电站锅炉低氮燃烧技术与原理概述

发布时间：2024-03-05 09:06:11| 来源：乐鱼平台登录

  电站锅炉低氮燃烧技术与原理概述电站锅炉低氮燃烧技术与原理概述 火电厂烟气脱硫技术及管理工作研讨会论文集 电站锅炉低氮燃烧技术与原理概述 吴碧君,肖 萍 ,国电环境保护研究所～江苏 南京 210031, 摘 要:简述了燃烧过程中NO的生成途径与NO生成与排放值的影响因素和锅炉低氮燃烧技术的发展，介绍了电站锅炉xx 常用的空气分级燃烧、燃料分级燃烧及烟气再循环3种主要的低氮燃烧技术原理，分析了提高NO控制效果的重要的因素，x讨论了NO降低率的技术参数的最佳范围。 x 关键词:低氮燃烧锅炉,低氮燃烧技术,空气分级燃烧,燃料分级燃烧,烟气再循环...

  集 电站锅炉低氮燃烧技术与原理概述 吴碧君,肖 萍 ,国电环境保护研究所～江苏 南京 210031, 摘 要:简述了燃烧过程中NO的生成途径与NO生成与排放值的影响因素和锅炉低氮燃烧技术的发展，介绍了电站锅炉xx 常用的空气分级燃烧、燃料分级燃烧及烟气再循环3种主要的低氮燃烧技术原理，分析了提高NO控制效果的重要的因素，x讨论了NO降低率的技术参数的最佳范围。 x 关键词:低氮燃烧锅炉,低氮燃烧技术,空气分级燃烧,燃料分级燃烧,烟气再循环 可占到炉内NO总量的高到1600?时，热力型NOxx1 燃烧过程NO的主要生成途径 x25%:30%。这就是液态排渣炉的NO较固态排渣炉x 要高的原因。对固态排渣炉尽可能地减少烟气在高温 燃烧过程NO的生成途径有热力型、燃料型及x区的停留时间，可有效抑制热力型NO的生成。 x快速型3种主要途径，其中燃料型NO约占总生成x 量的60%:80%，最高可达90%，热力型NO在2 影响燃烧过程NO生成与排放的因素 x 度足够高时可达20%，快速型NO占的比例最小。x 各种途径NO的形成条件、生成机理及化学反应方燃烧过程中氮氧化物的生成量和排放量与燃x 程式在文献,1,中已有详细的介绍。 烧方式与燃烧条件紧密关联，主要影响因素有:,1, 燃料型NO,Fuel NOx,是由燃料中的含氮化煤种的特性，如煤的含氮量、挥发分含量以及固定x 合物在燃烧过程中热分解以后再氧化而成的。由于碳与挥发分的比例。,2,燃烧温度。,3,过剩空气煤中含氮有机物的C-N较空气中的N?N 键系数。,4,炉膛内反应区中烟气的组成，即烟气中的键能小得多，更容易被氧所破坏生成NO。燃料O、N、NH、CH及CO与C的含量。,5,燃料22ii 中的有机氮首先被热分解成氰,HCN,、氨,NH,与燃烧产物在火焰高温区的停留时间。其中燃烧温3 及CN等中间产物随挥发分一起从燃料中析出，即度和过剩空气系数是2个最主要的燃烧条件。 所谓挥发分N，然后再分别被氧化成NO。残留在 3 低氮燃烧技术及原理分析 焦炭中的氮化合物称之为焦炭N。在通常的燃烧温 度1200:1350?，燃料中的氮70%:90%都是通过 3.1 空气分级燃烧 挥发分N氧化而成的，由此形成的NOx约占燃料 空气分级燃烧是20世纪50年代在美国首先发[2]型NOx的60%:80%。 展起来的，后来德国和日本作了改进并有了较快的热力型NO,Thermal NO,，是空气中的氮气在xx发展。这是目前国内外应用最广、技术最成熟的低高温下氧化而成的，NO的生成与氧原子的存在成正xNO燃烧技术。国内现有的电站锅炉几乎都是采用x比, 反应速度随温度的升高而加速，温度对热力型 这种原理与技术来控制NO的产生。虽然各锅炉制xNO的生成具有决定性的影响，当煤粉炉中的温度升x 收稿日期:2004-03-02;修回日期:2004-05-20 作者简介:吴碧君,1963-,，女，江苏东台人，高级工程师，从事火电厂环境污染治理与电力建设项目环境影响

  工作。 E-mail: 67 吴碧君等:电站锅炉低氮燃烧技术与原理概述 造厂家采用的空气分级燃烧锅炉结构及形式有多种多,FC/V,为1.78的烟煤时，一级燃烧区不同的燃 [48]:，但其中的控制基本原理大致相同，无论是的浓度随α变化。图1曲线表明，样烧温度条件下NOx1前后墙布臵还是切向燃烧锅炉，在进行了空气分级在α,1时温度越高，对NO的降低幅度越高，但1x燃烧之后都可使NO的排放浓度降低30%左右。 在α,1的氧化性条件下，NO的排放浓度随温度x1x 的升高而增加。在燃烧褐煤时也得出同样结论。 3.1.1 影响因素及控制范围 故在组织空气分级燃烧时，应该要依据煤种特 空气分级燃烧是将燃烧过程分阶段完成，故也性，将一级燃烧区的温度控制在最有利于降低NOx 称之为分段燃烧。第一阶段，将从主燃烧器供入炉排放浓度的范围内。 膛的空气减少到总燃烧空气量的70%:75%，相当 于理论空气量的80%，此时的α,1，使燃料先在缺 氧条件下燃烧，在还原性气氛中降低的NO的反应x 速率，抑制了在这一燃烧区中的生成量，完全燃烧 所需要的其余空气则通过布臵在主燃烧器上方专 门的空气喷口,over fire air称为“火上风”,送入 炉膛，与第一级燃烧区所产生的烟气混合，最终在 α,1的条件下完成全部燃烧过程。 空气分级燃烧弥补了由早期简单的低过量空 气燃烧所导致的未完全燃烧损失与飞灰含碳量增 加的缺点，但有必要注意一下的是若第一级与第二级的空图1 NO的排放浓度与一级燃烧区内温度和过剩空气 x气比例分配不合理，或炉内混合条件不好，也会增系数的关系 加不完全燃烧损失。同时，在煤粉炉第一级燃烧区 ,3,停滞时间的影响:图2是烟煤在1 300 ?内的还原性气氛也存在着使灰溶点降低而引起的 下不同的一级反应区停滞时间的NO排放浓度。当x结渣与受热面腐蚀的问题。因此，在采用空气分级 停滞时间从1 s增加到4 s，NO浓度明显减少，降x燃烧原理设计锅炉低NO燃烧器和锅炉的日常运x 低幅度最大可达60%,α=0.85时,，但在4 s以后1行中，有一些技术参数需格外的注意，如果选取不恰 继续延长停滞时间继续降低的作用不明显。 当，不但得不到理想的NO控制效果，同样会影响x 锅炉燃烧效率。 ,1,一级燃烧区内的过剩空气系数:为有效控 制NO的生成量，需要正确地选择一级燃烧区内的x 过剩空气系数,α,，当α为0.8时，NO的生成量11x 较1.2 左右时降低50%，而且此时的燃烧工况也稳 定。如继续下降，虽然可进一步减少NO的生成，x 但烟气中HCN、NH和煤中的焦炭N的含量也会3 随之增加，继而在第二级燃烧区,燃尽区,氧化成 NO，使总的NO排放量增加。因此一级燃烧区内x 的过剩空气系数一般不低于0.7。对于具体的燃烧 设备和煤种应通过试验确定。 温度:1 300 ?，煤种:烟煤 ,2,燃烧温度的影响:图1是燃烧挥发酚,挥发酚23.8%、氮含量1.8%、FC/V为2.57, 32.4%、氮含量1.4%、固定碳与挥发酚的比例 68 火电厂烟气脱硫技术及管理工作研讨会论文集 图2 一级燃烧区内停滞时间与NO的排放浓度及 x和氧浓度的降低，使火焰温度降低，抑制燃烧速度， 过剩空气系数的关系 。抽取的烟气可直接送入炉内，也减少热力型NOx 可以和一次风或二次风混合后送入炉内。图3为锅烟气在一级燃烧区的停留时间取决于“火上 炉烟气再循环系统示意，从空气预热器前抽取温度风”喷口的位臵，即“火上风” 喷口距主燃烧器 较低的烟气，通过再循环风机送入混合器中与空气的距离。如果在一级燃烧区的停留时间足够长，则 混合，然后再一起送入炉内，当烟气再循环率为可使一级燃烧区出口处烟气中的燃料N基本反应 15%:20%时，煤粉炉的NO排放浓度可降低25%x完全，不会带到燃尽区，否则在燃尽区还会生成一 左右。 定量的NO。因此“火上风”喷口的位臵和过剩空x 气系数一起，共同决定了一级燃烧区内NO能够降x 低的程度。“火上风”喷口的位臵不仅与NO的排x 放值有关，还必然的联系到在第二级燃烧区,燃尽区, 内燃料的完全燃烧与炉膛出口烟气温度。 ,4,煤种和煤粉细度的影响:空气分级燃烧降 低NO的原理是最好能够降低煤中的挥发酚N向NOxx 的转化，因此煤种的挥发分含量越高，对NO的降x 低效果就越明显，对减少高挥发分煤种的NO排放x 效果尤为显著。 图3 锅炉烟气循环系统示意 在未采取分级燃烧时，细煤粉的NO排放浓x 度高于粗煤粉，在采用空气分级燃烧技术后，当3.2.2 烟气再循环率 α,1时，细煤粉NO的排放值明显低于粗煤粉，1x 再循环烟气量与未循环时锅炉烟气量的比称并且烟煤粒度的降低对抑制NO的生成效果优于x [9]为烟气再循环率。在采用烟气再循环法时，由于烟贫煤。 气量增加，将引起燃烧状态不稳定，从而增加未完3.1.2 结渣与腐蚀的防止 全燃烧热损失。故烟气再循环率的增加幅度是有限 随着氧浓度的降低，第一级燃烧区内出现了还度的，电站锅炉的再循环率一般不超过20%。 原性气氛，致使灰熔点下降，易引起炉膛受热面结3.2.3 适应范围与条件 渣与腐蚀，故应采取一定的措施防止高温下还原性烟气与 这一技术既可在一台锅炉上单独使用，也可和炉壁的接触。“边界风”系统则是一个有效的解决 其它低氮燃烧技术配合使用。可用来降低主燃烧器办法，具体措施是在炉底冷灰斗和侧墙上布臵空气 空气的浓度，在与燃料分级技术联合使用时还可用槽口，以很低的流速向炉内送入一层称为“边界风” 来输送二次燃料。 的空气流，总流量约占总空气量的5%，这些边界 采用烟气再循环技术要安设再循环风机、循风进入锅炉后沿炉壁上升，使水冷壁表面保持氧化 环烟道，这些都需要场地，从而在现有电站进行改性气氛，可有很大效果预防炉膛水冷壁腐蚀或结渣。 3.2 烟气再循环 造时对锅炉附近的场地条件有一定的要求。 3.3 燃料分级燃烧 3.2.1 技术简述 3.3.1 基础原理与技术概述 除了空气分级燃烧以外，烟气再循环是目前使 由NO的还原机理可知，已生成的NO在遇到x用较多的低氮燃烧技术。它是在锅炉的空气预热器 烃根CH和未完全燃烧产物CO、H、C及CH时，i2nm前抽取一部分烟气返回炉内，利用惰性气体的吸热 69 吴碧君等:电站锅炉低氮燃烧技术与原理概述 还原的成分是烃,CH,。根据这一原会发生NO的还原反应，从而将已生成的NO还原最有利于NOxi 。 理，选择二次燃料时应采用能在燃烧时产生大量烃成N2 利用这一原理，将80%:85%的燃料送入第一根而又不含氮的燃料，如丙烷,CH,在再燃区内38级燃烧区，在α,1的条件下燃烧并生成NO，送入能有效地降低NO的浓度。图5为各种不同燃料的xx 一级区的燃料称为一次燃料。其余15%:20%的燃各再燃区过剩空气系数,α,条件下产生的NO的2x料则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区，在α,1浓度。 的条件下形成很强的还原性气氛，使得在一级燃烧各种煤种产生CH的情况及含氮量的不同，其i 区中生成的NO在二级燃烧区内被还原成氮气分降低NO的效果也不同。而氢气,H,由于本身不xx2 能产生烃根，故效果最差。有研究表明，与煤和油子,N,。二级燃烧区称为再燃区，送入二次燃烧2 区的燃料称为二次燃料。在再燃区中不仅使得已生相比，天然气是最有效的二次燃料，并且其中碳原成的NO得到还原，而且还抑制了新的NO的生子数目较多的烃的含量越多，其降低NO的效果越xxx成，可使NO的排放浓度逐步降低。正常的情况下，明显。 x 采用燃料分级的方法均可使NO的排放浓度降低x 50%左右。在再燃区的上部还需布臵“火上风”喷 口，形成第三级燃烧区即燃尽区，以保证在再燃区 中生成的未完全燃烧产物的燃尽。图4为燃料分级 低氮燃烧原理的示意。 图5 不同的二次燃料时α对NO产生量的影响 2x 当以甲烷作二次燃料时，尽管不同的煤种在过 剩空气系数α,1的一级燃烧区内所生成的NO各1x图4 燃料分级燃烧原理示意 不相同，但当再燃区的温度达1300?、停滞时间达 1s时，最终的NO浓度值非常接近,见图6,。这x3.3.2 二次燃料的选择 说明采用了合适的二次燃料、特别是烃类气体燃 与空气分级燃烧相比，燃料分级燃烧在炉膛内料，只要再燃区内有足够高的温度和停留时间，就需要有三级燃烧区，使燃料和烟气在再燃区内的停可在再燃区内基本完成了NO的还原，而一次燃烧x留时间相对较短，所以二次燃料宜选用容易着火和区内的NO初始值无关。 x燃烧的气体或液体燃料，如天然气，如仍采用煤粉 也要选择高挥发酚的易燃煤种，并且要磨得更细。 从燃料分级原理可知，再燃区的还原性气氛中 70 火电厂烟气脱硫技术及管理工作研讨会论文集 在一定的燃烧温度与停留时间条件下，存在一个最 ，此时的NO浓度最低。一般佳的过剩空气系数α2x 对于不同燃烧设备，再燃区的过剩空气系数定在 0.7:1.0之间，其最佳值也需由试验确定。 由图8还可看出，温度越高，一级燃烧区中 产生的NO浓度也越高，但随着再燃区中α的降x2 低，NO的浓度也会降低。当温度1 400?、α为x2 30.8时，NO的浓度从一级区出口的1 700 mg/mx 3,α=1.5,降低到约100 mg/m,α=0.8,，再燃区12 中NO的降低率高达94%。而当温度为1000?时，x图6 甲烷作二次燃料时不同煤种再燃区中NO的浓度 x 降低率为70%左右。可见，再燃区内的温度上升，3.3.3 二次燃料的比例 可提高对NO的降低率。 x 为保证再燃区NO的还原效果，需要送入足x 够的二次燃料，以提供还原NO所需的烃根。图x 7 为以煤和天然气作为二次燃料时，二次燃料的 比例对NO的浓度以及烟气CO与飞灰含碳量的x 影响。 由图7可见在相同的二次燃料比例下，天然气 可达到更好的NO的降低效果，但在其比例达20%x 以上时，继续增加二次燃料的比例降低NO的效x 果增加不再明显。所以一般二次燃料的比例在 10%:20%。当以煤作二次燃料时，烟气中的CO图8 不一样的温度下再燃区过剩空气系数与NOx浓度的关系 浓度和飞灰含碳量将随比例的增加明显地增加，故对 具体的某一个二次燃料，其比例需要由试验确定。 3.3.5 再燃区内停滞时间的影响 再燃区内的停滞时间取决于锅炉再燃区的长 度，即二次燃料喷口距主燃烧器的距离。理论上再 燃区内的温度越高、停滞时间越长，还原反应则越 充分，NO的降低率就越高。但实际上烟气在再燃x 区内的停滞时间是由二次燃料入口和“火上风”喷 口的位臵所决定，而二次燃料喷口的位臵还影响一 级燃烧区的停留时间，如一味地延长再燃区的停留 时间而减少了一级燃烧区的停留时间，不仅会降低图7 二次燃料的比例对NO浓度、CO浓度及 x燃料的燃尽率，还会使过多的过量氧进入再燃区而飞灰含碳量的影响 减弱了还原气氛。故一般再燃区中的温度为1 200? 时，停留时间在0.7:1.5 s之间，有试验表明，当3.3.4 再燃区内过剩空气系数与温度的影响 再燃区的停留时间低于0.7 s时，NO的排放值会显x 图8 是以甲烷为二次燃料时，试验炉内再燃区著增加。而停留时间过长也不会逐步降低NOx中NO的浓度和过剩空气系数的影响。图8表明，x的浓度，此外过长的再燃区的停滞时间缩短了燃尽 71 吴碧君等:电站锅炉低氮燃烧技术与原理概述 护，2003, 19,4,:9-12. 区的停留时间还会导致燃烧效率降低，而燃尽区的 ,2, 毛健雄，毛健全，赵树民. 煤的清洁燃烧,M,. 北京:停留时间约在0.7:0.9 s为宜。 科学出版社，1998. 3.3.6 综合分析 ,3, 中国电力百科全书编辑委员会. 中国电力百科全书 ,火力发电卷,,M,.北京:中国电力出版社，2001. 综上所述，影响燃料分级燃烧NO的排放浓度x ,4, 李玉江，吴 涛. 德国燃烧电厂氮氧化控制技术,J,. 的因素有二次燃料的种类、过剩空气系数α、温度2环境科学研究,1993,4,:47-49. 和停留时间等，当采用烃类气体作二次燃料时则与 ,5, 吴生来，郝振亚. 德国低氮燃烧器,J,. 热力发电，一次燃料的种类无关。所有这些影响因素的最佳值 1997,5,:51-61. 都需由试验确定。 ,6, 芬兰富腾能源技术公司，芬兰富腾工程公司. 切向燃与空气分级燃烧相比，燃料分级燃烧的燃尽率煤锅炉新型低氮燃烧器的开发,J,. 电力环境保护，与降低NO的浓度的矛盾更突出，由于燃尽区的x2001，17,2,:49-54. 停留时间更短，更好的选择燃尽区的过剩空气系数,7, 曾德勇. 华能北京热电厂锅炉烟气中氮氧化物控制技α和利用“火上风”组织好燃尽区的燃烧过程，以3术,J,. 环境工程，2001，19,4,:40-42. 获得较高的燃尽率特别的重要。 ,8, 王万海. 分段燃烧、低氮燃烧器的研究,J,. 西北电 建，2001,2,:26-29. 4 结语 ,9, 唐志国，朱全利，唐必光, 等. 空气分级燃烧降低氮氧 化物排放的试验研究,J,. 电站系统工程，2003，19 在众多的低氮燃烧技术中，空气分级燃烧技术,3,:7-9. 最为成熟，在电站锅炉中应用也最为普遍，既可用,10, 李文蛟，李琳琅，邱建荣,等. 再燃与烟气循环技术协 的降解机理,J,.锅炉制造，2003,1,:同作用下NO于新建电厂，也可方便地用于老机组改造，其结构x 17-19. 型式也最多，且随着设备厂家有较大的差异，各大 ,11, 黄少鹗. 日本降低电厂氮氧化物排放技术,J,. 环境锅炉制造公司都有自主研制与开发的低氮燃烧器。 技术，1999,2,:33-38. 烟气再循环技术则更多地用来防止锅炉运行中 的结焦问题，对于燃烧无烟煤和煤质不太稳定的锅炉 ,责任编辑 孙家振, 则不易采用。有形容表明，将烟气再循环与燃料分级 燃烧技术联合，不但可以避免单纯采用烟气再循环技 术循环率太低，抑制NO效果不明显,太高又影响锅x 炉安全稳定运行的矛盾，还能产生协同作用。 燃料分级燃烧是迄今为止最有效的低氮燃烧 技术，对NO的降低率最高。该技术在我国还处于x 试验阶段。德国和日本研究较多，并开发了采用燃 料分级的低氮燃烧器，到目前为止虽还没有正真获得广 泛应用。但作者觉得，这一技术将是当今乃至今后 一段时间内最有开发前景的低氮燃烧技术。 参考文献: ,1, 吴碧君. 燃烧过程NO的生成机理,J,. 电力环境保 x 72 火电厂烟气脱硫技术及管理工作研讨会论文集 Low NO combustion technology and principle of burner in power plant x WU Bi-jun, XIAO Ping ,State Power Environmental Protection Research Institute, Nanjing 210031, China, Abstract: The routes of NO composing in combustion, the factors to NO producing and emission as well as the development of xx low- NO combustion technology are described. Three kinds of low-NO combustion technologies such as air-staged, fuel-staged xx combustion and flue gas recirculation are introduced in detail. The analysis on impact factors and options of their parameters are discussed. Key words: low- NO burner; low-NO combustion technology; air-staged combustion; fuel-staged combustion; recirculation xx 73

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