富氧低氮燃烧技术

重庆市富燃科技有限责任公司富氧低氮燃烧技术二O一四年三月目录技术背景氮氧化物产生的机理技术发展现状3.1烟气脱硝3.2空气分级燃烧技术3.3燃料分级燃烧技术富氧低氮燃烧技术介绍4.1富氧低氮燃烧技术的提出4.2富氧低氮燃烧技术的机理4.3富氧低氮燃烧技术的优势4.4富氧低氮燃烧技术系统组成富氧低氮燃烧技术关键点5.1富氧低氮燃烧项目技术关键点5.2富氧低氮燃烧项目设备装置关键点6技术预期效益6.1#锅炉预期减排NOx效果6.2富氧低氮燃烧技术经济分析7.结论1.技术背景煤在燃烧过程中会生成二氧化硫、氮氧化物、粉尘等污染物，这些污染物对我们的环境产生很大的危害，其中氮氧化物（NOx）的危害最大。在研究煤粉燃烧的过程中，如何降低氮氧化物的产生，成了我们必须面对和解决的重要问题。氮氧化物（NOx）在阳光的作用下会引起光化学反应，形成光化学烟雾，从而造成严重的大气污染。七十年代以来NOx的大气污染问题已被日益重视，人们发现：人体健康的伤害、高含量硝酸雨、光化学烟雾、臭氧减少以及其他一些问题均与低浓度NOx有关系，而且其危害性比人们原先设想的要大得多。2.氮氧化物产生的机理NOx主要是在煤粉燃烧过程中，由煤粉自身含的氮和空气中的氮产生的，其主要物质有：NO、NO2、N2O、NH3、CHN等，其生成的种类与煤种情况、燃烧温度、过量空气系数等有关。其中NO为主要的排放物。NOx可分为：燃料型/热力型/快速型。其中燃料型NOx占大多数。热力型NOx是空气中的氮直接氧化产生的，与温度的高低有密切的关系，当炉内火焰温度高于1500°C时，温度每增加100°C，NOx的产生速度就会提高6~7倍。燃料型NOx是煤粉中的氮物质受热分解后氧化产生的，与温度没有多大的关系，但与空气过量系数有密切的联系，它是煤粉燃烧过程中NOx的主要生成途径，研究表明，燃料型NOx占锅炉NOx排量的

60%~80%NO生成与还原最主要的反应如下3.技术发展现状为了解决氮氧化物的排放问题，国内外普遍采用了以下几种减排方法：3.1烟气脱硝烟气脱硝，是指把已生成的NOx还原为N2,从而脱除烟气中的NOx，按治理工艺可分为湿法脱硝和干法脱硝。主要包括：酸吸收法、碱吸收法、选择性催化还原法、非选择性催化还原法、吸附法、离子体活化法等。

常见烟气脱硝方法比较如下:方法适用性及特点八、、优点与不足脱硝率投资SCR适合排气量大，连续排放源二次污染小，净化效率高，技术成熟；设备投资高，关键技术难度较大，要求烟气温度高，不能脱硫，烟气易结露腐蚀后续设备和管道。脱硝80%〜90%高SNCR适合排气量大，连续排放源不用催化剂，设备和运行费用少；NH3用量大，二次污染，难以保证反应温度和停留时间，要求烟气温度高，不能脱硫，烟气易结露、腐蚀后续设备和管道脱硝30%〜60%运行费用高LoTOx处理烟气量中等的情况可取臭氧氧化脱硝技术是美国的一项专利技术、脱硝工况稳定、效率高，易控制。适宜在相对低温条件下进行化学反应。但臭氧发生器价格昂贵。脱硝80〜95%运行费用较高由此可见各种烟气脱硝方法基建投资大、运行费用高，且随着脱硝装置的老化，其运行成本及运行效率都将发生很大的变化。3.2空气分级燃烧技术煤粉燃烧的过程分阶段完成。第一阶段是将空气量减少到总空气量的70%~75%，使煤粉的燃烧在缺氧状态下进行，进而降低了燃烧区的燃烧温度和燃烧速度，因此不但延长了煤粉燃烧的过程，还在还原环境中抑制了NOx的产生，为了使煤粉完全燃烧，另外所需的空气量由主燃烧器上方的喷口送入，在a>1的条件下，煤粉完全燃烧。这样煤粉燃烧所需的空气分两级进入，煤粉的燃烧也分为两级进行，故称之为空气分级燃烧技术。采用此方法进行低氮燃烧，运行费用低，为确保锅炉安全运行，分级深度不够，所以，效果较差，不能达到排放要求。同时，须将第一级和第二级空气分配比例调节得当，否则会造成煤粉燃烧不尽、结渣等问题，且会腐蚀锅炉壁。3.3燃料分级燃烧技术将80%的煤粉通入。＞1的主燃烧区燃烧（称为一级燃烧），先产生大量的NOx，再将20%的煤粉通入。＜1主燃烧区上方喷口内燃烧（称为二级燃烧），产生一个还原环境，主燃烧区产生的NOx在还原环境中被还原为N2,并抑制NOx的产生，最后在二级燃烧的上方通入所需的空气，使煤粉燃尽。采用此方法进行低氮燃烧，与空气分级燃烧技术有相同的问题，并面临更严峻的问题，如何把握各级燃尽率至关重要。经多年的实际运用表明，无论空气分级燃烧技术还是燃料分级燃烧技术在实际的临炉应用中效果均不佳，要么脱硝效果较好但碳的燃尽率低，要么保证了碳的燃尽度但脱硝效果不好。现许多电厂实际已放弃该类技术的应用。4.富氧低氮燃烧技术介绍4.1富氧低氮燃烧技术的提出传统低氮燃烧技术从理论上可以做到降低氮氧化物的排放，但是，第一，必须对风和燃料的调控适当，对于体积庞大、风量/煤量难于控制的锅炉来说，很难达到传统低氮燃烧技术调控的标准，碳的燃尽率与降低氮氧化物的排放很难兼顾；第二，技术使用环境时刻在变化，如煤质波动、工况波动，很难满足传统低氮燃烧技术的要求；第三，由于电力行业的特殊性，要想实施对锅炉时时调控时是很难做到的。为了解决氮氧化物低排放的问题，结合传统低氮燃烧技术及富氧微油燃烧原理，在安全、易于操作，确保碳燃尽率的前提下，研究发明了富氧低氮燃烧技术。富氧低氮燃烧技术以富氧微油点火稳燃技术为基础，有机地结合了空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术的特点，同时视为更深度的空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术及火焰内还原技术的结合。对锅炉内部结构基本不做改动，仅对锅炉现有燃烧器进行过富氧微油点火稳燃系统的改造，那么这套系统作为点火燃烧器的同时也作为低氮燃烧器。4.2富氧低氮燃烧技术的机理低氮燃烧时，一次风粉由一次风喷口进入富氧专用燃烧器，通过富氧专用燃烧器，分级点燃富氧专用燃烧器中的一次风煤粉。在富氧专用燃烧器点火时加入了少量的燃油和氧气，确保了一次风煤粉在富氧专用燃烧器的高着火率（＞95%），并且由于燃烧器内浓淡分离的作用，使煤粉的燃烧到达了深度的燃料分级燃烧（浓淡比=8:2）。进入富氧专用燃烧器的一次风煤粉（浓度在0.2~0.6），在脱离燃烧器喷口时，处于提前着火状态，一次风煤粉在燃烧器分级燃烧过程中，耗掉一次风中的氧气，处于一个深度缺氧还原环境中，煤粉处于深度不完全燃烧的状态，产生大量CO。从而，既严重抑制了氮氧化物的产生又使产生的氮氧化物被大量还原。燃烧不完全的煤粉进入炉内主燃区、还原区，与空气余量系数a<1的二次风提供的氧气继续进行不完全燃烧，使该区域继续处于还原环境中，从而进一步抑制和还原氮氧化物的产生。燃烧不完全的煤粉进入炉膛燃尽区，与送风口提供的燃尽风进行充分燃烧，保证煤粉的燃尽度。富氧低氮燃烧术在于以极少的燃油和纯氧，使一次风煤粉在富氧专用燃烧器内受高温热解，提前着火燃烧，煤粉在一次风严重缺氧状态着火后进入炉膛（即大量CO强还原剂进入炉膛），到达深度空气分级燃烧；同时，煤粉在富氧专用燃烧器实现浓淡分离，达到深度燃料分级燃烧。进入炉膛后，低空气余量系数的主燃区、还原区及高空气余量的燃尽区在炉膛中的全方位布置，从而在炉膛中又形成新的燃料分级和空气分级低氮燃烧。在以上双抑制和还原过程中，既保证了煤粉的高燃尽率，又大幅度抑制和还原燃烧中产生的氮氧化物。在以上燃烧中提供了极少量的氧气，降低煤粉着火温度，提高煤粉着火率，强化还原环境，增加CO的产生量，提高煤粉的燃尽率，以“低氮燃烧的手段，达成烟气脱硝的效果”，实现最经济的降排NOx的目的。富氧NOx燃烧机理如下：由于采用富氧低氮燃烧方式,使燃料中包含含氮原子团(HCN、NH3.CN)的挥发分快速析出，迅速着火。由于在燃烧器内一次风只提供15%~35%的氧量,因此在燃烧器内燃烧属于深度的缺氧燃烧，此时燃料氮生成的NOx被迅速还原，即富氧点火是深度火焰内还原。以高效管道浓缩器实现中心浓，四周淡的方式运行，这意味着富氧低氮燃烧属于深度空气分级和深度浓淡燃烧，燃烧器喷出是大量的还原剂，炉内反应如下:富氧低氮燃烧降低NOx原理如下：—挥发份NOx（主燃区）」焦炭NOx（全炉膛）抑制NOx生成一」热力型（全炉膛温度场）一再燃还原已生成的NOx——」还原燃烧4.3富氧低氮燃烧技术的优势⑴以极少的燃油和纯氧，使一次风煤粉在富氧燃烧器内着火燃烧，从一次风煤粉喷口燃烧进入锅炉，使煤粉在一次风严重缺氧状态中燃烧进入炉膛，产生大量CO强还原剂，到达深度空气分级燃烧。⑵同时，煤粉在富氧燃烧器内实现浓淡分离，达到深度燃料分级燃烧。⑶结合了燃料分级和空气分级的特点，避免燃烧不尽的缺点。⑷在分级燃烧中提供了一定量的氧气，以煤代油，进一步降低油耗，降低煤粉着火温度，提高煤粉着火率，强化还原环境，增加CO的产生量，提高煤粉的燃尽率，达到最经济的降排NOx的目的。⑸富氧低氮燃烧技术不受煤质波动的影响，适用煤种广泛，可适用于烟煤、贫煤、无烟煤等。⑹富氧低氮燃烧装置安全、稳定，操纵简单易行，维护方便。4.4富氧低氮燃烧技术系统组成4.4.1富氧低氮燃烧系统系统由供氧装置、复合型富氧微油枪、高能点火装置、推进器、燃油装置、压缩空气装置、高压风装置、燃烧器装置等组成，其中燃油装置、压缩空气装置及高压风装置是利用燃煤锅炉的主管路接出的分支管路。4.4.2送粉系统系统直接利用燃煤锅炉的送粉装置，由锅炉一次风管、磨煤机等组成，不需对锅炉送粉装置作任何改动，但在锅炉冷态启动时，需保证富氧微油点火调试节油系统所对应的送粉装置运行,确保有煤粉进入富氧燃烧器。4.4.3控制保护系统该系统应用于富氧微油点火稳燃的过程控制与运行参数的采集监测，实现对炉膛和相关设备的保护与连锁，确保机组与项目装置的安全运行。4.4.4辅助系统系统主要由图像火检装置和燃烧器壁温监测装置组成。5.富氧低氮燃烧技术关键点5.1富氧低氮燃烧项目技术关键点⑴“一个确保、两个可能、三个保证”“一个确保”：在进行富氧低氮燃烧器燃烧时，应确保从每个富氧低氮燃烧器内喷出的煤粉着火燃烧，这样煤粉在主燃区才能持续燃烧。研究表明，在富氧低氮燃烧器运用富氧燃烧技术使煤粉持续着火。其配比的能量源为：单个富氧低氮燃烧器，耗油为：3~5kg/h；耗氧为10~15m3/h.即配比上述能量，就能确保锅炉正常工作状态从每个富氧低氮燃烧器内喷出的煤粉着火燃烧。“两个可能”：在进行富氧低氮燃烧燃烧时，第一、应尽可能使煤粉主燃区的空气余量系数降低与原锅炉一致(a<1即可)，以达到操作简单、可控，以期产生更多的CO。第二、应尽可能使煤粉燃尽区的尺度加大，在燃尽风中氧含量的作用下，在增加了煤粉燃尽的时间的同时，提高碳的燃烧速度和燃尽率。“三个保证”：在进行富氧低氮燃烧时，第一、应保证炉膛内总空气余量系数不变，即炉膛内整个风量不变，只是更换了另一种供应方式：将大部分二次风集中在锅炉上方燃尽风喷口供应；第二、应保证炉膛内总煤量不变，即不影响锅炉负荷。第三、应保证炉膛总燃尽度不变，即煤粉在炉膛内燃烧时间不变。锅炉结焦问题的处理由于炉膛的还原状态，使煤粉中的灰分的熔点降低，极易粘附在炉膛炉墙上，形成结焦。在实施富氧低氮燃烧过程中，在锅炉主燃烧区域的每个富氧燃烧器喷口上配比贴壁风，从而，既有效地避免燃烧所产生的灰融物接触水冷壁，又使水冷壁附近处于富氧状态，从而根本上解决了锅炉结焦问题，如下图:5.2富氧低氮燃烧项目设备装置关键点5.2.1复合型富氧微油枪(专利号201220060873.8>201220060928.5)（1）复合型富氧微油枪综合采用三类雾化方式 机械压力雾化、碰撞雾化和高温气化，使燃油达到最佳的雾化效果，进而使雾化燃油与纯氧高强度充分燃烧，产生高温火焰。（2） 油氧从复合型富氧微油枪喷出，使燃油与氧气充分混合燃烧，有效地防止了油枪脱火；并控制油火焰，确保燃烧器不被烧损。（3） 充分利用富氧特性（大幅度降低燃油着火温度、大大加快燃油反应速度、大大提高燃油燃烧温度），确保燃油燃烬，因此，锅炉点火初期，各类环保装置均可正常运行。（4） 复合型富氧微油枪在每次使用完毕后，自动启动油管、氧管吹扫进行冷却和清洁：保证油嘴、氧气喷口不堵塞、不结焦、能及时投入使用，确保投氧、投油反应时间。5.2.2供氧装置（专利号201220060949.7）（1） 供氧装置通过特有的自增压气化器超低温电磁阀开关控制，自动保证液氧储罐内压力恒定，液氧流量均匀、快速。（2） 氧站控制由排液管线上特有的超低温电磁阀开关控制和氧气主管线上的压力传感器构成对氧量的闭环控制，从而满足锅炉点火稳燃时对氧气“瞬时”大流量和氧气流量、流速、压力长期稳定的要求，同时又能及时关闭供氧系统，保证系统的安全可控，以及锅炉点火稳燃中对氧量的不同需求。（3） 液氧汽化器为空浴式强化汽化器，采用了特有的内肋管技术，在确保安全的前提下，强化了气化效果，避免了蒸汽式汽化器、水浴式汽化器换热管内外温差大所造成的材料疲劳，焊道拉裂，导致液氧进入汽化器封闭空间等严重安全问题。5.2.3燃油预处理装置（专利号201320429027.3）（1） 油系统中，油嘴的堵塞是一个很关键的问题，严重的影响油枪功能的发挥。为确保复合型富氧微油枪及时响应、稳定工作，我公司研发的燃油预处理装置，彻底解决了油嘴堵塞问题，确保了锅炉点火使用中燃油能足量、稳定供给锅炉点火、稳燃。（2） 燃油预处理装置出力可调范围大，且采用多级过滤方式，可为复合型富氧微油枪提供清洁的燃油。燃油预处理装置采用自清洁方式，对过滤柴油的过滤器进行自清洁，将过滤器中的燃油粘性不容物质排出，以实现过滤器的自清洁保护，保持过滤网通透、清洁，从而，保障复合型富氧微油枪及时响应、稳定工作。6技术预期效益6.1#锅炉预期减排NOx效果根据富氧低氮燃烧原理及实际检测结果表明，若按以上方案实施改造，可使锅炉从目前NOx排放浓度降低80%左右，达到SCR烟气脱硝的效果。6.2富氧低氮燃烧技术经济分析6.2.1一台300MW锅炉投资及运行费用富氧低氮燃烧技术其基建投资大约：800~1000万/套；锅炉富氧低氮燃烧技术每小时运行费用为：350元/h；全年7000小时锅炉工作时间，其低氮减排运行费用总计：245万元。SCR烟气脱硝技术其基建投资大约：4500〜6000万/套；锅炉SCR烟气脱硝技术每小时运行费用为：3000元/h；全年7000小时锅炉工作时间，其低氮减排