第三章 煤粉爐低氮氧化物燃燒技術(shù)_第1頁
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文檔簡介

1、常規(guī)燃煤粉火電廠常規(guī)燃煤粉火電廠低氮氧化物燃燒技術(shù)低氮氧化物燃燒技術(shù)第一節(jié) 概述一、氮氧化物排放的現(xiàn)狀表 31 燃煤火力發(fā)電廠 NOX的排放濃度范圍燃燒系統(tǒng)NOX排放值(mg/m3)固態(tài)排渣爐6001200直流燃燒器旋流燃燒器60010008501200液態(tài)排渣爐9501800直流燃燒器旋流燃燒器900130013002000褐煤爐500680流化床鍋爐200700爐排爐300800二、控制氮氧化物排放的技術(shù)煤粉爐的特點(低NOx燃燒改進技術(shù)的意義): 成熟性 經(jīng)濟性 可靠性低NOx燃燒的特點:初投資較低 運行費用低 排放幅度有一定限制(1)低氮氧化物燃燒技術(shù)(2)脫除氮氧化物的煙氣控制技術(shù)初

2、投資大運行費用高第二節(jié) NOx的生成機理和降低NOx的理論依據(jù)一、影響氮氧化物的因素煤中氮化合物和空氣中氮氣與燃燒空氣中的氧氣在高溫燃燒過程中生成 鍋爐的容量和結(jié)構(gòu)鍋爐的燃燒設(shè)備燃燒的煤種爐內(nèi)溫度水平和氧濃度分布1. 鍋爐的運行方式等 圖31 不同燃燒方式和煤種的NOX排放濃度比較二、煤燃燒中NOX的生成途徑、類型與機理 (一)NOX形成途徑:煤中雜環(huán)氮化物在高溫火焰中熱分解,氧化生成NOX燃燒空氣中的氮氣在高溫與氧發(fā)生反應(yīng)生成NOX 同時,部分NOX被還原成N21. 何種反應(yīng)占優(yōu),取決于反應(yīng)環(huán)境(氧化氣氛、還原氣氛、反應(yīng)溫度等) (二)NOX的類型熱力型NOX(溫度型NOX ) 高溫下,燃燒

3、空氣中的氮氧化生成 溫度對NOX生成速率的影響呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,1600時,NOX占爐內(nèi)生成量25%30% 生成速率與氧濃度的平方根成正比 HNOOHNONOONNNONOMOMO22222RTQnmexp2 10反應(yīng)物反應(yīng)物2、燃料型NOX 燃料中氮化合物在燃燒中熱分解氧化生成,同時存在NO的還原反應(yīng) 煤燃燒產(chǎn)生NOX總量中70%80%來自燃料型 與煤特性、煤中氮化合物存在的形態(tài)有關(guān),兩種形態(tài):揮發(fā)性氮、焦炭氮 與燃料中氮熱解時在揮發(fā)份和焦炭中分配比例和各自的成分有關(guān) 與氧濃度密切相關(guān),燃燒溫度有一定的影響 燃料型燃料型NOx轉(zhuǎn)化率的影響因素轉(zhuǎn)化率的影響因素 煤質(zhì)因素: 燃料中氮的含量; 固態(tài)

4、碳與揮發(fā)分的含量之比; 煤的揮發(fā)分。 燃燒設(shè)備運行參數(shù)因素: 過量空氣系數(shù); 溫度的影響。3、快速型NOX燃料產(chǎn)生CH原子團撞擊N2分子,生成CN類化合物,進一步氧化成NO 對溫度的依賴程度很弱 生成量要少得多 燃用不含氮的碳氫燃料時考慮 NOX(mg/m3)1500100050001000 1400 1800 2000溫度(溫度()熱力型熱力型NOX燃料型燃料型NOX快速型快速型NOX圖圖33 熱力型熱力型NOX、燃料型、燃料型NOX與快速型與快速型NOX與火焰溫度的關(guān)系與火焰溫度的關(guān)系三、抑制NOX生成的理論依據(jù)與基本策略 1、抑制熱力型NOx的基本策略: (1)降低火焰峰值溫度 (2)降

5、低最高溫度區(qū)域的局部氧濃度 (3)降低燃料在最高溫度區(qū)域的停留時間 2、抑制燃料型NOx的基本策略: (1)抑制NOx的生成(同上) (2)創(chuàng)造利于NOx還原的條件(富燃料) 3、利用再燃燃料還原NOx 改進鍋爐燃燒運行參數(shù) 燃燒空氣分級技術(shù) 組織爐內(nèi)燃料分級再燃還原NOX第三節(jié) 燃煤粉電站鍋爐降低NOX的燃燒技術(shù)措施(一)改進鍋爐燃燒運行參數(shù)對鍋爐燃燒裝置的運行方式和運行參數(shù)合理的調(diào)整和改進 應(yīng)用于現(xiàn)有的鍋爐設(shè)備、簡單易行降低NOX的幅度比較有限 1、低過量空氣系數(shù)運行最簡單、最基本技術(shù)措施,不需改造燃燒設(shè)備有效降低燃料型NOX燃燒過程的優(yōu)化調(diào)整與燃燒器的優(yōu)化運行鍋爐排煙損失相應(yīng)減低 安全經(jīng)

6、濟問題:受熱面結(jié)渣、金屬腐蝕、爐內(nèi)傳熱、汽溫特性變化及飛灰可燃物增加 2、降低燃燒器區(qū)域的火焰峰值溫度(1)燃燒器區(qū)域的煙氣再循環(huán)低溫?zé)煔猓偀煔饬?0%)送入爐膛燃燒器區(qū)域,降低火焰峰值溫度,熱力型NOX減少煙氣稀釋了燃燒氧氣,降低局部氧濃度,燃料型NOX降低 (2)降低預(yù)熱空氣溫度(對燃氣)3、部分燃燒器運行方式 燃燒器區(qū)域?qū)崿F(xiàn)富燃料燃燒,上層送入的空氣形成分級燃燒,減少熱力NOX和燃料型NOX的生成量。 (二)燃燒空氣分級技術(shù)1、空氣分級技術(shù)分為燃燒器上的空氣分級爐內(nèi)空氣分級2、技術(shù)特點 最廣泛、技術(shù)成熟的主流低NOX燃燒技術(shù),我國300MW以上鍋爐均采用,效果良好 燃燒器設(shè)計中單獨采用

7、(低NOX燃燒器) 整體爐膛配風(fēng)(低NOX爐膛) 3、基本原理 鍋爐總體過量空氣系數(shù)較低 主燃燒區(qū)域局部缺氧燃燒環(huán)境,抑制NOX生成和有利于NOX還原燃燒速度和溫度降低,熱力型NOX減少,含氮中間產(chǎn)物HCN和NH3將部分NO還原成N2,抑制燃料型NOX 主燃燒區(qū)后富氧燃燒區(qū),確保燃料燃盡殘留的氮富氧下氧化成NOX,但火焰溫度較低,NOX生成量有限 與空氣不分級燃燒相比,減少20%30%NOX 4、實施空氣分級技術(shù)的主要影響 飛灰可燃物有可能增加,燃燒效率降低 燃燒器區(qū)富燃料造成的還原氣氛有加劇水冷壁結(jié)渣和金屬高溫腐蝕的可能 火焰變長可能使爐膛出口煙溫升高,對過熱汽溫和再熱汽溫特性帶來影響 *

8、過量空氣系數(shù)存在最佳值(小于1)* 揮發(fā)份高的煤降低NOX的效果比揮發(fā)份低的煤更明顯 5、燃燒器上的空氣分級各種類型的低NOX煤粉燃燒器已有十數(shù)種 (1)直流燃燒器四角布置切圓燃燒火焰充滿好,火焰峰值溫度較低,NOX排放少 同軸燃燒技術(shù)(同軸燃燒技術(shù)(CFSCFS)或徑向空氣分級燃燒)或徑向空氣分級燃燒: :* *二次風(fēng)向外偏轉(zhuǎn)一個角度,形成一個與一次風(fēng)同軸但直徑較大的切二次風(fēng)向外偏轉(zhuǎn)一個角度,形成一個與一次風(fēng)同軸但直徑較大的切 圓圓* *二次風(fēng)向外偏轉(zhuǎn)后,在噴口出口處推遲二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合,一次風(fēng)二次風(fēng)向外偏轉(zhuǎn)后,在噴口出口處推遲二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合,一次風(fēng) 切圓形成缺氧燃燒的火球切圓形成

9、缺氧燃燒的火球* *偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)切圓與一次風(fēng)切圓旋轉(zhuǎn)方向相同偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)切圓與一次風(fēng)切圓旋轉(zhuǎn)方向相同* *偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)切圓與一次風(fēng)切圓旋轉(zhuǎn)方向相反偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)切圓與一次風(fēng)切圓旋轉(zhuǎn)方向相反* *偏轉(zhuǎn)角大,偏轉(zhuǎn)角大,NOXNOX減排大,但飛灰可燃物增加,減排大,但飛灰可燃物增加,2525度度一次風(fēng)一次風(fēng)二次風(fēng)二次風(fēng)(a)一次風(fēng)一次風(fēng)二次風(fēng)二次風(fēng)(b)圖圖34 同軸燃燒系統(tǒng)一、二次風(fēng)射流方向示意圖同軸燃燒系統(tǒng)一、二次風(fēng)射流方向示意圖(a)一二次風(fēng)同向;()一二次風(fēng)同向;(b)一二次風(fēng)反向)一二次風(fēng)反向一次風(fēng)一次風(fēng)直吹二次風(fēng)直吹二次風(fēng)一次風(fēng)一次風(fēng)反切二次風(fēng)反切二次風(fēng)一次風(fēng)一次風(fēng)反切二次風(fēng)反切二次風(fēng)一次風(fēng)一次風(fēng)

10、反切二次風(fēng)反切二次風(fēng)一次風(fēng)一次風(fēng)反切二次風(fēng)反切二次風(fēng)頂部風(fēng)(頂部風(fēng)(OFA)消旋二次風(fēng)消旋二次風(fēng)一次風(fēng)一次風(fēng)反 切 二 次反 切 二 次風(fēng)風(fēng)(b)圖圖35某某300MW鍋爐同軸燃燒系統(tǒng)一、二次風(fēng)噴口布置示意圖鍋爐同軸燃燒系統(tǒng)一、二次風(fēng)噴口布置示意圖消 旋 二 次消 旋 二 次風(fēng)風(fēng)直 吹 二 次直 吹 二 次風(fēng)風(fēng)一次風(fēng)一次風(fēng)濃淡煤粉燃燒技術(shù) 一次風(fēng)煤粉氣流分成兩股不同煤粉濃度氣流 一部分燃料富燃料燃燒 一部分燃料富空氣燃燒 直流燃燒器:水平濃淡燃燒、垂直濃淡燃燒 旋流燃燒器:徑向濃淡燃燒 水平濃淡燃燒 濃相煤粉氣流噴入向火側(cè),稀相氣流噴入背火側(cè) 雙重降低NOX:燃燒器出口組織濃淡燃燒,降低NOX

11、濃相氣流形成內(nèi)側(cè)切圓富燃料燃燒,還原氣氛,降NOX排放量 改善著火條件,燃燒穩(wěn)定,降低飛灰可燃物含量,可維持水冷壁附近的氧化性氣氛 稀相一次風(fēng)稀相一次風(fēng)濃相一次風(fēng)濃相一次風(fēng)圖圖36 一次風(fēng)水平濃淡燃燒示意圖一次風(fēng)水平濃淡燃燒示意圖垂直濃淡燃燒 垂直方向上形成濃淡燃燒 降低NOX生成 在燃燒器出口處設(shè)置不同形式的鈍體結(jié)構(gòu),形成穩(wěn)定的回流區(qū) 回流區(qū)煙氣使初始段濃淡氣流分隔開 煤粉火焰在較寬負荷變化內(nèi)維持穩(wěn)定 一次風(fēng)煤粉氣流一次風(fēng)煤粉氣流上下濃淡隔板上下濃淡隔板V型擴流錐噴口型擴流錐噴口鋸齒形鋸齒形V型括流錐噴口型括流錐噴口垂直濃淡煤粉燃燒器(垂直濃淡煤粉燃燒器(WR燃燒器)燃燒器)(2)旋流燃燒器

12、 傳統(tǒng)旋流燃燒器一、二次風(fēng)過早強烈混合 火焰短,放熱集中,易出現(xiàn)局部火焰峰值 比四角直流燃燒器的NOX排放量高得多低NOX基本型雙調(diào)風(fēng)煤粉燃燒器*燃燒器出口實現(xiàn)空氣逐漸混入煤 粉空氣氣流,*合理控制燃燒器區(qū)域空氣與燃料 的混合過程,*抑制燃料氮轉(zhuǎn)化為NOX和熱力型 NOX 雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器空氣分級示意圖雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器空氣分級示意圖空氣煤粉氣流爐膛特點 燃燒不同區(qū)段控制在射流軸向的不同位置 適當延遲燃燒過程 降低火焰的峰值溫度和降低燃燒的強度 形成核心為富燃料、四周為富氧穩(wěn)定火焰 有穩(wěn)定燃燒,也減少NOX的排放 根據(jù)煤的燃燒特性,合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計,控制燃燒器一次風(fēng)和二次風(fēng)氣流動量一次風(fēng)煤粉氣流一

13、次風(fēng)煤粉氣流外層二次風(fēng)調(diào)節(jié)器外層二次風(fēng)調(diào)節(jié)器內(nèi)層二次風(fēng)旋流器內(nèi)層二次風(fēng)旋流器點火用油燃燒器點火用油燃燒器圖圖39 雙調(diào)風(fēng)旋流式煤粉燃燒器的典型結(jié)構(gòu)雙調(diào)風(fēng)旋流式煤粉燃燒器的典型結(jié)構(gòu)(3)沿爐膛高度的空氣分級 爐膛下部燃燒區(qū)欠氧燃燒,直流與旋流均可用 80%理論空氣量從爐膛下部燃燒器送入送風(fēng)量小于燃料完全燃燒空氣量,富燃料燃燒空氣不足,使燃料型NOX降低燃燒器區(qū)火焰峰值溫度較低,局部氧濃度較低,熱力型NOX減少 20%空氣燃盡風(fēng)OFA(頂部風(fēng))送入,燃料燃盡 燃盡風(fēng)可與主燃燒器一體布置,或與主燃燒器相隔一定距離獨立設(shè)置與主燃燒器一體的與主燃燒器一體的OFA第二次生成的第二次生成的NOXNOXNOX

14、被還原被還原NOXNOX圖圖310 燃燒器分級配風(fēng)的噴口布置示意和燃燒器分級配風(fēng)的噴口布置示意和NOX的還原過程的還原過程上部二次風(fēng)上部二次風(fēng)SOFA主燃燒器主燃燒器(三)利用再燃燃料還原NOX1、基本原理 根據(jù)NOX的還原機理,利用某種合適的燃料作為NOX的還原劑,噴入爐膛內(nèi)的合適位置,可還原一部分NOX 作為鍋爐的一部分燃料在爐內(nèi)燃燒放熱 減排NOX的效果明顯 我國近期在大型電站鍋爐示范推廣2、爐內(nèi)燃料分級再燃與還原NOX的過程 將燃燒所需燃料的80%左右經(jīng)主燃燒器送入燃燒器區(qū)域 其余20%左右的燃料作為還原燃料送入爐膛上部區(qū)域 上部再送入相應(yīng)的空氣作為燃盡風(fēng) 三個區(qū)域: 主燃燒區(qū)、再燃還

15、原區(qū)和燃盡區(qū)3、還原燃料 主要是氣體燃料(天然氣等) 煤粉作為再燃燃料(同種或異種、超細)主燃燒區(qū)主燃燒區(qū)燃盡區(qū)燃盡區(qū)還原區(qū)還原區(qū)主燃燒器主燃燒器再燃燃料再燃燃料燃盡風(fēng)燃盡風(fēng)NO,CO2,H2O,O2,SO2,灰,灰N2,NONON2NOX濃度濃度圖圖311 再燃與還原再燃與還原NOX技術(shù)的示意技術(shù)的示意20%入爐燃料入爐燃料80%入爐燃料入爐燃料一次燃料一次燃料二次燃料二次燃料燃盡風(fēng)燃盡風(fēng)一次風(fēng)一次風(fēng)主燃燒區(qū)主燃燒區(qū)燃盡區(qū)燃盡區(qū)40%NOX再燃還原區(qū)再燃還原區(qū)100%NOX圖圖312 爐膛內(nèi)燃料分級燃燒過程爐膛內(nèi)燃料分級燃燒過程低低NOX燃燒器燃燒器調(diào)節(jié)風(fēng)口調(diào)節(jié)風(fēng)口上部燃盡風(fēng)上部燃盡風(fēng)再燃噴口再燃噴口前墻前墻后墻后墻圖圖313 采用爐內(nèi)再燃技術(shù)的噴口布置示意圖采用爐內(nèi)再燃技術(shù)的噴口布置示意圖再燃技術(shù)再燃技術(shù)低低NOX燃燒器燃燒器分級配風(fēng)分級配風(fēng)先進的低先進的低NOX燃燒器燃燒器無控制措施或簡單措施無控制措施或簡單措施1990年 1995年 2000年mg/m316001400120010008006004002000圖314 各種低NOX燃燒技術(shù)的爐內(nèi)NOX水平(煙煤)第四節(jié) 常規(guī)火電廠氮氧化物排放控制技術(shù)改造存在的

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