降低電站鍋爐NOX排放的燃燒技術分析

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tags: 技術分析    時間:2014-03-11 13:32:37
降低電站鍋爐NOX排放的燃燒技術分析簡介
    降低電站鍋爐NOX排放的燃燒技術分析 高小濤江蘇省電力試驗研究所 南京 210029     隨著我國經濟的……
降低電站鍋爐NOX排放的燃燒技術分析正文
    降低電站鍋爐NOX排放的燃燒技術分析 高小濤
江蘇省電力試驗研究所 南京 210029     隨著我國經濟的增長和電力工業的快速發展,燃煤產生的NOX污染物與日劇增。1985年在中國各主要城市中測定的大氣污染物,燒煤產生的NOX佔65%,而發電廠燃煤又占較大的比例,因此降低發電廠排煙中NO?X是減輕大氣污染的重要任務。1985年中國發電及供熱煤耗約2.7億t,推算排入大氣的NO?X可達150萬t;1993年煤耗量已達4億t,NOX排放量已超過200萬t。

    由於NOX在煤的燃燒產物中生成複雜,且其對人類乃至整個生態系統的危害大,對其排放量的控制已引起全球範圍內的普遍重視,絕大多數國家和地區都制定了較嚴格的限制NOX排放的法規和標準,中國也於1996年8月開始實施650 mg/Nm的排放指標規定。近二、三十年來,歐美日等發達國家一直在致力於研究降低NOX的燃煤技術。如前蘇聯的高濃度給粉技術、日本三菱重工的PM型燃燒器、美國B&W公司的PAX燃燒器和DRB-XCL雙調風旋流燃燒器及德國SM公司SM型旋流燃燒器等都處於世界領先地位。這些技術措施和硬體設備有一個共同特點,改變燃燒器結構和配風,組織濃淡燃燒和分級燃燒。中國近十幾年也開始注重研究適合國情的低NOX控制技術,各科研院所及高校在借鑒國外先進技術經驗時,經過大量基礎性試驗研究,形成了自己的技術特色。

    近幾年,江蘇省部分電廠進行了鍋爐燃燒器改造,以提高低負荷穩燃能力,但改造后出現了燃燒器易燒損、鍋爐水冷壁高溫腐蝕、爐渣可燃物含量偏高等問題。在結合解決鍋爐存在的問題時,考慮採用低NOX燃燒技術,既能降低鍋爐NOX的排放量,又能提高鍋爐運行的經濟性和安全性。

1  電站鍋爐NOX的成因

1  NOX的種類及生成

    煤燃燒過程中形成的NOX有燃料型NOX(fuel NOX)、熱力型NOX(Thermal NOX)和快速型NOX(Prompt NOX)3種,其中快速型NOX所佔比例很小,燃料型NOX約佔75%,熱力型NOX約佔25%。對於燃燒粉煤的鍋爐,NOX的排放主要取決於燃料型NOX的生成量,原因主要有以下兩點:

    (1) 大多數煤粉火焰溫度不太高,尤其是固態排渣鍋爐,受排渣溫度的限制,爐膛溫度不可能太高,而熱力型NOX的生成主要取決於火焰溫度和風煤比。熱力型NO?X只在燃料富氧燃燒時生成,而且溫度超過1 800 K時才能大量地生成。當α<0.95和T<1 800 K時熱力型NOX可以忽略不計。因此,在煤粉鍋爐中熱力型NOX在總NOX排放量中所佔的比例較小;

    (2) 快速型NOX只在富燃料的烴類火焰中有較大量的生成,但據估算,如果煤中含有1%的燃料氮,且其50%轉為NOX,快速型NOX的生成量仍將小於總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

    煤粉燃燒過程中燃料型NOX包括由揮發份中均相生成的NOX和由殘炭中異相生成的NOX兩部分。揮發份的析出包括兩個階段:第一階段發生在較低的溫度條件下,此時分子量較低的揮發份從煤顆粒中釋出;第二階段發生在較高的溫度條件下,此時放出分子量較大的烴類和芳香族化合物。煤中的母氮大部分在揮發份析出階段以HCN和NH3的形式從顆粒中釋放出來,隨後氧化生成NOX。揮發份析出后剩下的煤焦主要由碳和礦物質(灰)組成,還有少量的氧、氫、硫和氮。留在煤焦中剩餘的母氮可以通過異相反應氧化生成NOX。熱力型NOX主要與煙氣溫度和風煤比有關係,化學當量比對它影響很小。燃料型NOX主要與氧濃度(化學當量比)有關,在很大的範圍內幾乎與溫度無關。由揮發份燃料氮轉化而成的燃料型NOX(簡稱揮發份燃料型NOX)約佔60%~80%,由焦炭燃料氮轉化而成的NOX(簡稱焦炭燃料型NOX)約佔20%~40%。因而,減少氮氧化物排放的主要措施是降低燃料型NOX的形成,即降低氧濃度,使燃料氮的相對濃度提高,增強還原性氣氛,延長燃料氮在還原性氣氛中的停留時間,從而降低燃料氮向燃料型NOX的轉變率。

2  降低NOX排放的燃燒技術

2.1  採用分級燃燒

    燃料分級燃燒是降低NOX排放的有效方法之一。它的優點在於既可降低火焰最高溫度,減小熱力型NOX的形成,也可減小局部氧氣濃度,抑制燃料型NOX的形成。因此分級燃燒被廣泛地應用於鍋爐的設計中。但是研究表明,在許多情況下分級燃燒會導致快速型NOX的明顯增大。如果不對分級燃燒進行優化,很難使鍋爐的NOX排放總量達到最小。以便使沿爐內火焰行程快速型、燃料型和熱力型NOX的形成量達到最小。

    空氣分級燃燒是把燃料完全燃燒所需要的空氣沿火焰長度分段送入,使燃燒過程分成空氣過剩係數明顯不同的幾個階段。目前2級和3級燃燒方式用較多。分級燃燒既可以在單一燃燒器上實現,也可以在多排布置燃燒器的爐膛內整體實現。前者通過分級配風燃燒器的結構,後者通過組織氧氣濃度和溫度不同的燃燒區來達到目的。兩種實現分級燃燒方法的系統是有區別的。沿爐膛垂直方向分級燃燒的實現是關閉上層燃燒器的燃料,或在主燃燒器的上方布置專門的空氣噴嘴;在水平方向分級燃燒的實現是在對沖布置的燃燒器中,使一面牆的燃燒器具有富燃料,另一面牆的燃燒器具有富氧。但是,無論是那一種方法實現的分級燃燒,其實質都是使第一燃燒區的空氣過剩係數α小於1.0(2級燃燒的第一級空氣過剩係數通常選α=0.85~0.95),結果降低了火焰的最高溫度以及火焰核心區氧氣的濃度,從而降低了NO?X的形成;而在第二區,由於燃燒產物和過量空氣的稀釋,實際上NOX不再形成。日本三菱重工研製和應用出兩級和三級燃料燃燒系統。其主要的技術是在主燃燒器的上方布置有輔助燃燒器,以採用不同細度的煤粉,採用這種燃燒方式,可使NO?X排放量降低到328~600 mg/Nm3

    某電廠鍋爐採用分級燃燒技術,對均等配風的煙煤型直流燃燒器進行改造,在上部增開燃盡風噴口,為防止主燃燒器區缺氧而可能出現的結渣和腐蝕,使用了水平偏轉二次風,藉以增加水冷壁附近的氧濃度。改造后實測數據表明:NOX排放量明顯降低,由改造前的744 mg/Nm3降至556 m*g/Nm3

2.2  採用濃淡燃燒

    濃淡燃燒可降低NOX的排放。濃淡燃燒就是把煤粉分成濃淡兩股送入爐膛。濃側煤粉由於煤粉濃縮,著火溫度下降,穩燃性提高,淡側煤粉利用濃側煤粉火焰引燃和助燃。濃側煤粉濃度高,氧濃度低,由於著火性能好,局部溫度水平較高,熱力型NOX的排放量稍有增加,而燃料型NOX卻大為減少;淡側過量空氣係數大,溫度水平較低,熱力型NOX的排放量是降低的,燃料型NOX略有增加,總NOX的排放量是降低的。華能石洞口二廠600 MW機組鍋爐採用了ABB-CE公司開發的WR型濃淡燃燒器,在滿負荷下,NO?X的排放量為630 mg/Nm3

2.3  採用煙氣再循環

    在主燃燒器的上方加裝煙氣噴口,抽取低溫煙氣送入燃燒區,可在非常短的時間裡,促使各反應物橫向混合,使最初生成的NOX迅速地混入其它在主燃燒器區現成的能夠使NOX還原的各組分之中,NOX還原成N2,降低最後NOX的生成量。日本三菱公司的PM燃燒器就採用了這種技術。

2.4  鍋爐燃燒優化

    鍋爐燃燒優化通常是降低NOX排放的首選方法。燃燒優化是通過鍋爐燃燒器運行參數的調整實現的,採取控制過剩空氣量、燃燒器一、二次風量配比的調整、平衡送入每隻燃燒器的風粉量等方法,從而在燃燒過程中把NOX的生成量降到最低。從對某廠SG406型400 t/h鍋爐進行的燃燒調整試驗結果看出:在機組負荷為125 MW下,燃燒調整試驗前,在空預器出口測得NOX含量為1 029 mg/Nm3,而鍋爐燃燒優化工況下測得NOX含量為725 mg/Nm3。 對於已經採用低NOX 燃燒技術的電站鍋爐,燃燒優化仍然是降低NO?X排放的重要前提。

 2.5  選擇合適的低NOX燃燒技術

    對於鍋爐NOX排放水平較高的一些電廠,應結合電廠鍋爐的具體特點,選擇合適的低NOX燃燒技術,著手對鍋爐燃燒系統進行重新設計計算。在解決電廠存在的鍋爐燃燒效率低、燃燒器易燒損或水冷壁高溫腐蝕等問題的同時,採用低NOX燃燒技術。可以在原有的濃淡燃燒技術的基礎上,繼續優化設計新型的濃淡燃燒器。

3  結論

3.1  採用低NOX燃燒技術,降低電站鍋爐NOX的排放,對於保護環境具有重大意義,社會效益顯著。

3.2  在解決電站鍋爐出現的如燃燒器易燒損、鍋爐水冷壁高溫腐蝕、爐渣可燃物含量偏高等問題的同時,考慮採用低NOX燃燒技術,既能達到降低NOX排放目的,又提高鍋爐運行的經濟性和安全性。

 

參考文獻

1  聶明局等.大型貧煤和煙煤鍋爐NO?X排放特性的研究.湖北電力.1998.4

2        許傳凱.大型電站鍋爐用煤及燃燒技術.中國電力.1996.12

3  張成恩.分級燃燒技術的應用.鍋爐技術.1998.6

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