃原理:(19)浓淡煤粉燃烧器防止结渣和高温腐蚀原理(20)浓淡煤粉燃烧器降低NOx排放原理(21)545偏置二次风降低NOx排放原理(22)546空气分级燃烧(SOFA燃尽风)降低NOx排放原理(23)灵活地调整汽温和保证安全受热面壁温(25)燃尽风风量测量系统的说明(25)供货范围(26)、尸、-、前言中国石化资产公司宜昌分公司3台煤粉锅炉脱硝改造项目,为了尽量减轻炉后烟气脱硝的压力,先对该3台锅炉进行低氮燃烧器的改造。低氮燃烧器改造后,锅炉出口烟气中N

3、Ox的浓度约为350mg/Nm3该数据作为烟气脱硝装置入口NOx的设计基线浓度值,要达到排放烟气中NOx的浓度w100mg/Nm3勺环保要求,只需脱硝效率达到71.4%左右即可，采用炉外SCR技术完全能满足要求，所以在本可研中推荐采用低氮燃烧器改造+SCF技术对该3台锅炉进行烟气脱硝治理。宜昌化工热电厂现有1*220、2*240t/h燃煤锅炉，准备在脱硫脱硝改造项目过程中进行低氮燃烧器改造，以降低锅炉低氮改造的运行成本，提高锅炉整体经济效、人益。炉。#1、#2炉2*240t/h为武汉锅炉厂有限责任公司设计生产的2台高压煤粉#3炉为武汉锅炉厂生产的220t/h高压煤粉炉。3台炉均为高温、高压、自

4、然循环、固态排渣煤粉锅炉，中间储仓制乏气送粉系统，四角切圆燃烧方式。未进行低氮燃烧器改造前，锅炉燃烧NOx排放在470mg/NM左右，通过改造后NOx排放要求达到350mg/NM3以下针对3台型进行技术方案介绍。设备概况锅炉规范燃煤特性设计煤质特性见表1表2.2-1220t/h锅炉燃煤煤质表2.2-3240t/h锅炉燃煤煤质注:240吨锅炉燃料特性:烟煤,以平顶山“香山矿”和“五七矿”1:1混合燃烧设备原锅炉炉膛布置1#、2#台锅炉都是武汉锅炉厂的产品,在外形、主要参数一致情况,个别略有差别,由于档案室现存资料不全,因此将两台炉作为一样的结构与参数考虑。3#锅炉是武汉锅炉厂生产的220吨锅炉,

5、由于业主未提供相应的锅炉资料我们根据以往所接触的同类项目来做相应方案。台炉膛断面为近似方形,采用乏气系统,燃烧器采用四角布置切向燃烧方式锅炉共配置2台钢球磨。锅炉共设置2层一次风喷嘴,一、二次风间隔布置。每角燃烧器各有二次风门挡板5组,均由电动执行器控制,燃烧器喷嘴除了下二次风及一次风不摆动外,其余喷嘴均可摆动。煤粉燃烧器设计参数见图1和表2。图1改造前煤粉燃烧器示意图表2煤粉燃烧器设计参数改造目的锅炉实际运行过程中存在及需要解决的问题:通过对锅炉燃烧系统及制粉系统设备改造,将锅炉氮氧化物排放降低到350mg/Nm3锅炉的效率将保持不变。改造后锅炉的出力维持不变,过热蒸汽和再热蒸汽的温度达到原

6、设计值,过热蒸汽的减温水量在可控范围之内。改造后的锅炉运行必须具有安全性,经济性及可操作性。燃烧系统能够扩大煤种的适应性,防止结渣及高温烟气腐蚀。改造后锅炉的控制模式基本维持不变,燃烧火焰更稳定。改造范围针对本次改造所要达到的目的以及锅炉目前存在的问题,基本的改造范围如下重新设计本改造燃烧系统;增设SOFA系统性能保证在燃用目前的煤种情况及煤粉细度范围内:BMCRt况下,NOx（干基、标态、6%0下折算的N02计）排放浓度不大于_350_mg/Nm3,CO*放浓度不变，锅炉效率不小于改造前（低位热值）,未燃碳热损失不高于改造前。各项性能指标须同时保证。锅炉在70100%BMCR围内运行时，主蒸

7、汽温度540C,减温水量按照原设计数据；在70100%BMCR围内运行时,过热蒸汽温度540C,汽温偏差不超过土5,减温水量不大于原设计值。3）炉膛出两侧烟温差少于50C。3主要设计研究依据JB10440-2004大型煤粉锅炉炉膛及燃烧器性能设计规范锅炉机组热力计算-标准方法.北京:机械工业出版社,1976DL/T435-2004电站煤粉锅炉炉膛防爆规程DL/T5121-2000火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程中国动力工程学会主编.火力发电设备技术手册.北京:机械工业出版社,2000电站锅炉手册.胡荫平.北京:中国电力出版社,2005抚顺热电运行规程、锅炉图纸小型热电站实用设计手册编写组.小

8、型热电站实用设计手册.北京:水利电力出版社,1988火力发电厂煤粉制备系统设计和计算方法.北京:中国电力出版社,1999GB10184-88电站锅炉性能试验规程中国电力出版社1996.8NOx生成和低NOX空制技术NOx生成机理NOx有3种生成机理第一种为热力型，系由氮与氧在较高温度下反应生成，该反应一般在1500C以上进行,其生成量与温度、在高温区停留时间以及氧的分压有关。热力型NOx系燃烧过程中空气中的氧与氮在高温中生成的NOSNO2总和,其反应方程为:N2+O2=2NONO+1/2O2=NO2由于氧原子与N2反应的活化能比氧原子在火焰中可燃成分反应的活化能高得多，而且氧原子在火焰中存在时

9、间较短；故火焰中不会产生大量的NO,NO的生成反应系燃料中可燃部分烧完之后的高温区进行。由于热力型NO生成的活化能很高，在1500C以下几乎观测不到NO的生成反应。当温度超过1500C时，温度每上升100C,反应速度将增加67倍。对煤粉锅炉来说，当燃烧温度在1350C时，炉内生成的NOx几乎100%为燃料型，当燃烧温度为1600C时，热力型NOx可占生成总量的25%30%。第二种为燃料型,为煤中的有机氮氧化生成,其生成量与温度关系不大,生成温度低于热力型,但与氧浓度关系密切,煤粉与空气的混合过程也对其有显著影响。煤中的氮原子与各种碳氢化合物结合成氮的环状或链状化合物,如C5H5N、C6H5NH

10、2等。煤中氮有机化合物的CN结合键能较小，在燃烧时容易分解。从氮氧化物生成的角度看，氧更容易首先破坏cN与氮原子生成NO煤燃烧时燃料型NOx约占NOx总生成量的75%80%图2热力型、燃料型和瞬发型NOx与炉膛温度的关系第三种为瞬发型，系燃料中烃基化合物在欠氧火焰中与气体中氧反应生成氰化物,其中一部分转化为NO,其转化率与化学当量及温度有关。煤粉燃烧所产生的NO）中,燃料型NOx比例较大，约为60%80以上，热力型约占总量的20%而瞬发型反应生成的NOx只占很小的比例。图5为煤粉锅炉中三种类型的NOx生成量与炉温的关系及各自生成量的范围。锅炉燃用不同煤种时NOx生成量不同，挥发分越高的煤种,N

11、Ox越低,以褐煤NOx排放量为100%单位，烟煤的NOx排放量为127.3%单位，贫煤的NOx排放量为180%|位,无烟煤的NOx排放量为268.7%单位。图3锅炉燃用不同的煤种时NOx排放量数值NOx的控制技术与分析根据以上所述燃煤电站锅炉NOx产生的机理及影响因素,对于燃煤锅炉NOx的控制主要有三种方法：、燃料脱硝；、改进燃烧方式和生产工艺，在燃烧过程脱硝；、烟气脱硝，即燃烧后NOx控制技术。前两种方法是减少燃烧过程中NOx的生成量,第三种方法则是对燃烧后烟气中的NOx进行治理。4.2.1燃烧前NOx控制技术燃烧前对NOx产生的控制，就是通过处理将燃料煤转化为低氮燃料。通常固体燃料的含氮量

12、为0.5%2.5%,近年来,一些国家开始进行燃料脱硝研究,但其难度很大,成本很高,有待于今后继续研究。就目前我国资源结构和能源政策的现状来说,使用低氮燃料这一措施难以实现,也未见实施业绩的报道或说明。422燃烧中NOX空制技术为了做好燃烧中对NOx生成量的控制，对于新机组投运或老机组改造，可在低氧燃烧的基础上采取各种低NOx燃烧技术。低NOX然烧技术的特点是工艺成熟,投资和运行费用低。在对NOx排放要求严格的美国、德国和日本,均是先采用低NOx燃烧技术,减少一半以上的NOx后再进行烟气脱硝，以降低脱硝装置入口的NOx浓度，减少投资和运行费用。根据NOx的生成机理，对燃烧过程中NOx生成的控制主

13、要从两个方面考虑：一是抑制燃烧中NOx的形成;二是还原已形成的NOx其主要方法是通过运行方式的改进或对燃烧过程进行特殊的控制，抑制燃烧过程中NOx的生成反应，从而降低NOx的最终排放量。低NOX然烧技术的主要途径有如下几个方面。早期低NOX然烧技术主要是调整运行方式或对煤粉燃烧器进行局部改造。虽简单易行，但对NOX降低幅度不大。、低过量空气运行。过量空气系数降低,NOx排放量减少。但是，调整过量空气系数的潜力很小,它受到受热面沾污、结渣和高温腐蚀、汽温以及飞灰的变化等因素的制约。、部分燃烧器退出运行,停止最上层(或几层)一次风火嘴的燃料供应,只送空气,实现简单分级燃烧。（3）、浓淡煤粉燃烧技术

14、。浓淡燃烧时近年来国内外采用的一种降低锅炉燃烧NOx排放的新技术。其原理是使部分燃烧器供应较多的空气（呈贫燃料区）,即燃料过淡燃烧;部分燃烧器供应较少的空气（呈富燃料区）,即燃料过浓燃烧。由于两者都偏离理论空气量,从而燃烧温度降低,较好地抑制NOx的生成。4.222水平空气分级低NOx燃烧技术水平空气分级燃烧的基本原理是将燃烧用的空气分阶段送入,首先将一定比例的空气（其量小于理论空气量）从燃烧器送入,使燃料先在缺氧条件下燃烧,燃料燃烧速度和理论燃烧温度降低，燃烧生成CO燃料中氮分解成大量的HNHCNCNNH3和NH2等,它们相互复合生成氮气或将已经存在的NOx还原分解,从而抑制了燃料NOx的生

15、成。垂直空气分级低NOx!烧技术燃料分级燃烧（也称再燃法），在燃烧中已生成的NOx遇到烃根CHi和未完全燃烧产物COH2C和CnHm时，会发生NO的还原反应。利用这一原理，将80%85的燃料送入第一级燃烧区,在a1的条件下燃料生成NOx其余15%20的燃料则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区，在a1的条件下形成很强的还原性气氛使得在一级燃烧区中生成的NOx在二级燃烧区（再燃区）内被还原成氮分子。再燃区中不仅能使已生成的NOx得到还原，同时还抑制了新的NOx的生成，可使NOx的排放浓度进一步降低。在再燃区的上面还需布置“火上风”喷口,形成第三级燃烧区（燃尽区），以保证再燃区中生成的未完全燃烧产物的燃

16、尽。管低NOX然烧技术具有系统简单、操作容易、投资少的优点，但在一般情况下其最多只能降低NOx排放量的50%。烟气脱硝技术选择性催化还原技术SCRSCR兑硝技术是在含氧气氛下及催化剂存在时，以氨、尿素或碳氢化化物作为还原剂，将烟气中的NOx还原为N2和水;在反应温度为300450C时,脱销效率可达70%90%SCR兑销技术目前已成为世界上应用最多、最有成效的一种烟气脱硝技术。中国首例SCR脱硝工程也于1999年投运，近期中国多家燃煤电厂SCR工程也已进入设计阶段。SCR兑销技术反应温度低,净化率高,技术成熟,运行可靠,二次污染小;但工艺设备投资大,所用催化剂昂贵。选择性非催化还原技术SNCR选

17、择性非催化还原法工艺，也称为热力DeNO工艺，最初由美国的Exxon公司发明并于1974年在日本成功投入工业应用。该技术是把含有NHx基的还原剂（如氨、尿素等）喷入900-1100C的炉膛区域，还原剂迅速分解成NH3,并于烟气中的NOx进行SNC反应生成N2该方法以炉膛为反应器，通过对锅炉进行改造来实现。SNCR勺脱硝效率约为30%70%多用作低NOx燃烧技术的补充处理手段。SNCR技术目前的趋势是利用尿素代替氨作为还原剂，但是尿素作为还原剂时，部分NOx会转化为N2O该技术不用催化剂，设备运行费用较SCF少;NH3用量大，二次污染,难以保证反应温度和停留时间。5低NOx燃烧器的设计3台锅炉低

18、NOx燃烧技术改造项目燃煤特性评价根据宜昌化工设计煤种、校核煤种以及实际运行煤质的各项指标可知,目前是烟煤和贫煤按1:1掺烧。锅炉低氮改造改造技术方案本工程制粉系统采用中储式乏气送粉系统，锅炉在B-MCF工况时，煤粉燃烧器采用四角燃烧方式，本工程燃用结合我公司锅炉低NOX然烧器的成功经验，初步确定如下煤粉燃烧器技术改造方案。表313#号锅炉低NOx!烧器改造方案图4改造后煤粉燃烧器示意图1）第一层换燃烧器喷口。2）第二层一次风煤粉燃烧器采用先进的垂直浓淡分离+侧边稳燃风燃烧技术,并采用喷强化燃烧措施，有效的降低NOx排放量，保证高效燃烧，降低飞灰可燃物含量,3）高浓缩效率、低阻力新型煤粉燃烧器

19、,确保煤粉及时着火,加强燃尽效果;4）采用延迟混合型一、二次风的偏置二次风设计，确保NOx大幅度减排;5）水平浓淡煤粉燃烧器采用耐磨陶瓷组合结构,最大限度地延长燃烧器使用寿命。6）减少主燃烧器区域的二次风喷面积，减少部分喷面积布置设计（在主燃烧器上方4000mn左右）SOFA然尽风，采用分级送入的高位分离燃尽风系统,燃尽风喷能够垂直和水平方向双向摆动,有效控制汽温及其偏差。改造后煤粉燃烧器示意图见图4。图5改造后二层一次风煤粉燃烧器参考示意图（上浓下淡）5.4技术原理垂直浓淡稳燃技术原理浓淡煤粉燃烧技术原理是:当浓度约为0.40.5kg/kgair为一次风煤粉气流通过方圆节进入浓淡煤粉分离器时

20、,在浓淡煤粉分离器的作用下,一次风煤粉气流分成浓淡两股煤粉气流,其中一股为高浓度煤粉气流,浓煤粉气流的煤粉浓度可以达到0.60.8kg/kgair，煤粉浓度提高后，其着火温度降低,把煤粉和空气混合物加热到着火时间缩短;同时,煤粉所需的着火热减少;火焰传扩锥的阻塞率较小,约为30%,且由于锥体横向布置,气流刚性强,不易偏转贴墙,可避免结渣。浓淡煤粉燃烧器防止结渣和高温腐蚀原理一次风喷口出口四周设计有偏置型周界风喷口,对运行或停运的一次风喷口起到冷却保护作用,一次风在向火侧和上下两侧设有小扳边,推迟周界风与一次风的混合,在一次风喷口背火侧设计较大出口动量的侧二次风,对炉膛水冷壁面起到防止结渣、防止

21、高温腐蚀的保护作用。浓淡煤粉燃烧器降低NOx排放原理浓淡煤粉燃烧器降低NOx排放源理是：在一次风管道内采用经过详细研究和优化的百叶窗式煤粉浓缩器,使煤粉气流在流经百叶窗是产生不同程度偏转,煤粉与气流惯性分离,经分流隔板后分别形成两股浓、淡煤粉气流,同时在淡煤粉外背火侧布置有刚性强的偏置周界风喷口。淡煤粉气流在水冷壁附近形成了比普通燃烧器强得多的氧化性气氛。偏置周界风在背火侧的投入将进一步强化淡煤粉形成的氧化性气氛,保证在深度炉内分级燃烧方式下,水冷壁附近的低煤粉颗粒浓度和氧化性气氛的运行环境。这种布置方式不仅起到了稳燃和降低NOx生成的作用，同时还避免了形成还原性气氛，防止了水冷壁高温腐蚀现象

22、发生。浓煤粉布置炉内烟气温度高的向火侧,浓煤粉具有着火温度低、火焰温度高的特点,保证了煤粉火焰的良好稳定性。一次风煤粉气流中的风煤比3478NOx(ppm)图9浓淡煤粉燃烧器的NOx生成特性曲线由于浓淡煤粉气流分别在远离煤粉燃烧化学当量比条件下燃烧,对于浓侧煤粉气流由于处于还原性气氛下燃烧,气流中氧含量小,煤粉挥发物中的含氮基团可将NO还原为N2,使NO产生量降低；对于淡侧煤粉气流，由于煤粉浓度较小，含氮基团析出量小，这样与氧反应生成NO的量较小,综合总体效应的结果，使浓淡分离后一次风产生NO排放量比普通型直流燃烧器少得多。采用浓淡煤粉燃烧器后,可以有效改善着火阶段煤粉气流的供风,使煤粉在偏离

23、化学当量比环境中着火这样降低了NOx生成量，可以大幅度降低NOx排放水平。545偏置二次风降低NOx排放原理偏置二次风示意图见图12。图12偏置二次风的流向示意图于采用切向燃烧技术的燃煤锅炉,偏置二次风由于从角部进入炉膛的一次风煤粉气流和偏置二次风这两股平行气流之间的混合率相对较低,部分辅助空气射出方向偏离燃料气流,进一步延迟了一次风煤粉气流对该空气流的卷吸,在着火初期和部分挥发分的析出阶段只在缺氧的始燃区内发生,因而在挥发分析出和碳初始燃烧阶段降低了燃烧的化学当量比，水平偏角辅助二次风具有NOx排放量相对较低的特点。另外,偏置二次风改善水冷壁区域的氧化性气氛,形成中间富燃料、水冷壁四周富氧的

24、风包粉结构,减少煤粉燃烧器区域的结渣和高温腐蚀。546空气分级燃烧（SOFA燃尽风）降低NOx排放原理空气分级燃烧是目前使用最为普遍的低NOx燃烧技术之一。空气分级燃烧的基本原理为:将燃烧所需的空气量分成两级送入炉膛,使主燃烧区内过量空气系数在0.80.85,燃料先在富燃料条件下燃烧,使得燃烧速度和温度降低,延迟了燃烧过程在还原性气氛中大量含氮基团与NOx反应提高了NOx向N2的转化率，降低了NOx在这一区域的生成量。）送入炉膛,在供入燃尽风以后,成为富氧燃烧区。此时空气量虽多,但因火焰温度低，且煤中析出的大部分含氮基团在主燃区已反应完成，最终NOx生成量不大，同时空气的供入使煤粉颗粒中剩余焦

25、炭充分燃尽,保证煤粉的高燃烧效率,最终炉内垂直空气分级燃烧可使NOx生成量降低3040%在采用深度空气分级燃烧时,由于在主燃烧区过量空气系数比1小很多,燃烧是在比理论空气量低很多的情况下进行的，虽然有利于抑制NOx的生成，但产生大量不完全燃烧产物,导致燃烧效率降低并容易引起结渣和受热面腐蚀。因此,必须正确组织合理的空气分级燃烧，在保证降低NOx排放同时充分考虑锅炉运行的经济性和安全可靠性。5.4.7灵活地调整汽温和保证安全受热面壁温由于浓淡燃烧器具有一次风着火点、火焰稳定性强的特点,将使炉膛火焰中心有所下降,部分抵消由于燃尽风喷口在水冷壁上开口引起的炉膛辐射受热面积的减少,使炉膛出口烟温变化不大,有效避免了炉膛出口屏区的结渣和烟温偏差。在主燃烧器区上部的将采用高位燃尽风喷口,其喷口可以水平和垂直方向摆动一定角度,使燃尽风出口气流在炉内形成与主燃烧器出口气流呈一定的反切角度,反切气流与主气流流动方向相反动量相互抵消,起到有效削旋气流的作用