1、 锅炉技术 BOI LER TECHNOLOG Y VOL 3 1 N O 1 2 De c 2 00 0 燃煤电站锅炉先进的低 N O 燃烧技术 Ad va n c e d Lo w NOx Bur ni ng Te c hno l o g y o f Co a l fir e d Ut i l i t y Bo i l e r I I l 1 陆 方 丁 I 敝 献 增 其 控 制 方 法，着 重 阐 述 空 气 分 段 及 炉 内 燃 料 分 级 的 低 NOx燃 炼缈 i s a n i mp o r t a n t s u b j e c t t o p r e v e n t a
2、i r p o l l u t i o n Fo m a t i on of NO x a n d c o n t r o l m e t h o ds a l e i nt r o du c e d w i t h e mph a s i s o n a i r s t a gi n g a n d i n f ur n a c e f u e l r e b ur ni n g l ow NO x b u r ni n g t e c h n o l o g y Ke y wo r ds：Lo w NOx b urni n g t e ch no l og y Ai r s t agi n
3、 g Fu e l r e bumi ng 0 前言 在 能源利用的过程 中，化石燃料 的燃烧要排 放 出各 种 污 染物。在 排 放 到 大 气 的 污 染 物 中，9 9 的 氮 氧 化 物(NO )、9 9 的 一氧 化 碳(CO)、9 1 的二氧化硫(S O2)、7 8 的二氧化碳(CO 2)、6 0 的粉尘 和 4 3 的碳 化氢是 化石 燃 料燃烧过程产生 的，其 中煤燃烧所产 生的污染物 叉 占大多数 我 国能 源以煤 为主，燃煤 所产生 的 大气 污 染物 占污染 物排 放 总 量 的 比例较 大。例 如，二氧化硫 占 8 7，氮 氧化物 占 6 7，一 氧化 碳 占 7 1，
4、烟尘 占 6 0。燃煤 是我 国污染物 的主 要来源，因此，降低煤燃烧 过程 中 NO 的排 放是 当前防止大气污染 的一项重要 内容。据对我 国大 型锅炉(5 03 0 0 MW)调查结果，燃油炉 NO 为 6 0 01 4 00 mg m(标)，固态 排 渣 煤 粉炉 为 6 0 01 2 0 0 mg m(标)，液 态排 渣炉 为 8 5 0 1 1 5 0 mg m(标)，旋 风炉 为 1 0 0 01 5 0 0 mg m(标)，均 比国外 电 站 机组 的 排 放量 大 我 国 对 1 0 0 0 t h以上 的固态 排渣 煤 粉锅 炉 的 NOx排 放 标准 为 6 5 0 mg
5、 m(标)，与先进 国家最严 的排放 标 准(德 国 2 0 0 mg m(标)，日本 41 0 mg m(标)相 比差 距较大。随着 国家对环境 保护 的 日 益重视，相应 的 NO 排放 标准也要 提高，北京市 于 1 9 9 9年 7月颁布 的地方标 准 为 5 5 0 mg m(标)。所 以说，研 究 出高效低 NO 燃 烧技 术，对 国民经济发 展和 改善生 态环 境有 着 十分 重要 的 现实 意义。1 NO 生成 途径 煤 燃烧 过程 中产生 的氮 氧化物 主要是 一氧 化 氮(NO)和 二氧 化氮(NO )，这 二 者统 称 为 NO 。和 S O2 的生成 机理 不同，在 煤
6、 燃烧 过程 中 氮氧化物 的生成 量和排 放量与煤燃 烧方式，特别 是燃 烧温度 和过量 空气 系数 等燃 烧 条件 关 系密 切。以煤粉燃烧为例，在 不加控制时，液态 排渣炉 的 NO 排放 值要 比固态 排 渣炉 的高得 多，即使 是 固态排渣 炉，燃烧器 布 置方 式不 同时，不 加控 制的 NO 的 排放值也 很不相 同。在煤 燃烧过程 中，生成 NO 的途径 有 3个：收稿 日期：2 0 0 0 0 6 0 5 期 n月 第控 卷 年 籼 维普资讯 http:/ 1 0 锅炉技术 第 3 3 卷(1)热 力型 NO (T h e r ma l NO )，它是 空 气 中的氮气在高
7、温下氧 化而生 成 的 NO ；(2)燃料 型 NO (F u e l NO )，它是燃料 中含有 的氮化 台物 在燃烧过 程 中热分解 而又 接 着氧化 而生成 的NO ；(3)快 速型 NO (P r o mp tNO )，它是 燃 烧 时空 气中 的氮和 燃 料 中 的碳氢 离子 团如 CH 等 反应 生成 的 NO 。图 1是煤 粉 炉中 3种类 型 的 NO ，其各 自 的生成量 的范 围和炉膛温 度 的关 系 由图 可见，煤 粉燃烧所 生成 的 NO 中，燃料型 NO 是最 主 要 的，它 占 No 总生 成量 的 6 0 8 0 以上；热 力型 NO 的生 成和燃 烧温 度 的关
8、 系很 大，在 温 度 足够 高时，热 力型 NO 的生成量 可 占到 NO 总 量 的 2 0；快 速型 NO 在煤 燃烧过 程 中的生 成 量很 小。一1 50 0 曼 星 1 O0 0 1 0 0 0 1 4 00 1 8 0 0 炉 膛 温 度 图 1 煤粉燃烧 中各种类型 NO 的生成量 和 炉 膛 温 度 的 关 系 2 煤燃烧生成的 N O 的一般控制方法 从对 热 力型、燃料 型 和快 速 型 3种 NO 生 成 机理 的介绍 中可 以看出，不 同类型 的 NO 的 生 成机 理 是不 相 同 的，主 要 表现 在 氮 的来源 不 同、生成 的途 径不 同和生 成 的条件 不
9、同，但它 们 之 间又有 一 定 的联 系。3种 NO 在 煤 燃烧过 程 中的情 况很 不相 同。快 速型 NO 所 占 比例不 到 5：在 温 度 小 于 1 3 5 0 时，几 乎没 有 热 力型 NO ，只有 当燃 烧温度超过 1 6 0 0 ，如液态排渣 煤粉炉 中，热力型 NO 才可能 占到 2 5 3 0 而对常规煤燃烧设备，NO 主要 是通过燃料 型 的 生成途 径而 产生 的。因此，控 制和减 少煤燃烧 产 生 的 NO ，主要是控制燃料型 NO 的生成 从燃 料 型 NO 的生成和 破 坏机理 可 知，为 了减 少燃 料型 NO ，不仅要 尽可能地抑制 NO 的生成，对 已
10、生成 的 NO ，还要 创 造条 件尽可 能地促 使 它 们 的破坏 和还 原。控 制 NO 排放 的技 术措施 可 分 为两大类：一类是 一次措 施，即通过 各种技 术 手段，控制燃 烧过程 中 NO 的生成量 另一类是 二 次措施，即将已经 生 成 的 NO 通 过 某种 手段 从烟 气中脱 除掉，从而 降低 NO 的排放量。由于烟 气脱硝 装 置投 资 和运行 费用都 十分 昂贵，不太适 合我 国 的国情，有效 的方 法是 采 用 低 NO 燃烧 技术，这也 是 目前 国际上 的主 流研 究 方 向。纵观 国外 的低 NO 燃 烧技 术 的发 展过 程，可大 致划分 为三代：第 一代低
11、NO 燃烧 技术 不要求对 燃烧 系统做 大 的改动，只是对燃 烧设备 的运行方 式或 部分 运行方式做 调整或改进，如浓 淡 燃烧技术，但 NO 的降低 幅度 十分 有限。第二 代低 NO 燃烧技术 的特征是燃 烧空气分级 送人 燃 烧设备，从 而 降低初始 燃烧 区的氧浓度，通过 焦 炭等将 已生 成 的 NO 部分还 原成 N2，如 国 内 较 多采 用 的 OFA。简 单 的 紧挨 上层 燃烧 器 的 OF A 一般 只能 降低 NO 排放 2 0 左右。第三代 低 NO 燃 烧技术 的主要特征是 空气 和燃料 都分 级送人 炉膛，燃料分级送 人可 在燃烧器区 的下游 形成 一个 富集
12、 NH3 C H、HC N 的低氧还原 区，燃 烧产物 通过 此 区域时，已生成 的 NO 会 部分 地 被还原 为 N2，如 三级 燃 烧技 术，可 使 NO 排 放 降低 6 0 以上 3 空气分段低 NOx 燃烧技术 空气分 段低 NO 燃烧技术 是基于第 二代低 NO 燃烧技 术 发 展 起来 的 先进 低 NO 燃 烧 技 术，图 2所 示 为空气分 段 燃烧 的示意 图，图 3为 空气分段 燃烧 的宴验结果。在 通常 的燃烧方式下(有一定 的过量空气)，在 煤粉 开始燃烧阶段所生 成 的 NO 将基本 维持 不变，如 图 3中 2：1 1 5 的实验 曲线所示，2 指主燃 区的过剩
13、空气系数。采 用空气 分段 燃烧 降低 NO 的原 理是：在 煤 粉 维普资讯 http:/ 第 1 2期 罗永 浩 等：燃 煤 电 站 锅 炉 先进 低 NO 燃 烧 技术 分段风 主燃 区 分段风 主搀 l 区 图 2空气分段燃烧布置示意图 1 O 00 9 OO 8 00 7 00 600 5 00 400 3 00 2 o0 1 0 0 0 000 2 060 81 01 21,41 1 8 2 0Z224 距 燃烧 器 距 离 m 围 3 采用空气分段 低 N 燃烧 的实验结果 的主燃 区中缺氧燃烧，这样在煤粉燃烧 的初始 阶 段，燃料 N 随挥 发份逸 出，先生 成 NO ，然后在
14、 缺氧的 情况下，NO 又被 尚未燃尽 的煤粉 中的焦 碳分解还 原成 N2，最 后在 主燃 区上部 的适 当位 置，喷人燃尽风，将飞灰 中的焦碳 燃尽，如 图 3中 2=0 9 5的实验 曲线所示。分段 出去的燃 尽风 比例越 多，NO 减 少的量也越大，如图 3中 2=O 7 5的实验 曲线所 示，当然相应的飞灰含碳量也 要 增加。采 用空 气分段低 NO 燃烧 技术 的关键 是确 定分 段 风量、位置 和混合，需要通过 数值模 拟来 优化 设 计，从 中找 出最佳 工况。图 4、5为针 对菜 台 3 O O MW 四角切 圆燃烧燃 煤锅 炉采 用空气分 段所进行 的数值 模拟优 化结果。
15、可见 采用空气分 段燃烧可 使原先 7 3 2 mg m 的 NO 排放 降低到 4 0 0 mg m0 以下，甚 至更低。通过优化布 置，如降 到 4 0 0 mg m0 左右，飞灰含碳量 基本 上和原先的 水平 一样 由于空气分 段低 NO 燃烧技术，实施 简单，效果 明显，运行 方便，十分适 台我 国的国情。8o o0 0 薹 。O 0 童 4 0 0 3 0 0 呈1 0。0 5 0 开度 1 o 0 开度 7 0 开度 1 0 0 开度 图 4采用空气分段燃烧改造方案优化 得 出的 NO 排 放 耱 0 0 改造前方案1 方 案1方案2方案2 5 0 开度 1 0 0 开度 7 0
16、开度 1 0 0 开度 图 5 采 用 空 气 分 段 燃 烧改 造 方 案 相应 的飞灰含碳量变化 4 再燃烧技术 所谓再 燃烧技术(Re b u r n i n g Te c h n o l o g y)是 指在 炉膛(燃烧 室)内设 置二次 燃料 欠氧燃烧 的 NO 还 原 区段，以控制 NO 的最 终生成 量 的 一种 准 二次措施”(见 图 6)，该技术所 以也称 为 炉 内燃料分级(区)燃烧技术。由前述的 NO破坏 机 理可知，已生 成的 NO在遇 到烃根 C H 和未完 全 燃烧产 物 CO、H 2、C和 C H 时，会发生 NO 的 还 原 反 应。燃尽风 二趺 燃料 一趺燃料
17、 髂尽风 二次燃料 一趺燃 料 图 6 再 燃烧布置示意图(下转 第 1 9万)维普资讯 http:/ 第 1 2期 李东雄 等：P G6 5 0 t h型锅炉热经济性试验研究 1 9 度要 求控制在 9 O 之 内，在 一次风量 随负荷变化 不大 的情 况 下，配人 的冷风量 增加，同时 分到二 次风箱 的热风量也 只能增加，使炉膛温度维持在 一个 较 高水平，虽有利于 煤粉 的着火 燃烧，但炉 膛出 口及 以后烟道 的烟温也 同时升高，减温 水量 增 大，排烟温 度升 高。控制 二次风 量则送 人 的总 风量将 下 降，排 烟韫 度 仍然升高。这一 问题在高 负荷时最 为明显：空气 预热
18、器人 口风温变 化也会 影响 排烟温 度。计 算表 明送风 温度每升高或降低2，排烟温 度将 升高或 降低 1，夏季送风温度达到5 0 C时，排烟温 度 将升 高 1 01 21 5。从 热 平衡 的角度 看，空气预热器人 口风温 的变化对 锅炉热经济性 的 影 响 可 不 考 虑：3 结 论及建议(1)该炉原设计 为带 基本负荷，燃用高灰分 煤，故炉膛 内布置 的全 部是 水 吹灰器，且布置 在 2 5 m 标 高 以上 机组承担 调 峰任 务后，对低 负荷 时粘结在燃 烧器 区域 的灰渣无法有效吹掉，削弱 了辐射换热强度，而且 当机组长 时问低 负荷运行 时，这 一区域 的灰渣 因自重、炉
19、 内气流扰动、负荷 变化 等因素 而掉落时，可能 引起灭火 回火、损坏 冷灰斗和水拎壁管 等事故，所 以应考 虑在 炉膛 内 增设 蒸汽 或空气 吹灰 器，与水吹灰 器交替使 用，以将热 冲击次数 降至最低 限度并保证 吹灰效果，提高 热经济性(2)锅炉尾部斜烟道存在漏风，其严重程度 已达 到使省 煤器 出 口烟 温降低 4 5 之多，空气 预热器和炉膛 的漏风 也比较 严重，漏风 使烟气热 容 量增加，造成排 烟热损失增加，热 经济性下降。堵漏 是提 高热 效率 的有利 措施。(3)燃 烧系统 存在 的缺陷 已影 响到炉 内辐 射、对 流吸 热量 的分配 比例，对 锅炉 的热经济性 也造成一
20、定影响，应进一步完善燃烧系统(4)风量、风温和风速 的协调控制对组织好 燃 烧 至关 重要，目前情 况下，高 负荷 时应注意缺 风 运 行问题，低 负荷时 应注意 减小二 次风量，以 减小排烟 热损失。参考文献【1】岑可法，樊建、，池作 和，沈珞蝉锅炉和热交 换器 的 藏 结渣 磨损和腐蚀的防止原理与计算北京：科学出版 社 1 9 9 8 2 孙亦酥煤中矿物杂质对锅炉的危害北京：水利电力出 版社 1 9 9 4 【3】岑可法 锅炉燃烧试验研究方法亚洲量技术北京：水利 电 力出版杜，1 9 9 2 【4 冯俊凯，沈幼庭锅炉原理及计 算f 第二版)北京：科学 出版社，1 9 9 2 5 毛键雄，毛
21、键生，赵树 民煤的清洁燃烧北京：科学出版 杜 1 9 9 8 李东雄 男，1 9 6 9 年出生 太原电力高等专科学校动 力系 讲师 主要从事煤燃烧与污染防治方面的研究(上接 第 1 1 页)利用这 一原理，将 8 0 8 5 的燃料送人 第 一级 燃 烧 区，在 1 的 条件 下 燃 烧 并 生 成 NO 。送人 一级 燃烧 区 的燃料 称 为一次燃料，其 余 1 5 2 O 的燃料 则在 主燃 烧 器的上 部送人 二级燃烧 区，在 1的条件下形成很 强 的还 原 性气 氛，使 得在 一缓 燃 烧 区中生成 的 N0 在二 级燃烧 区内被还 原成氮分子(N2)。二级燃烧 区又 称 再 燃 区
22、，送 人 二级 燃 烧 区 的燃料 又 称二 次 燃 料 或称再 燃燃料。在再 燃区中不 仅使得 已生成 的 NO 得 到还 原，同时还 抑制 了新 的 NO 的生 成，可 使 NO 的排放浓 度 进 一步 降低。最后，燃 烧产物进人 燃尽 区，送 人燃尽风(OF A)，达到最 终 完全 燃烧 目的。燃 尽 过程 中 重新 生成 少 量 的 NO，但总 的来 看，使 用炉内再 燃烧技术后，煤粉 炉最 终 NO 排放量可在 主燃烧 区采用低 NO 燃 烧器后 降低 NO 生成量 的基础上，再减少 5 0 7 0 的排放量。罗永浩男，1 9 6 2 年 2月出生 副教授，博士，主要从事煤 的清洁燃烧，节能技术 过热器、再热器超温爆管方面的研究 维普资讯 http:/
