600MW燃煤锅炉低NO_x的燃烧技术.PDF

2001年第2期53浙江电力 600 MW燃煤锅炉低NOx的燃烧技术 Combustion Technique on Decreasing NOx for 600 MW Coal Fired Boiler 黄思林,谭玲 台山发电厂,广东台山529200 摘要阐述了燃煤锅炉NOx的生成机理及控制原则,介绍几家国际著名锅炉制造厂应用于600 MW级锅炉上的 低NOx燃烧技术,并进行分析探讨。对于国内新建大型燃煤锅炉有效控制NOx生成量或者改造已投运锅炉以 期减少NOX排放,均有一定的参考价值。 关键词锅炉;燃烧;低NOx 中图分类号 TK 227文献标识码B文章编号1007 - 1881200102 - 0053 - 04 1前言 氮氧化物NOx是一种危害人体健康,破坏大 气环境的污染物。它是煤中含氮化合物和空气中的 氮气在高温燃烧过程中生成的。600 MW等级大型 锅炉因其炉膛截面热负荷增加,炉内温度水平高, 燃煤消耗量大,使NOx浓度及NOx排放量均增 加,因此必须对大型锅炉NOx排放量加以控制。 国家环保局于1996年颁布的燃煤电厂大气 污染排放标准G B 13223 - 96明确规定 300 MW 及以上机组固态排渣煤粉炉燃烧产物中NOx排放 浓度不得超过650 mg/ Nm 3 ,新建的燃煤电厂锅炉 设计必须严格满足该标准要求。但是,目前从国内 几大锅炉厂及近几个工程锅炉招投标过程中了解 到,不论业主方还是制造厂多数关心的是在设计煤 和校核煤条件下锅炉稳燃、防结焦和高效率,如何 降低NOx生成的实质性措施很少,绝然不同的 是,当前国际著名锅炉制造商的设计思路是在可以 接受的NOx排放条件下如何组织最佳燃烧,其燃 烧器结构布置形式、配风方式及炉膛容积热负荷和 燃烧器区域热负荷都有较大变化。 台山发电厂工程在2000年上半年已经完成了 2660 MW超临界进口机组的国际招标工作,在评 标谈判过程中,我们发现各厂商无一例外对减少 NOX排放给予了足够的重视,并各自采用了许多独 特的新技术和措施。现就此作一简单介绍、分析和 探讨。 2NOx生成机理及控制原则 燃烧用空气中的N2以三键氮形式存在,煤中 的有机氮则以碳氮三键和单键的形式存在。由于 氮的键能不同,以及与氮进行反应的介质成分不 同,因而NOx的生成机理有三种,分别被称为热 NOx、燃料NOx和快速NOx。在煤粉锅炉燃烧中快 速NOx的数量极少,可略去不计。 211热力NOx 热力NOx,即燃烧用空气中的N2在高温下氧 化而生成,其主要反应式如下 K 1 K- 1 O2O2 O 1 N2 ONO N K- 2 K 2 T 1540℃2 N O2NO O K 3 K- 3 T 820℃3 首先,氧分子在火焰中较早地游离出来,形 成超当量数量的氧原子1式。这些氧原子优先被 碳吸收掉,但在局部温度超过1540℃ 的地方,这 些氧原子有足够的能量通过2式分离很稳定的氮 -氮结合键。当出现这种情况时,便生成了NO, 同时释放出一个氮原子。然后,释放出的氮原子 按3式与氧进一步反应,生成更多的NO,整个 键锁反应持续到温度低至不再有任何自由基产生 为止。 由以上分析可知,热力NOx产生需同时具备 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 54 2001年第2期浙江电力 图1EVT锅炉一个角的燃烧器布置 图2EVT锅炉煤粉、二次风和过燃风的射流方向 两个条件温度和氧浓度。热力NOx的生成量与 反应区温度、氧浓度成正比,也与燃烧产物在火焰 区的停留时间有关。在燃烧过程中如果能使温度和 氧浓度不同时存在,就能达到遏止热力NOx生成 的目的。 212燃料型NOx 燃料型NOx是燃料中作为其它化学成分而存 在的氮在燃烧过程中生成的。目前普遍认可的生成 机理是燃料中的氮主要以吡啶 C 5H5 N 和喹啉 C 9H7 N 等形式存在与芳香族结构之中,在燃料热 解过程中,这些有机成分还原为氢氰酸HCN ,氨 NH 3等中间产物,之后与空气中的氧反应生成 NOx。研究表明,燃料氮生成NOx有以下特点 1燃料氮的转换率随燃料中含氮量的降低而 增加,但燃料型NOx的排放量则随含氮量的增加 而增加。 2燃料氮的转换率随燃烧器区域氧浓度的降 低而降低。 3燃料氮的转换率对炉膛的敏感性相对较 小。 4当混合不良时,燃料氮的转换率降低。 综上所见,抑制NOx生成的基本原则是降低 火陷温度,控制燃烧火焰中心区域助燃空气的数 量,缩短燃烧产物在高温火焰区的停留时间。 3低NOx燃烧技术及分析 311德国EVT公司低NOx燃烧技术 EVT公司提供的是塔式炉,采用四角切圆燃 烧, 24只多喷口燃烧器分6层布置在炉膛四角。 一台磨煤机供一层燃烧器,三层燃烧器形成一组, 共分上下两组。上燃烧器组顶部有两个过燃风喷嘴 组合型过燃风 , 离上燃烧器组正上方几米处还有 四个过燃风喷嘴分离型过燃风。每个角的燃烧器 布置如图1所示。煤粉喷嘴、二次风喷嘴、过燃风 喷嘴均可以倾斜,以便调整炉膛火球旋涡获得最好 的性能,保证着火稳燃、充分混合燃烧、防止结渣 及降低NOx生成量。煤粉、二次风和过燃风的射 流方向如图2所示。 减少NOx产生的原理二次风分级送入炉 膛,形成燃烧器缺氧区、过燃风燃烧区, NOx生成 量随燃烧器区域缺氧燃烧程度增加而显得越来越 小。措施是设置过燃风,减少进入煤粉燃烧器的 空气 。一方面降低燃烧器附近火焰中心的燃烧 率,相对降低了火焰中心温度,况且缺氧燃烧区, 火焰温度即使较高,但因火焰中还有大量没有燃烧 的燃料和不完全燃烧产物,由于氮和氧反应活化能 比碳和氧反应活化能高,因而空气中的氮气经氧化 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 2001年第2期55浙江电力 反应生成NOX的量一定很少;过燃风燃烧区氧量虽 然有过剩,但由于炉内冷却作用,烟气温度已经降 低。总之,减少了热力NOx的生成。另一方面形成 了缺氧燃烧区域,在此还原性气氛下,燃料氮经由 氮中间产物而大部分转化为氮气N2。减少燃料 NOX的生成原理如图3所示。因此整个燃烧过程中 NOx的生成得以有效控制。EVT公司经验表明,缺 氧区燃烧的最佳空气系数为018～019。 图3EVT锅炉减少燃料NOx生成的原理 然而在缺氧燃烧运行时燃用烟煤,有使炉膛壁 面处于因腐蚀而损毁的危险,因为烟煤中明显地含 有较高的氯化物成分,况且结渣的可能性较大。因 此EVT切向燃烧系统低NOx燃烧概念的基础是两 种独立效应的综合其一是为使NOx生成量减少 的空气轴向分布,其二是为保护炉膛壁面不被腐蚀 的空气径向分布偏转风。如图2、图4所示。 分离型过燃风的设置是以求在缺氧燃烧区域有 较长的滞留时间,以达到降低NOx和完全燃烧的 双重目的。 除建立缺氧燃烧区外,在燃烧器区域煤的快速 分解也很重要。它将加速挥发份氮的化合物的释 放,因此要求煤粉达到一定的细度和较高一次风 温。 312巴布科克日立公司 BHK低NOx燃烧技 术 锅炉采用对冲燃烧方式,将24只高效低NOx 双旋流调风的燃烧器分三层布置在前后墙上,这 种燃烧器就是NOx在火焰中还原的HT- NR燃烧 器 。结构简图如图5所示 。它兼有两方面的优 点着火迅速,高温燃烧,在不降低燃烧效率的 同时,又达到了减少NOx产生的目的。 HT- NR燃烧器主要包括有火焰稳定环、煤粉 浓缩器、外周空气导管、高性能调风器等部分。 1火焰稳定环稳燃环 在给煤粉管煤粉 喷嘴的前端装有陶瓷制的齿形环状火焰稳定环, 该火焰稳定环的内侧有一次空气旋流,通过利用 该环,可使煤粉颗粒急速着火。 图4EVT锅炉低NOx燃烧配风原理图5BHK公司HT- NR燃烧器结构简图 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 56 2001年第2期浙江电力 2煤粉浓缩器使用煤粉浓缩器,使煤粉有 一个向外侧四周方向的速度动量,提高火焰稳定环 附近的煤粉浓度,提高燃烧效率。 3外周空气导管使用外周空气导管,控制 最外周的三次风的混合,加强火焰内脱硝减少 NOx 的效果。 4高性能调风器产生空气旋流,促进火焰 外周三次风和内部高温还原火焰间的混合,最大限 度地防止降低燃烧效率。 减少NOx的原理是在燃料富余的火焰中,将 高温燃烧所产生的NOx分解还原成N2。具体来 说,经浓缩了的煤粉气流进入炉膛后,迅速着火, 在燃烧器中心区保持燃料富余并维持其高温,它能 够在不降低燃烧效率的同时在燃烧火焰的后期将初 级燃烧火焰中产生的NOx分解,最大限度地降低 燃烧产物中NOx的生成。 此外,在煤粉燃烧器的上部布置了一层燃烬风 喷口AAP ,应用分级燃烧降低炉膛NOx生成的概 念,将部分二次风在离开燃烧器上方适当距离送 入。这样,就在AAP下方主燃烧器形成低氧量甚 至微还原气氛,抑制NOx的生成。 313美国FW公司低NOx燃烧技术 FW公司采用前后墙对冲燃烧, 30只燃烧器分 三层布置在前后墙上,每一层前后墙各5只。燃烧 器采用风量控制/分割火焰型低NOX燃烧器。燃烧 器由分割火焰型煤粉喷嘴、内二次风调节风门、外 二次风调节风门和带活套筒孔板罩等组成。降低 NOx排放量的措施主要有 1煤粉被分割成四股浓缩的射流,每一股形 成独立的火焰。一个大火焰分成几个小火焰,由于 小火焰散热表面大,火焰温度降低,使热力NOx 下降;火焰小,缩短了氮、氧等气体在火焰中的停 留时间,对热力NOx和燃料NOx都有明显的抑制 作用。此外,煤粉中的挥发份析出后在还原性气氛 下燃烧,挥发份中含有较高比例的燃料固定氮,在 还原性气氛下燃烧,固定氮更多的转化成N2,而 减少了燃料NOx的形成。 2改变活动套筒的轴向位置即可控制进入燃 烧器的风量,但活动套筒不作全程调节,仅由逻辑 设定三个位置关闭、点火和开足。改变内二次风 调节风门叶片的径向角度,可控制喷嘴喉部的旋流 强度和氧气浓度,改变着火点的远近。改变外二次 风调节风门叶片的径向角度,一方面改变进入内二 次风调节风门的比例,另一方面改变直接进入炉膛 的风量。二次风通过内、外调节风门分成两部分 与煤粉充分混合,在整个火焰行程中将煤粉燃 烬,并使NOx产生最少。减少NOx的原理是减 少最靠近燃料的内环区内的紊流,把大部分的空 气引到外环区,用这种方法,在靠近燃烧器喷口 内燃料所得的氧气是有限的,形成一种欠氧还原 性气氛,并使得火焰温度较低,从而减少了NOx 的产生。 4结论 1 600 MW级燃煤锅炉不管是对冲旋流燃烧 还是四角切圆燃烧方式,其低NOx燃烧技术主要 是基于燃料NOx和热力NOx的生成机理及控制原 则。采用分级送风形成缺氧区和富氧区,并使温 度和氧浓度不同时存在;降低炉温;避免局部高 温和加速煤粉分解等措施。具体通过改造燃烧器 形式,合理调整和匹配一、二次风过燃风和磨制 更细的煤粉等方法来实现。当前国际著名锅炉制 造商均能通过上述方法有效地控制NOx排放量。 例如EVT锅炉燃用烟煤时, NOx排放量可以控制 在200～400 mg/ Nm 3 干- 6 O2水平。 2燃烧器区域的缺氧燃烧虽然减少了NOx的 生成,但是也带来了还原性气氛下炉壁易被腐蚀 及易结焦等负面影响,各制造商分别采取了设置 周界风,墙壁屏幕风和偏转二次风等方法,保持 贴近炉膛壁面为富氧区,以达到保护水冷壁和防 结焦的目的。 3锅炉NOx排放量随入炉总风量的增加而增 加,合理减少入炉总风量可降低NOx的排放量。 在减少入炉总风量的过程中,应考虑锅炉所燃用 的煤种和燃烧器的布置形式。对于烟煤锅炉,适 当减少入炉总风量,既有利于降低NOx排放量, 又有利于提高锅炉效率。目前,国际著名锅炉厂 商燃煤锅炉设计总过量空气系数一般取1115～ 1120。 4减少NOx生成量的关键是合理分配空气及 控制炉温,稍有不当就会影响燃烧的着火与稳 定,使烟尘浓度和不完全燃烧物增加。燃烧系统 设计固然是根本和重要的,但是制造、安装、调 试和运行各个环节也非常重要。 收稿日期 2000 - 11 - 20 作者简介黄思林1968 - ,男,湖南平江人,工程师,硕 士,主要从事锅炉技术专业工作。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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