降低電站鍋爐NOX排放的燃燒技術分析

1、降低電站鍋爐NOX排放的燃燒技術分析隨著我國經濟的增長和電力工業(yè)的快速發(fā)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占65%,而發(fā)電廠燃煤又占較大的比例,因此降低發(fā)電廠排煙中NO X是減輕大氣污染的重要任務。1985年中國發(fā)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。由于NOX在煤的燃燒產物中生成復雜,且其對人類乃至整個生態(tài)系統(tǒng)的危害大,對其排放量的控制已引起全球范圍內的普遍重視,絕大多數(shù)國家和地區(qū)都制定了較嚴格的限制NOX排放的法規(guī)和標準,中國也于1996年8月

2、開始實施650 mg/Nm3的排放指標規(guī)定。近二、三十年來,歐美日等發(fā)達國家一直在致力于研究降低NOX的燃煤技術。如前蘇聯(lián)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于世界領先地位。這些技術措施和硬件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(wěn)燃能力,但改造后出現(xiàn)了燃

3、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,考慮采用低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(ThermalNOX 和快速型NOX(Prompt NOX3種,其中快速型NOX所占比例很小,燃料型NOX 約占75%,熱力型NOX約占25%。對于燃燒粉煤的鍋爐,NOX的排放主要取決于燃料型NOX的生成量,原因主要有以下兩點:(1大多數(shù)煤粉火焰溫度不太高,尤其是固態(tài)排渣鍋爐,受排渣溫度的限制,爐膛溫度不

4、可能太高,而熱力型NOX的生成主要取決于火焰溫度和風煤比。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<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排放量中所占的比例較小;(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(jù)估算,如果煤中含有1%的燃料氮,且其50%轉為NOX ,快速型NOX的生成量仍將小于總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(fā)份中均相生成的NOX和由殘?zhí)恐?/p>

5、異相生成的NOX兩部分。揮發(fā)份的析出包括兩個階段:第一階段發(fā)生在較低的溫度條件下,此時分子量較低的揮發(fā)份從煤顆粒中釋出;第二階段發(fā)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(fā)份析出階段以HCN和NH3的形式從顆粒中釋放出來,隨后氧化生成NOX。揮發(fā)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。留在煤焦中剩余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系,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,在很大的范圍內幾乎與溫度無關。由揮發(fā)份燃料氮轉化而成的燃料型NOX (簡稱揮發(fā)份

6、燃料型NOX約占60%80%,由焦炭燃料氮轉化而成的NOX (簡稱焦炭燃料型NOX約占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 采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(yōu)點在于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于鍋爐的設計中。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

7、燃燒進行優(yōu)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系數(shù)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(xiàn),也可以在多排布置燃燒器的爐膛內整體實現(xiàn)。前者通過分級配風燃燒器的結構,后者通過組織氧氣濃度和溫度不同的燃燒區(qū)來達到目的。兩種實現(xiàn)分級燃燒方法的系統(tǒng)是有區(qū)別的。沿爐膛垂直方向分級燃燒的實現(xiàn)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(xiàn)是在對沖布置的燃燒器中,使一面墻的燃燒器具

8、有富燃料,另一面墻的燃燒器具有富氧。但是,無論是那一種方法實現(xiàn)的分級燃燒,其實質都是使第一燃燒區(qū)的空氣過剩系數(shù)小于1.0(2級燃燒的第一級空氣過剩系數(shù)通常選=0.850.95,結果降低了火焰的最高溫度以及火焰核心區(qū)氧氣的濃度,從而降低了NO X的形成;而在第二區(qū),由于燃燒產物和過量空氣的稀釋,實際上NOX不再形成。日本三菱重工研制和應用出兩級和三級燃料燃燒系統(tǒng)。其主要的技術是在主燃燒器的上方布置有輔助燃燒器,以采用不同細度的煤粉,采用這種燃燒方式,可使NO X排放量降低到328600 mg/Nm3。某電廠鍋爐采用分級燃燒技術,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

9、燃燒器區(qū)缺氧而可能出現(xiàn)的結渣和腐蝕,使用了水平偏轉二次風,借以增加水冷壁附近的氧濃度。改造后實測數(shù)據(jù)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 采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。濃側煤粉由于煤粉濃縮,著火溫度下降,穩(wěn)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,由于著火性能好,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;淡側過量空氣系數(shù)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

10、二廠600 MW機組鍋爐采用了ABB-CE公司開發(fā)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 采用煙氣再循環(huán)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(qū),可在非常短的時間里,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(qū)現(xiàn)成的能夠使NOX 還原的各組分之中,NOX還原成N2,降低最后NOX的生成量。日本三菱公司的PM燃燒器就采用了這種技術。2.4 鍋爐燃燒優(yōu)化鍋爐燃燒優(yōu)化通常是降低NOX排放的首選方法。燃燒優(yōu)化是通過鍋爐燃燒器運行參數(shù)的調整實現(xiàn)的,采取控制過剩空氣量、燃燒器一、二次風量配比的調整、平衡送入每只燃燒器的風粉量等方法,

11、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(yōu)化工況下測得NOX 含量為725 mg/Nm3。對于已經采用低NOX燃燒技術的電站鍋爐,燃燒優(yōu)化仍然是降低NO X排放的重要前提。2.5 選擇合適的低NOX燃燒技術對于鍋爐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(tǒng)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,采用低NOX燃燒技術?？梢栽谠械臐?/p>