燃煤锅炉低NO_x燃烧技术及其试验研究.doc

第17卷第6期 2001年11月 文章编号1005－006X200106－0361－05 电 站 系 统 工 程 Power System Engineering Vol. 17 No.6 Nov., 2001 燃煤锅炉低NOx燃烧技术及其试验研究 浙江大学 魏恩宗 骆仲泱 岑可法 内蒙古工业大学 闫志勇 张惠娟 摘 要研究了煤燃烧过程中NOx的形成机理，介绍了煤燃烧生成NOx的一般控制方法及空气分级燃烧脱硝原理。通过现 场改造进行试验研究，考察了采用空气分级燃烧技术降低燃煤锅炉NOx排放的实际效果及其影响因素。 关键词燃煤锅炉；NOx排放；分级燃烧；试验 中图分类号TK224.9 文献标识码B Low NOx Combustion Technology for Coal-fired Boiler and Experimental Research WEI En-zong, LUO Zhong-yang, CEN Ke-fa, et al. Abstract The mechanism of NOx ation in coal burning, the common NOx emission control s and the principle of air staged combustion are analyzed. Technical reation in a plant is conducted for experimental research, and actual effects to reduce NOx emission for coal-fired boiler adopting air staged combustion technology and influence factors are found by experiment. Key words coal-fired boiler; NOx emission; staged combustion; experiment 在能源利用过程中，化石燃料燃烧要排放出各种污染物。在排放到大气里的污染物中，99的氮氧化物（NOx）、99的一氧化碳、91的二氧化硫、60的粉尘及43的碳化氢是化石燃料燃烧产生的。煤炭是我国当前及未来相当长时间内的主要一次能源。煤燃烧产生大量的上述污染物，其中氮氧化物占67，对大气造成严重污染。因此，降低燃煤锅炉的NOx排放是环境保护的一项重要内容。 调查结果表明，我国燃油炉NOx排放为600～1 400 mg/Nm3，固态排渣煤粉炉为600～1 200 mg/Nm3，液态排渣煤粉炉为850～1 150 mg/Nm3，旋风炉为1 000～1 500 mg/Nm3，都比国外锅炉的排放量大。目前我国对1 000 t/h以上的固态排渣煤粉炉的NOx排放标准为650 mg/Nm3，而德国要求200 mg/Nm3，日本要求410 mg/Nm3。可以肯定，随着国家对环境保护的日益重视，我国的标准也要提高。所以，研 收稿日期2001-03-13 魏恩宗,男,1965年生,副教授,博士生。热能工程研究所,310027 究煤燃烧过程中NOx的形成机理及其控制方法，并积极开展试验研究，对促进国民经济发展和改善生态环境具有重要的现实意义。 1 NOx的形成机理及其控制方法 1.1 NOx的形成机理 煤在燃烧过程中产生的氮氧化物主要是一氧化氮和二氧化氮，二者统称为NOx。与SO2的生成机理不同，煤在燃烧过程中，NOx的生成量和排放量与煤的燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等条件密切相关。以煤粉燃烧为例，在不加控制时，液态排渣炉的NOx排放要比固态排渣炉的高，即使是固态排渣炉，不同的燃烧器布置方式，不加控制时的NOx排放值也不同。 研究表明，氮氧化物的生成途径有以下3个①热力型NOx，指空气中的氮气在高温下氧化而生成的NOx；②燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成的NOx；③快速型NOx，指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH 364 电 站 系 统 工 程 2001年第17卷 等反应生成的NOx。 热力型NOx的生成机理遵循Zeldovich机理，认为热力型NOx是一个由氧原子引发的自由基链反应 ON2→NON 1 NO2→NOO 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）的反应活化能值大，控制着反应进行的速度。热力型NOx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1 300 ℃时，几乎看不到NO的生成反应，NOx生成量很小，只有当温度高于1 300 ℃以上，NO的生成反应才逐渐明显，NOx生成量逐渐增大（见图1）。因此，在一般的煤粉炉固态排渣燃烧方式下，热力型NOx所占的比例极小。燃料型NOx是NOx的主要组成部分，大约占65～85以上。燃料型NOx的生成机理极其复杂。目前各国科学家所得的结论也不尽相同。德国斯图加特大学的Hein教授认为燃料型NOx的形成与煤的热解产物和火焰中的氧浓度密切相关，其中氧气浓度及其分布状况对NOx的产生起决定性作用。另外，煤中的挥发性物质成分，特别是还原性成分的增加，会对NOx的降低产生积极作用（见图2）。快速型NOx是煤燃烧时产生的烃（CNi）等撞击燃烧空气中的N2分子而产生CN和HCN，然后它们再被氧化生成NOx。因为快速型NOx占总NOx的比例通常在5以下，故在煤粉炉中可不予考虑。 图1 煤粉燃烧中各NOx生成量与炉膛温度的关系 图2 煤粉燃烧过程中燃料氮的转化 1.2 NOx的控制方法 根据NOx的形成机理，不同类型的NOx其NOx生成机理不同，主要表现在氮的来源不同，生成的途径不同，生成的条件也不同，但它们之间也有一定的联系。3种NOx在煤燃烧过程中的生成情况很不相同。快速型NOx所占比例不到5；在温度低于1 300 ℃时，几乎没有热力型NOx。对常规燃煤锅炉而言，NOx主要通过燃料型的生成途径而产生。因此，控制和减少NOx在燃烧过程中的产生，主要是控制燃料型NOx的生成。从燃料型NOx的生成和破坏机理可知，为减少燃料型NOx的生成，既要尽可能地抑制NOx的生成，又要尽可能地破坏和还原已生成的NOx。控制NOx排放的技术指标可分为一次措施和二次措施两类，一次措施是通过各种技术手段降低燃烧过程中的NOx生成量；二次措施是将已经生成的NOx通过某种技术手段从烟气中脱除掉。概括目前常用的具体方法，包括以下3个方面①通过改变燃烧条件降低NOx的方法，主要包括低氧燃烧法、空气分级燃烧法、燃料分级燃烧法和烟气再循环法等；②用喷射法在炉膛内进行化学固定的方法，主要有喷射氨或尿素以及喷入水蒸汽等方法；③对燃烧后的烟气进行脱硝处理，包括干法烟气脱硝（烟气脱化和电子束照射等）和湿法烟气脱硝。 第6期 魏恩宗等燃煤锅炉低NOx燃烧技术及其试验研究 365 鉴于烟气脱硝装置的投资和运行费用都十分昂贵，不很适合我国的国情，有效的方法是采用低NOx燃烧技术。综观国外的低NOx燃烧技术，其发展过程大致可分为3个阶段第一阶段对燃烧系统不做大的改动，只是对燃烧设备的运行方式或部分运行方式进行调整或改进，如浓淡燃烧技术，但NOx的降低幅度很有限；第二阶段是燃烧空气分级送入燃烧设备，如国内较多采用的OFA，简单地紧挨上层燃烧器的OFA一般只能降低NOx排放20左右；第三阶段是空气和燃料都分级送入炉膛，燃料分级送入可在燃烧器区的下游形成一个富集NH3、CnHm和HCN的低氧还原区，燃烧产物通过这个区域时已形成的NOx被部分还原为氮气，例如三级燃烧技术可使NOx排放降低60以上。本文介绍的试验研究采用空气分级燃烧技术。 1.3 空气分级燃烧脱硝的原理 根据以上可知，燃煤锅炉的NOx排放主要是燃料型NOx，其形成过程主要是在燃料的挥发分析出阶段，且条件是氧气充足。如果此时的氧气浓度不够，则燃料中的N将大量地转化为氮气，NOx的生成量将减少。空气分级燃烧就是根据这个原理，通过送风方式的控制，降低燃烧中心的氧气浓度，形成还原性气氛，从而降低主燃烧区NOx的形成。燃料完全燃烧所需的其余空气由燃烧中心区外的其他部位直接引入。空气分级燃烧的实现可有多种形式，但主要不外乎顺烟气流向和沿炉膛断面两种。 1 烟气流向空气分级燃烧（OFA方式） 把燃烧所需要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；另一部分为火上风（OFA），约占总二次风量的15～30。因此，炉膛内的燃烧分成3个区域，即热解区、贫氧区和富氧区（图3）。 2 沿炉膛断面空气分级燃烧 断面分级燃烧是在与烟气流向垂直的炉膛断面上组织分级燃烧。它是将二次风射流部分偏向炉墙来实现的（图4）。断面分级燃烧不仅 可使主燃烧区处于还原性气氛从而降低NOx的 排放量，而且可使炉墙附近处于氧化性气氛，这有利于避免水冷壁的高温腐蚀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 沿烟气流向分级燃烧示意图 图4 径向空气分级燃烧示意图 采用空气分级燃烧技术的关键是确定分段风量、位置和混合。这需要通过数值模拟或试验研究来优化，以确定最佳工况。 2 试验研究 2.1 设备概况 试验在内蒙古乌拉山发电厂3号锅炉上进行，该炉系武汉锅炉厂制造的WGZ410/100-12型自然循环煤粉锅炉。设计煤种为乌达烟煤。实际运行中以燃用乌达烟煤为主，同时掺烧大量的小窑煤。实际燃煤的含氮量为1.01，挥发分含量（Vdaf）为31.77。由于燃烧采用高温（1 200～1 400 ℃）、高氧（4～7）运行方式，煤中氮基本上全部转化为NOx。进行空气分级燃烧改造前3号炉NOx排放情况见表1。 表1 锅炉分级燃烧改造前NOx排放情况 负 荷 温度/℃ 燃烧器出口 αr 温度/℃ 炉膛出口 α1 3 NO2排放浓度 mg/m7O2 100 MW 1.12 1 120 1.21 868.3 90 MW 1.22 1 115 1.28 1 084.3 70 MW 1.61 1 040 1.69 982.8 364 电 站 系 统 工 程 2001年第17卷 2.2 锅炉空气分级燃烧系统 在空气分级燃烧技术中，炉膛上部燃尽风口的高度和喷口的直径对于炉膛内部空气动力场的分布有很大影响，对NOx的形成和锅炉燃烧效率具有决定性影响。当燃用挥发分低的无烟煤和贫煤时，为了避免因缺氧熄火的危险及各项热损失的增大，燃尽风喷口的高度应低一些；当燃用挥发分高的烟煤和褐煤时，为了提高脱硝效率，燃尽风口可高一些。根据现有组织分级燃烧的经验，可使用下式粗略估计燃尽风喷口距燃烧器最上层喷口的距离 H1.5Vdaf/100.5 3 取Vdaf31.77，计算得H≈2.7 m。为实现空气分级燃烧，对锅炉配风系统进行了改造；将现有的8个中二次风喷口和4个上二次风喷口的面积减少15（各燃烧器的最下层二次风喷口面积保持不变），以基本保证二次风的风速维持不变；同时，在各燃烧器的中上二次风喷口内部设置导流板，与炉膛对角线夹角为22。另外，考虑到炉膛22 m 处现有的8个吹灰孔和4个看火孔可以利用及改造工时的限制，决定将这几个孔改造为燃尽风喷口，喷口直径为150 mm（按设计值应为270 mm，但受现场条件和施工工期的限制，只能取150 mm）；燃尽风取自环型总二次风联箱。这样最终能提供的燃尽风份额大约为5左右（额定负荷下）。为了保证分级燃烧的效果，在燃烧方式上进行了必要的调整，例如维持炉膛出口过量空气系数1.15 左右，尽可能增大燃尽风比例，适当增大含粉三次风的风速等。 2.3 试验结果及讨论 2.3.1 燃尽风份额的影响 在70负荷下，控制炉膛出口过量空气系数为1.15，一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，测定过热器和空气预热器后的NOx浓度。测试结果见表2。 表2 说明二次风挡板开度越小，燃尽风份额越大，因而主燃烧区氧气浓度也就越低，此 时NOx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小二次风挡板开度，可以明显地增大燃尽风的份额，有效地降低主燃烧区的氧量，较好地实现分级燃烧，显著地提高脱硝率（大约为25），达到了50～60的脱硝率。但是，随着负荷的增加，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（只有大约9）。在100负荷下，脱硝率只能达到约30。 表2 燃尽风量对脱硝率的影响 二次风挡板开度/ 100 60 30 燃尽风风速/m・s-1 25.0 39.8 46.2 NOx浓度/mg・m-3 过热预热器后 器后 729.0 － 511.0 516.3 484.5 485.5 脱硝率/ 过热器后 － 45.50 48.30 预热器后 25.82 47.47 50.60 2.3.2 二次风分布的影响 在70、90和100负荷下，关闭燃尽风，测试分级燃烧改造前后烟气中（空气预热器后）NOx的浓度，结果见表3。 表3 二次风分布对NOx浓度的影响 负荷/ 90 70 烟气中NOx浓度/mg・m-3 喷口中无导流板 喷口中有导流板 1 084.3 945.0 982.8 729.0 脱硝率/ 12.85 25.82 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切圆；径向空气分级燃烧改造后，中上二次风口内设置导流板，使得部分二次风射流（大约15～20）偏向炉墙，远离燃烧中心，延迟了煤粉和空气的混合，减少了火焰中心NOx的生成量。表3 说明二次风远离燃烧中心可导致13～25的脱硝率。另外，通过分流偏向炉墙的二次风可以使炉墙附近保持氧化性气氛，这对减少水冷壁的高温腐蚀和因积灰熔点的降低而导致的炉膛结渣都有良好的作用。 2.3.3 炉膛氧量的影响 炉膛内氧量愈高，燃烧中心区域氧气浓度越大，燃烧中有机氮被氧化的趋势越大，火焰 第6期 魏恩宗等燃煤锅炉低NOx燃烧技术及其试验研究 365 中形成的NOx越多，脱硝率越小，见表4。 表4 炉膛氧量对烟气NOx浓度的影响（mg/m3） 炉膛出口氧量/ 3.2 5.5 6.6 7.1 7.5 855.0 负 荷/ 512.0 688.0 475.0 510.0 2.3.4 负荷对NOx形成的影响 在控制炉膛氧量及其它运行条件相同的情况下，改变负荷，测试烟气中（过热器后）NOx的浓度，试验结果见表5。 表5 负荷对烟气NOx形成的影响 负荷/ 80 70 炉膛出口氧量/ 2.5 2.8 NOx浓度/mg・m-3 615.0 470.0 燃尽风份额/ 4.91 6.78 2.3.5 三次风对NOx生成的影响 试验表明，磨煤机的投停对于烟气中NOx的浓度有很大的影响。表6说明，在保持进入锅炉的总空气量不变的前提下，随着磨煤机的投入运行，三次风量由0增加到16，这意味着部分燃烧空气被分流到燃烧中心上方，主燃烧区处于缺氧状态，抑制了NOx的生成。同时，由于含粉三次风的输入，也可使部分已经形成的NO还原分解。这两者共同作用的结果使得NOx的排放量明显减少。 表6 三次风投停对NOx形成的影响 两台磨煤机运行方式 全部投运 全部停运 脱硝率 烟气中NOx浓度/mg・m-3 608.0 855.0 28.9 表5说明在炉膛出口氧量及其它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，因而燃烧过程生成的NOx越多。 （上接第360页） 强，减轻了上一次风射流的偏转。 图6 原工况2燃烧器上一次风流场分布图 参 考 文 献 [1] [2] 毛健雄, 等． 煤的清洁燃烧[M]． 北京科学出版社,1998. 曾汉才． 大型锅炉低ＮＯｘ燃烧技术的最新进展［Ｊ]． 发电设备，19934. 编辑霄 珉 2 结 论 原设计锅炉各燃烧器射流刚性差异较大，其根本原因在于相切于同一假想切圆的燃烧器与炉墙所成角度不同，造成射流两侧的补气条件不同。燃烧器射流卷吸两侧介质和射流向、背火侧补气条件的差异而形成了一定的静压差，此静压差降低了射流的刚性，迫使射流偏转，造成射流偏转贴壁。加大上层燃烧器二次风假想圆直径后，射流两侧的静压差减小，射流刚性增强，偏转情况得到一定改善。 □ 参 考 文 献 [1] 彭仕文．角置射流的偏转轨迹[M]．中国工程热物理学会第五届年会，苏州，1985. [2] 夏昭知，何佩敖．角置切圆燃烧炉膛燃烧器射流的偏转[J]．动力工程, 1982510～17. [3] 朱彤．直流燃烧器结构与运行参数对炉内空气动力场影响的研究[D]．哈尔滨工业大学, 1996. [4] 张德超．影响锅炉一次风射流偏转因素的探讨[J]．动力工程, 1983632～35. [5] M A Patrick．J. Inst.of Fuel．1967. 图7 改进工况2燃烧器中一次风流场分布图 编辑杨巨川