燃煤锅炉低NO_x排放技术及其试验研究.pdf

第1 卷第1 期 2 0 0 1 年5 月 浙江树人大学学报 J O U R N A LO FZ H E J I A N GS H U R E NU N I V E R S r r Y V 0 1 ．1 ．N o ．I M a y ．2 0 0 1 1 前言 燃煤锅炉低N O x 排放技术及其试验研究 魏恩宗 浙江树人大学，浙江杭州3 1 0 0 1 5 摘要降低燃煤锅炉的N O x 氮氧化物 排放是环境保护的一项重要内容。本文研究了煤 燃烧过程中N 0 x 的形成机理，介绍了煤燃烧生成的N 0 x 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N 0 x 排放的实际 效果及其影响因素。 关键词燃煤锅炉；N 0 x 排放；分级燃烧；环境保护；试验 中图分类号T K 2 2 9 ．6文献标识码B 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，9 9 ％的氮 氧化物 N 0 x ，9 9 ％的一氧化碳 C O ，9 1 ％的二氧化 硫 S o ， ，6 0 ％的粉尘及4 3 ％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6 7 ％，对大气造成严重污染。母此， 降低燃煤锅炉的N O x 排放是环境保护的一项重要 内容。 调查结果表明在我国，燃油炉N O x 排放为6 0 0 ～1 4 0 0 m g ／m 3 N ，固态排渣煤粉炉为6 0 0 ～ 1 2 0 0 m g ／m 3 N ，液态排渣炉为8 5 0 ～1 1 5 0 m g ／m 3 N ，旋风炉为1 0 0 0 ～1 5 0 0 m g ／m 3 N ，都比国外锅 炉的排放量大。目前，我国对1 0 0 0 t A n 以上的固态 排渣煤粉炉的N O x 排放标准为6 5 0 r n g ／m 3 N ，而德 国要求2 0 0 m g ／m 3 N ，日本要求4 1 0 m g ／m 3 N 。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，研究煤燃烧过程中N O x 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。 2 N O x 的形成机理及其控制方法 2 ．1 N O , 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 N O 和二氧化氮 N C h ，二者统称为N O x 。与 S 0 2 的生成机理不同，煤在燃烧过程中，N O ，的生成 量和排放量与煤的燃烧方式，特别是燃烧温度和过 量空气系数等燃烧条件密切相关。以煤粉燃烧为 例，在不加控制时，液态排渣炉的N o x 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N O x 排放值也不同。 研究表明，氮氧化物的生成途径有以下三个 ①热力型N O 。 T h e r m a lN o x ，它是指空气中的 氮气在高温下氧化而生成的N Q 。 ②燃料型N o x F u e lN O x ，它是指燃料中含氮 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N O x 。 ③快速型N O x P r o m p tN O x ，它是燃烧时空气 收稿日期2 0 0 1 0 3 0 2 作者简介魏恩宗 1 9 6 5 一 ，男，浙江树人大学轻工与环保学院副教授，浙江大学在读博士生。 万方数据 第1 期魏恩宗燃煤锅炉低N 0 。排放技术及其试验研究 6 7 中的氮和燃料中的碳氢离子团如C H 等反应生成的 N O x 。 热力型N O x 的生成机理遵从捷里多维奇 Z e l 。 d o v i c h 机理。捷里多维奇认为，热力型N O x 是一个 由氧原子引发的自由基链反应 o 十N 2 一№ N 1 N 0 2 一 j D O 2 o E Z ≥ E 一 ＼ o Z 1 5 0 0 1 0 0 0 1 0 0 01 4 0 0 1 8 0 0 炉腥温度／x 2 图1 煤粉燃烧中各№生成量与炉膛温度的关系 在反应中，氮原子只能从 1 式产生，而不能通 过氮的分解产生。 1 式的反应活化能值大，控制着 反应进行的速度。热力型N O , 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 3 0 0 ℃时，几乎看不到N O 的生成反应，N O x 生成量 很小，只有当温度高于1 3 0 0 ℃以上，N O 的生成反应 才逐渐明显，N 0 x 生成量逐渐增大 图1 。因此，在 一般的煤粉炉固态排渣燃烧方式下，热力型N o Y 所 占的比例极小。燃料型N o x 是N O x 的主要组成部 分，大约占6 5 ％- - 8 5 ％以上。燃料型N O ．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H e i n 教授认为燃料型 N O x 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N O x 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N o x 的降低产生积极的作 用 图2 。快速型N O 。是煤燃烧时产生的烃 C N j 等撞击燃烧空气中的N 2 分子而产生C N 和H C N ，然 后它们再被氧化生成N O x 。因为快速型N O x 占总 N O Y 的比例通常在5 ％以下，故在煤粉炉中可不予 考虑。 气相N I - K N ，m ll 固相N 焦炭N 均 相 反 应 快 萎匦 氧L 箐 N 2 还原性C C _ d - k n N - I I I 延N ⋯ 贫 氧 多 相 反 应 慢 图2 煤粉燃烧过程中燃料氮的转化 2 ．2 N o , 的控制方法 根据N O , 的形成机理，不同类型的N O , 其生成 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。三种N O ．在煤燃烧过程中的生成情况很不相 同。快速型N O , 所占比例不到5 ％；在温度低于 1 3 0 0 ℃时，几乎没有热力型N O x 。对常规燃煤锅炉 而言，N O , 主要是通过燃料型的生成途径而产生的。 因此，控制和减少N O , 在煤燃烧过程中的产生，主 要是控制燃料型N O x 的生成。从燃料型N O , 的生 成和破坏机理可知，为了减少燃料型N O , 的生成， 既要尽可能地抑制N o x 的生成，又要尽可能地破坏 和还原已生成的N O x 。控制N O x 排放的技术措施可 以分为两大类一次措施和二次措施。所谓一次措 施，是通过各种技术手段降低燃烧过程中的N O , 生 成量；所谓二次措施，是将已经生成的N O , 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，包括以下三个方面①通过改变燃烧条件降低 N O x 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 素以及喷入水蒸气等方法；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。 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N O x 燃烧技术。综观国外的低N O , 燃烧技术，其发展过 甲R 万方数据 浙江树人大学学报第1 期 程大致可分为三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N O x 的 降低幅度很有限；第二阶段是燃烧空气分级送人燃 烧设备，如国内较多采用的O F A ，简单的紧挨上层燃 烧器的O F A 一般只能降低N o x 排放2 0 ％左右；第 三阶段是空气和燃料都分级送人炉膛，燃料分级送 入可在燃烧器区的下游形成一个富集N I - 1 3 、C n H m 和H C N 的低氧还原区，燃烧产物通过这个区域时已 形成的N Q 被部分还原为氮气 N 2 ，例如三级燃烧 技术可使N o x 排放降低6 0 ％以上。本文介绍的试 验研究采用空气分级燃烧技术。 2 ．3 空气分级燃烧脱硝的原理 根据上述可知，燃煤锅炉的N O x 排放主要是燃 料型N O x ，其形成过程主要是在燃料的挥发份析出 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，N O x 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N O 。的形成。燃料完 全燃烧所需要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 o F A 方式 燃烬区 总风量 的1 5 ％一2 0 ％ 主燃烧空气 煤／_ 次风 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N O Y 的排放量，而且可使 炉墙附近处于氧化性气氛，这对避免水冷壁的高温 腐蚀及因还原性气氛使灰熔点下降而导致的燃烧器 附近的结渣是有利的。 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。 完全燃烧3 试验研究 低氮燃烧 产生 还原性物质 图3 沿烟气流向分级燃烧示意 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7 0 ％- - 8 5 ％，另一 部分为火上风 o F A ，约占总二次风量的1 5 ％～ 3 0 ％。因此，炉膛内的燃烧分成三个区域，即热解 区、贫氧区和富氧区 图3 。 试验在内蒙古乌拉山发电厂的3 号锅炉上进 行。 3 ．1 设备概况 乌拉山电厂3 号锅炉，是武汉锅炉厂制造的 W G z 4 1 0 ／1 0 0 1 2 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 时搀烧大量的小窑煤。实际燃煤的含氮量为1 ． 0 1 ％，挥发份含量 Ⅵ。， 为3 1 ．7 7 ％。由于燃烧采用 高温 1 2 0 0 ～1 4 0 0 ℃ 、高氧 O 4 ～7 的运行方式， 煤中的氮基本上全部转化为N q 。进行空气分级燃 烧改造前3 号炉N O x 排放情况见表1 。 万方数据 第1 期魏恩宗燃煤锅炉低N O ，排放技术及其试验研究 表1 锅炉分级燃烧改造前N O x 排放情况 负荷 1 0 0 M W9 0 M W7 0 M W 温度 ℃ 1 2 1 01 1 7 01 3 0 7 燃烧器出口 1 1 r 1 ．1 21 ．2 21 ．6 1 温度 ℃1 1 2 01 1 1 51 0 4 0 炉膛出口 a l 1 ．2 11 ．2 81 ．6 9 N 0 2 排放浓度m g ／r n 3 7 ％0 2 8 6 8 ．31 0 8 4 ．39 8 2 ．8 3 ．2 锅炉空气分级燃烧系统 在空气分级燃烧技术中，炉膛上部燃烬风口的 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N O x 的形成和锅炉燃烧效率具有决 定性影响。当燃用挥发份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 烬风喷口的高度应低一些；当燃用挥发份高的烟煤 和褐煤时，为了提高脱硝效率，燃烬风口可高一些。 根据现有组织分级燃烧的经验，可使用下式粗略估 计燃烬风喷口距燃烧器最上层喷口的距离 H 1 ．5 ％r ／1 0 “3 3 取U f 3 1 ．7 7 ，计算得H ≈2 ．7 m 。为了实现空气 分级燃烧，对锅炉的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 1 5 ％ 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2 2 。。另外，考虑到炉膛2 2 m 处现有 的8 个吹灰孑L 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烬风喷口，喷口直径 为1 5 0I T l l 2 q 按设计值应为2 7 0 m m ，但受现场条件 和施工工期的限制，只能取1 5 0 m m ；燃烬风取自环 型总二次风联箱。这样最终能提供的燃烬风份额大 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调整例如维持炉膛 出口过量空气系数1 ．1 5 左右，尽可能增大燃烬风比 例，适当增大含粉三次风的风速等。 3 ．3 试验结果及讨论 对锅炉进行空气分级燃烧改造后，我们在不同 负荷、不同运行条件下进行现场试验，详细考察了空 气分级燃烧的脱硝效果及有关影响因素。 3 ．3 ．1 燃烬风份额的影响 在7 0 ％负荷下，控制炉膛出口过量空气系数为 1 ．1 5 ，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N O x 浓度。测试结果见表2 。 表2 燃烬风量对脱硝率的影响 二次风燃烬风 N 0 x 浓度 r n g ／m 3 脱硝率 ％ 档板开风速 度 ％ m ／s 过热器后预热器后过热器后预热器后 1 0 02 5 ．0 7 2 9 ．0 2 5 ．8 2 6 03 9 ．85 1 1 ．05 1 6 ．34 5 ．5 04 7 ．4 7 3 04 6 ．24 8 4 ．54 8 5 ．54 8 ．3 05 0 ．6 0 表2 说明二次风挡板开度越小，燃烬风份额越 大，因而主燃烧区氧气浓度也就越低，此时N O x 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，可以明显地增大燃烬风的份额，有 效地降低主燃烧区的氧量，较好地实现分级燃烧，显 著地提高了脱硝率 大约为2 5 ％ ，达到了5 0 ．6 0 ％ 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1 0 0 ％负荷下，脱硝率只能达到约 3 0 ％。 3 ．3 ．2 二次风分布的影响 在7 0 ％、9 0 ％和1 0 0 ％负荷下，关闭燃烬风，测 试分级燃烧改造前后烟气中 空气预热器后 N O x 的 浓度。结果见表3 。 表3 二次风分布对N O , 浓度的影响 负荷 烟气中N O x 浓度 m g ／m 3 脱硝率 ％喷口中无导流板喷口中有导流板 ％ 1 0 08 6 8 ．3 6 9 1 ．0 2 0 ．4 2 9 01 0 8 4 ．39 4 5 ．01 2 ．8 5 7 09 8 2 ．87 2 9 ．02 5 ．8 2 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4 5 。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1 5 ％- - 2 0 ％ 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N O x 的生成 量。表3 说明了二次风远离燃烧中心可导致1 3 ％～ 2 5 ％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 的高温腐蚀和因灰熔点的降低而导致的炉膛结渣都 有良好的作用。 万方数据 7 0浙江树人大学学报第1 期 3 ．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，火焰中形成的 N O x 越多，脱硝率越小，详见表4 。 表4 炉膛氧量对烟气n _ 文浓度的影响 m g ／秆 负荷 ％ 炉膛出口氧量 ％ 1 0 08 07 0 1 ，37 2 0 ．0 3 ．28 5 5 ．0 5 ．55 1 2 ．0 6 ．66 8 8 ．0 7 ．14 7 5 ．0 7 ．55 1 0 ．0 3 ．3 ．4 负荷对N o x 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 N o x 的浓度。 试验结果见表5 。 表5 负荷对烟气N Q 形成的影响 负荷炉膛出口氧量N O x 浓度燃烬风份额 ％ ％ m g ／m 3 r f ％ 1 0 0 2 ．4 8 1 4 ．83 ．9 2 8 02 ．56 1 5 ．04 ．9 1 7 02 ．84 7 0 ．06 ．7 8 表5 说明在炉膛出口氧量及其运行条件基本相 同的情况下，负荷越大，空气分级燃烧的燃烬风份额 越小，因而燃烧过程生成的N O x 越多。 3 ．3 ．5 三次风对N O x 生成的影响 试验表明磨煤机的投停对于烟气中N Q 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 风量由零增加到1 6 ％，这意味着部分燃烧空气被分 流到燃烧中心上方，主燃烧区域处于缺氧状态，抑制 了N O x 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N 0 还原分解。这两者共同作用 的结果，使得N o x 的排放量明显减少。 表6 三次风投停对N O , 形成的影晌 两台磨煤机运行方式烟气中N O x 浓度 m g ／m 3 全部投运6 0 8 ．0 全部停运8 5 5 ．0 脱硝率2 8 ．9 参考文献 [ 1 ] 毛健雄等．煤的清洁燃烧[ M ] ．科学出版社，1 9 9 8 ． [ 2 ] 曾汉才．大型锅炉低N G 燃烧技术的最新进展[ J ] ．发电设备， 1 9 9 3 ，4 2 ． [ 3 ] 罗永浩等．燃煤电站锅炉先进的低N O 。燃烧技术[ J ] ．锅炉技 术，2 0 0 0 ，3 1 1 2 ． [ 43 W ．A ．B e n e c ha n dF a r w i c h ．M o d e mF i r i n gC o n c e p t si nS T E A G P o w e r P l a n t s [ J ] ．V G B P o w e r T e c h ，1 9 9 8 ， 1 2 4 4 - - 4 8 ． L o wN O xE m i s s i o nT e c h n o l o g yf o rC o a l 。h e a t e d B o i l e ra n dI t sE x p e r i m e n t a lR e s e a r c h W E IE n z o n g L 渤tI n d u s t r ya n dE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o nC o l l e g eo f 2 h e j i a n gS h u r o zU n i v e r s i t y ，H a n g z h o u ，Z h e j i a n g ，3 1 0 0 1 5 ，C h i n a A b s t r a c t R e d u c t i o no fN O xe m i s s i o nf o rc o a l f i r e db o i l e ri sa ni m p o r t a n ts u b j e c tt op r o t e c te n v i r o n m e n t ．T h i sp a p e ra n a l y s e s t h em e c h a n i s mo fN O xf o r m a t i o ni nc o a lb u r n i n g ，a l s oi ti n t r o d u c e st h ec o l n i n o nm e t h o d st Oc o n t r o lN O xe m i s s i o na n dt h e p r i n c i p l eo fa i rc l a s s i f i e dc o m b u s t i o n ．T e c h n i c a lr e f o r m a t i o ni nap l a n ti sc o n d u c t e df o re x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ．a n dt h er e a le f f e c t sa n di n f l u e n t i a lf a c t o r sa r ec h e c k e db ye x p e r i m e n tt or e d u c eN 0 xe m i s s i o nf o rc o a l f i r e db o i l e ra d o p t i n ga i rc l a s s i f i e d c o m b u s t i o nt e c h n o l o g y ． K e yw o r d s c o a l f i r e db o i l e r ；N O xe m i s s i o n ；c l a s s i f i e dc o m b u s t i o n ；e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ；e x p e r i m e n t 万方数据