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经 验 交 流 火电厂降耗低污染燃烧技术 陆轶青 1 徐特秀 2 1. 环境保护部环境保护对外合作中心, 北京 100035;2. 张家港市环境监测站,江苏 张家港 215600 摘要 介绍火电厂燃煤锅炉先进的节能减排燃烧技术。此技术具有低能耗, 低 NOX燃烧性能, 并有利于降低 SO2、 CO2 的排放, 同时具备安全可靠, 不结渣, 燃烧稳定的特点, 具有推广价值。 关键词 锅炉; 节能; 低 NOX燃烧; 低氧燃烧 COMBUSTION TECHNOLOGY OF LOW CONSUMPTION AND POLLUTION REDUCTION FOR THERMAL POWER PLANTS Lu Yiqing1Xu Texiu2 1. Foreign Economic Cooperation Office of Ministry of Environmental Protection,Beijing 100035,China; 2. Zhangjiagang Environmental Monitoring Centre,Zhangjiagang 215600,China AbstractThis article recommended an advanced combustion technology of low consumption and pollution reduction used for thermal power plants.The technology is low at energy consumption and NOXemission,and efficient for SO2and CO2 reduction. It is value to be popularized,as it is safe and reliable,avoiding slagging and providing stable combustion. Keywordsboiler;energy saving;low NOXcombustion;low oxygen combustion 0引言 在我国能源结构中, 煤炭占 68. 7 , 而在煤炭消 费量中, 火电厂用煤量约占 50 [1]。电力行业为烟 尘、 SO2、 NOX排放的首位大户。2008 年火电厂 SO 2、 NOX、烟 尘 排 放 系 数 分 别 为3. 03,2. 56,0. 91 g/ kWh [2]。烟尘排放总量为 2. 504 106 t, 占工 业烟尘总排放量的 41. 4 ; SO2排放量为10. 599 106t 占全国总排放量的 67. 2 [3];NO X 排放量为 8. 40 106t, 占全国总排放量的 36. 52 [4]。燃煤电 厂的烟 气 排放 是空 气 中 氮 氧 化 物 主 要 来 源 之 一。 NOX和 SO2均是造成酸雨的主要来源。自 20 世纪 80 年代以来, 酸雨中硝酸根的比例从 1 /10 逐步上 升, 近年来已占到 1 /3。NOX在空气中可形成光化学 烟雾, 对环境造成破坏, 危及人类健康。因此, NOX已 成为“十二五” 减排的重点。电力行业节能减排任务 艰巨。今后每个电厂的供电煤耗指标和污染物的排 放量将与允许上网电量密切相关, 这将直接影响到电 厂的经济效益。为此, 火电厂只有走节能降耗, 减少 污染物排放量的道路, 有效降低发电成本, 才能在电 力市场竞争中占据优势。 要减少燃煤电厂 NOX的排放应从源头抓起, 即 采用先进的锅炉燃烧技术。这除了具有燃烧效率可 高达 98 ~ 99 的优点之外, 还应具有如下 3 种特 性 1 对不同的煤种都具有良好的火焰稳定性, 在调 峰运行时低到 50 的额定负荷下仍能稳定燃烧且安 全可靠和不结渣; 2 NOX排放量应该比普通的煤粉 燃烧过程降低 1 /3 以上, 最好能减排 1 /2 以上; 3 应 配以投资 费 用不 高, 日常 运 行 费 用 比 较 低 的 脱 硫 装置 [5]。 1低氧燃烧技术 1. 1燃煤锅炉燃烧中 NOX生成机制[6] 1 热力型 NOX。在燃烧时, 空气中的氮气在高 温下氧化生成 NOX。它的生成与温度有关, 随着反应 温度的升高, 其反应速度按指数规律加快, 当燃烧温 度 < 1 500 ℃ 时,NOX生 成 量 很 少;当 燃 烧 温 度 > 1 500 ℃ 时, 燃烧温度每增加100 ℃ , 生成 NOX反 应速度可增大 6 倍 ~ 7 倍。燃料燃烧过程中热力型 NOX占 NOX总生成量的 25 ~ 30 。 2 燃料型 NOX。在燃烧时, 燃料中的有机氮化 合物经氧化生成 NOX, 由于燃料中氮的热分解温度低 301 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 于煤粉燃烧温度, 在 600 ~ 800 ℃ 的燃烧区内会生成 燃料型 NOX, 它是生成 NOX最主要的形式, 占 NOX 总 量的 60 ~ 80 。它的生成与燃料中挥发分关系较 大, 并受过量空气系数影响较大。当过量空气系数 α < 1 时, 随着燃料挥发分的增加, 燃料型 NOX生成量 减少; 当 α > 1 时, 随燃料中挥发分的增加, 燃料型 NOX生成量增加。 3 快速型 NOX。燃料中挥发分中的 CH 化合物 在高温时分解生成 CH 自由基, CH 自由基与 N2生成 CN 类化合物, 此类化合物又进一步与氧化合生成 NOX。快速型 NOX占总 NOX生成量的 5 左右。 通过分析锅炉燃烧时 NOX生成机制可知, 控制 NOX生 成 量, 重 点 在 于 控 制 燃 料 型 NOX和 热 力 型 NOX。 1. 2低氧燃烧控制 NOX的生成 燃料型 NOX主要在燃料燃烧的初始阶段形成。 如果在此阶段形成富燃贫氧区, 则在氧气较低的浓度 下使燃料中的有机氮化合物不容易转化为 NOX。而 在燃料的着火阶段, 使燃料停留时间延长, 可使有机 氮化合物有充足的时间发生还原分解及复合反应, 使 NOX的生成量相对减少[7]。为此, 可通过控制燃烧 工况、 燃料和空气的混合程度达到降低燃料型 NOX 的目的。降低 NOX的生成有以下几种技术。 1. 2. 1降低燃料燃烧过程中过量空气系数[8] 燃料在燃烧时, 要想达到最佳的燃烧效果, 必须 保持合理的过量空气系数。过量空气系数过大, 不但 能源消耗量大, 而且造成烟气中 NOX生成量大。如 果过量空气系数过小, 会造成燃料燃烧不完全, 飞灰 中含碳量增高, 降低锅炉的燃烧效率。 在锅炉燃烧过程中, 尽可能接近理论空气量, 使 过量的氧减少, 这样达到低氧燃烧工况, 在氧气不足 的状况下, 使燃料中的氮氧化物转化为稳定的氮气, 达到降低烟气中 NOX的目的。当过量空气系数 α 为 0. 6 ~ 0. 7 时, 燃料中的有机氮化物对 N2的转化率最 高, 对 NOX的转化率最低。使煤粉提前着火, 扩大燃 料的还原区和延迟煤粉与二次风的混合, 对降低 NOX 的生成能够起到较大作用。氧量降低, 使燃烧速度降 低, 火焰拉长, 从而使得主燃区温度下降, 有利于降低 热力型 NOX和燃料型 NOX的生成。 在锅炉实际运行中, 减少一次和周界风量, 提高 一次风温, 有利于燃料中的挥发分提前析出。提前着 火, 延长燃料在着火阶段的停留时间, 使燃料中的挥 发分有充足时间发生还原分解, 减少 NOX生成。但 是, 如果空气供给量不足, 燃料中可燃成分不能完全 燃烧, 将造成燃料损失, 使一部分燃料在炉膛内只被 加热, 而未被燃烧, 随后被烟气带出, 造成烟气中含未 燃尽碳量增加, 导致能耗增加。所以低氧燃烧中炉膛 出口烟气含氧体积分数 以下简称氧量 的极限值应 不低于 3 。 1. 2. 2空气分级燃烧[6] 此技术将炉内燃料燃烧时所需空气分阶段送入 炉膛。第一阶段, 空气从主燃烧器送入炉膛, 此时空 气量少于燃烧所需总空气量, 形成燃料在燃烧初期处 于贫氧条件下燃烧, 以降低燃料型 NOX的生成。第 二阶段, 为使燃料完全燃烧, 二次空气从还原区周围 送入, 燃料区火焰尾部达到全部燃烧。分级燃烧避免 高温区集中, 可大幅度降低热力型 NOX的生成。 锅炉运行时应合理调整一次风量和风速。在适 当减少一次风量情况下, 为避免燃烧不完全, 可提高 一次风温。维持燃尽风门、 二次风门开度不变, 关小 其余二次风门的开度, 使燃料在着火阶段处于富燃贫 氧区, 使烟气上升速度减缓, 以延长烟气在还原区的 停留时间, 有利于烟气中 NOX转化为 N2气。 1. 2. 3燃料分层燃烧[6] 锅炉炉膛从下往上分为主燃区、 再燃区、 燃尽区 三层。75 的燃料送入主燃区, 燃料在此区充分燃 烧。25 的燃料送入再燃区, 此区控制氧气含量, 使 该区形成还原性气氛, 使主燃区生成的 NOX进行还 原反应, 最终生成 N2气。燃尽区加入其余空气量, 此 区过量空气系数可恢复正常值, 即 α > 1, 使未燃尽的 燃料充分燃烧, 保证锅炉热效率。 1. 2. 4烟气再循环[8] 此技术利用锅炉的排烟来稀释空气中的氧浓度, 实现低氧燃烧。此技术的实现需将引风机输出管与 送风机吸入管相连接, 通过调节阀门来控制烟气的吸 入量, 通过烟气的再循环降低 NOX排放, 是一项前途 广阔的燃烧技术。但由于风机不能耐高温, 稀释空气 中的氧含量需用冷却后的烟气, 增加了管道连接的复 杂性, 给实际操作带来困难, 因此此技术有待于进一 步试验研究。 2高温低氧燃烧技术的节能减排作用 高温低氧燃烧技术是 20 世纪 90 年代发展起来 的一种全新的燃烧技术。它是将预热到 1000℃ 左右 的高温空气喷入到燃烧炉膛中, 在炉膛内形成低氧状 401 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 态。此项技术能提高烟气的余热回收, 节省燃料, 降 低 NOX、 CO2排放, 属于节能减排的燃烧技术[9]。 2. 1工作原理 高温空气燃烧单元, 一般由 2 个烧嘴, 2 个蓄热 体, 1 个换向阀及相配套的管路、 风机和控制系统组 成, 如图 1 所示 [10]。 图 1高温空气燃烧技术工艺流程 烧嘴 A 工作时产生的大量高温烟气经烧嘴 B 排 出, 高温烟气与蓄热室 B 进行对流和辐射为主的热 交换作用后, 可将排气温度降至200 ℃ 以下。经过一 段时间后, 常温空气经换向阀切换进入蓄热室 B, 可 在较短的时间内使常温下的空气与蓄热室进行对流 和辐射热交换作用, 空气可预热至800 ℃ 以上, 加热 到了接近炉膛燃烧的温度。烧嘴 B 工作时, 烧嘴 A 停止工作, 2 个烧嘴与 2 个蓄热室交替运行, 实现了 烟气余热“极限” 回收和助燃空气高温预热。 2. 2技术特征 高温低氧燃烧与传统燃烧方式不同, 空气预热温 度的升高及氧体积分数的降低, 使火焰体积增大, 炉 膛内温度均匀分布, 避免了传统燃烧中产生局部高温 区, 则高温低氧燃烧峰值温度降低。热力型 NOX的 生成速度主要与燃烧过程中火焰的最高温度、 氮气与 氧气体积分数及高温烟气在炉内停留时间有关。高 温低氧燃烧中, 炉内温度升高, 但峰值温度降低, 则降 低了热力型 NOX生成。由于炉内有部分高温烟气回 流, 氧体积分数可降至 8 以下, 气流速度增大, 燃烧 速度快, 缩短了烟气在炉内的停留时间, 减少 NOX生 成, 最终 NOX排放浓度可低于 350 mg/m3[10- 11]。 蓄热室采用特殊的高效热交换材料制成, 具有很 大的比表面积, 比普通蓄热室比表面积大 4 倍 ~ 5 倍, 只需较小的体积就可实现高温烟气显热的“极 限” 回收。普通的空气预热器由于受材质及自身性 能的影响, 只能把空气预热到600 ℃ 左右, 而高温蓄 热室可将空气预热到高温烟气温度的 90 左右, 大 幅度地增加了锅炉内的物理热, 有明显的节能效果, 余热回收率达 80 以上 [11- 12], 节约了燃料, 燃料的综 合节能率可达 60 以上。 锅炉利用高温低氧燃烧技术燃烧时可采用较低 的空气过量系数, 因燃料与助燃空气混合均匀, 且助 燃空气入炉温度较高, 使得燃料与助燃空气一接触便 能迅速燃烧。当空气过量系数 α < 1 时, 燃料可完全 燃烧。空气的过量系数越小, 节能越显著, 排放的 NOX、 CO2也随之降低, 比传统燃烧方式节能 30 以上。 3低氧燃烧应用实例 3. 1国华北京热电公司燃煤锅炉低氧燃烧技术 2005 年国华北京热电公司为实现电厂烟气中 NOX排放量不超过 250 mg/m3指标的目标, 通过对锅 炉进行改造, 使用了包括空气分级燃烧, 燃料分层燃 烧的低氧燃烧技术, 使锅炉烟气 NOX排放量减至 350 mg/m3以下。再结合 SNCR 技术后, 锅炉烟气中 NOX 排放量减至 200 mg/m3以下。 该厂 有 2 台 410 t/h 型 号 为 HG - 410 /9. 8 - YM15 的锅炉。主要燃烧神华煤, 此煤种挥发分较 大, 易结焦, 实现低氧燃烧存在一定困难。为实现低 氧燃烧, 首先对原有锅炉进行了改造, 对锅炉所有喷 口进行重新设计。根据改造后的喷口, 对风管及煤粉 管进行了相应的改造, 并重新布置了水冷壁弯管。改 造后各燃烧区的配风比例, 见表 1[6]。 表 1各燃烧区的配风比例 项目主燃区再燃区燃尽区炉膛漏风 空气过量系数1. 00. 8361. 10. 05 配风比例 /68. 17. 9 24 其二次风分配比例为 上二次风为 22 , 中二次 风为 12. 6 , 下二次风为 17. 7 , 周界风为 9. 9 , 燃 尽风为 37. 8 。改造后锅炉实现了低氧燃烧。炉膛 出口烟气中氧气体积分数控制为 2. 7 左右, 比原炉 膛出口氧气体积分数降低 0. 8 。改造后锅炉烟气 NOX质量浓度及锅炉效率见表 2[6]。 表 2 可见, 低氧燃烧后, NOX排放质量浓度控制 稳定, 基本在300 mg/m3以下, 锅炉效率提高。因风 量减小, 相应降低了引风机、 送风机及脱硫设备的耗 电量。按月统计, 送风机耗电量由 288. 99 104kWh 降至276. 88 104kWh, 引风机耗电量由 202. 2 104 kWh 降至190. 34 104kWh, 脱硫增压风机耗电量 由 303. 27 104kWh 降至259. 68 104kWh。 一个 501 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 月总共可节省电费支出 25. 7 万元, 在提高锅炉效率 方面, 平均减少发电煤耗1. 65 g/ kWh [13]。 表 2锅炉低氧燃烧后 NO X浓度和锅炉效率 工况 一般燃烧低氧燃烧 NOX质量浓 度 / mg m - 3 锅炉效率 / NOX质量浓 度 / mg m - 3 锅炉效率 / 410 t/h 单磨463 92. 728091. 92 410 t/h 无磨 21792. 17 450 t/h 单磨432 92. 826691. 92 450 t/h 双磨 30192. 70 280 t/h 单磨812 91. 727192. 80 280 t/h 无磨 18692. 74 180 t/h 单磨671 89. 828591. 10 国华北京热电厂从 2005 年采取低氧燃烧技术至 今, 锅炉运行安全稳定, 实现了节能减排, 为各燃用神 华煤的电厂提供了一定的技术经验。 3. 2黄浦发电厂 5 号、 6 号锅炉低氧燃烧技术 黄浦发电厂 5 号、 6 号锅炉为1 025 t/h亚临界压 力中间再热 UP 型直流锅炉, 其为单炉膛, 四角切圆 燃烧。燃用煤种为烟煤。改造前, NOX排放量平均为 670 mg/m3, 满含负荷运行时, 炉膛出口烟气含氧量 为 4. 5 , 其明显比先进机组 3 以下的含氧量高。 排烟温度131 ℃ 比先进机组 110 ~ 120 ℃ 明显偏高。 机械不完全燃烧量为 4 ~ 6 , 也明显偏高, 直接影 响锅炉的效率 [14]。 20072008 年, 针对 5 号、 6 号锅炉存在的问题, 进行了低氧燃烧锅炉改造。采用了深度空气分级燃 烧技术, 布置了三层燃尽风喷口, 由原二次风箱引出, 将原部分二次风喷口面积改小, 并使用偏置二次风技 术, 各二次风正切一定角度。制煤粉系统采用中间仓 储式热风送煤粉, 制粉乏气作为三次风, 通过 8 个喷 口从前后墙送入炉膛。 锅炉改造后, 在进行低氧燃烧试验中, 以降低主 燃区氧量为主, 下部二次风门开度不变, 关小其余二 次风门开度, 维持燃尽风门。适当降低一次风率, 一 次风压从3 700 Pa降至3 600 Pa。提高一次风温, 从 240 ℃ 提高至245 ℃ , 二次风箱与炉膛压差控制在 600 ~ 800 Pa。保证二次风强度, 关小中、 上部二次风 门的开度, 延迟与一次风的混合时间, 减少周界风量。 经改进的燃烧方式可使燃料着火点提前, 有利于挥发 分提前析出, 并在着火阶段形成富燃贫氧区。同时使 烟气在还原区减慢上升速度, 延长了烟气在还原区的 停留时间, 使燃料中有机氮化物有充足的时间发生还 原分解和复合反应, 使 NOX转化为 N2气, 降低 NOX 的生成量。并可使水冷壁形成氧化性气氛, 防止水冷 壁结渣和发生高温腐蚀。 为使锅 炉 安 全 稳 定 运 行, 氧 量 控 制 以 不 低 于 2. 5 为极限值。经低氧燃烧试验, 烟气中 NOX排放 质量浓度平均为358 mg/m3, 比传统的燃烧方式下降 幅度超过 13 [14]。 5 号、 6 号锅炉低氧燃烧试验中, 氧量平均值由 5. 25 下降至 4. 04 , 排烟温度下降5 ℃ , 飞灰中含 碳量下降 0. 19 , 引、 送风机耗电率下降 0. 21 , 制 粉 耗 电 率 下 降0. 07 , 供 电 标 煤 下 降 0. 92 g/ kWh , 以上效果综合计算, 折合锅炉效率 提高 0. 77 。5 号、 6 号两台锅炉按每年供电量 40 108kWh 计算, 每年可节省标煤 1. 38 104t以上。 由于烟气量减少, 经电除尘器烟气流速下降, 提高了 电除尘效率。经电除尘器后烟气质量浓度从低氧燃 烧前150 mg/m3下降至70 mg/m3。 当前, 燃煤锅炉采取低氧燃烧技术的火电厂在日 益增多, 使各厂在 NOX减排及提高锅炉效率方面都 取得了一定成果。 4结论 在采用低氧燃烧技术之前, 必须对原有锅炉进行 技术改造, 使锅炉结构符合低氧燃烧的特点。在采用 此项技术时, 需要对锅炉的效率、 供电煤耗、 飞灰含碳 量、 炉渣含碳量、 厂用电率、 NOX排放浓度进行跟踪对 比。并对水冷壁、 一次风管、 喷嘴进行实地检查。对 锅炉二次风门开度, 一二次风风压、 风温进行调整及 优化, 才能达到节能减排效果, 还可减轻对下一工段 烟气除尘、 脱硫、 脱硝装置的运行压力。 目前, 国内火电厂锅炉采用高温低氧燃烧技术的 厂家较少见。日本已成功开发了高温低氧空气燃烧 的锅炉, 并建造了示范工厂 [11]。采用高温低氧燃烧 技术必须对传统锅炉进行改造; 采用高效蜂窝体式蓄 热室可使预热回收率达 80 以上。改造后, 锅炉内 温度分布均匀, 烟气平均温度提高, 炉内辐射换热得 以强化。省掉了传统锅炉的对流换热段, 使得炉体缩 小, 污染程度显著降低。由于高温空气燃烧能燃用低 热值燃料, 不发生点火困难和熄火问题, 扩大了燃料 适应范围, 并可获得高温、 高压蒸气 [12]。因此, 该技 术具有强大的技术优势与经济性, 以及广阔的应用前 下转第 110 页 601 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 4结语 扩展热电行业软件管理的普及程度与应用深度 具有明显的现实意义。 1 可以提高工作效率与精度, 减少操作人员数 量, 降低操作人员的劳动强度, 减少人为原因造成的 错误与损失。 2 保证管理的严密性, 减少管理漏洞, 保证各指 标的强制性, 从而减少能源浪费。 3 实时了解锅炉、 热网运行情况, 通过远程数据 获取, 操作人员在操作室内就可以随时掌握整个电厂 和热网的运行情况, 也可根据末端供汽品质的要求, 适当调节供汽出口运行参数, 保证锅炉高效率运行, 减少管网的不必要损失; 最后, 通过软件系统进行计 算机自动化管理, 不仅可以提高企业经营管理水平, 而且可以深挖企业内部潜力, 降低生产成本和管理成 本, 做到清洁生产, 提高企业的经济效益和环境效益, 推动热电行业向规范化方向发展, 实现资源利用率最 大化、 污染物产生 排放 最小化。 参考文献 [1]付颖, 宋凯华. 热电联产发展综述[J]. 黑龙江科技信息, 2009 34 5. 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