空氣分級燃燒技術(shù)在燃燒器低NO_x改造中的應用_圖文

1、空氣分級燃燒技術(shù)在燃燒器低N O x 改造中的應用才雷1,滕生平1,祖興利1,章明川2,范衛(wèi)東2(1.大唐國際北京高井熱電廠,北京100041;2.上海交通大學,上海200240摘要:空氣分級燃燒技術(shù)是降低鍋爐N O x 排放的主要燃燒控制手段,將這種技術(shù)應用到燃燒器的改造中可以起到降低N O x 排放的作用,為此介紹北京高井熱電廠6號鍋爐的低N O x 燃燒器改造以及試運情況。關(guān)鍵詞:空氣分級燃燒技術(shù);燃燒器改造;N O x 排放;數(shù)值模擬中圖分類號:T K 16、T K 223.23文獻標識碼:B 文章編號:1003-9171(200611-0033-03Application of Ai

2、r Staged Combustion Technology inTransformation of Burner to Reduce Exhaust of NO xCai Lei 1,T eng Sheng-ping 1,Zu Xing -li 1,Zhang M ing -chuan 2,Fan Wei-dong2(1.Dat ang Internat ional Beijing Gaojing T hermal Power Plant ,Beijing 100041,China;2.Shanghai Jiaot ong U niversit y,Shanhai 200240,ChinaA

3、bstract :Air st aged combustion t echnology is the main control met hod of combustion t o reduce t he NO x emission of boiler.When being applied to t he t ransformation of burner,t he method can reduce the exhaust of NO x.T his paper int roduces the t ransformat ion process of t he burner of N o.6bo

4、iler for reducing NO x ex haust ,and the commissioning in Beijing Gaojing T hermal Pow er Plant .Key words :air staged combustion t echnolog y;t he t ransformat ion of burner;t he exhaust of N Ox ;numerical simulat ion1抑制NO x 生成的空氣分級燃燒技術(shù) 空氣分級燃燒法是美國在20世紀50年代首先發(fā)展起來的,它是目前使用最為普遍的低NO x 燃燒技術(shù)?？諝夥旨壢紵幕驹硎?

5、將燃料的燃燒過程分階段完成。這種空氣分級燃燒技術(shù)在燃燒器的設計中采用,可以得到低NO x 燃燒器。根據(jù)NO x 生成機理的研究,煤粉爐內(nèi)NO x 生成占主要地位的是燃料型NO x ,而且燃料型NO x 主要在揮發(fā)分燃燒階段生成,還包括占次要位置的熱力型NO x 和快速型NO x 。為降低NO x 的生成,一般的做法是在燃燒器出口附近的著火區(qū)形成一個貧氧富燃料區(qū)域,推遲二次風的混入過程,使揮發(fā)分在還原性氣氛中燃燒,抑制了燃料NO x 的生成。由于二次風延遲與燃料的混合,燃料速度降低,使火焰溫度降低,故也抑制了熱力NO x的生成。如圖1所示,實際有4個區(qū)域1。區(qū)域4的主要反應如下:NH +NO N

6、 2+OH(1CN+NO N 2+CO(2CO+NOC+NO CO+12N 2(41.揮發(fā)分燃燒區(qū);2.還原成分生成區(qū);3.焦炭燃燒區(qū);4.NO 減少區(qū)圖1旋流燃燒器空氣分級示意圖2原燃燒器概述高井熱電廠6號鍋爐為前蘇聯(lián)制造的430t /h 單汽包自然循環(huán)固態(tài)排渣鍋爐,燃燒器設計為雙蝸殼式煤粉燃燒器,共12只,分上下兩排布置在前墻,每排6只。燃燒器由二次風蝸殼、一次風管以及中心管組成,屬雙蝸殼旋流式。燃燒器是為專門燃用無煙煤而設計的,一次風和二次風的旋轉(zhuǎn)方向相同,它的旋流強度大、氣流旋轉(zhuǎn)強烈,產(chǎn)生中心負壓回流區(qū),形成的內(nèi)卷吸作用吸引熱煙氣 回流到火焰根部,熱煙氣對煤粉氣流的著火和火焰的穩(wěn)定有著

7、極為重要的作用。3燃燒器改造思路將一、二次風由較早的強烈混合,改為在第一階段形成較強的還原性氣氛,以此來實現(xiàn)前期煤粉低過量空氣燃燒抑制NO x 的生成,然后在第二階段補充給外二次風使燃料充分燃燒。結(jié)構(gòu)上的變化是在擴徑后的原二次風通道中間加一個環(huán)形管,把原二次風通道變成了兩個通道。與原二次風蝸殼相通的稱之為外二次風通道,該通道氣流仍為原二次風形式。緊鄰一次風通道的稱之為內(nèi)二次風通道,它的進風來自環(huán)境溫度下的空氣,壓頭靠爐內(nèi)負壓抽吸形成,從風道爐外端部吸入。它將一次風環(huán)形管道與外二次風環(huán)形管道(原二次風之間拉開一圈環(huán)形間隔,推遲一、二次風的混合符合空氣分級燃燒原理,有利于抑制NO x 的生成。內(nèi)二

8、次風風速比外二次風低,在一、二次風形成了一個弱旋流強度的隔離區(qū),使其混合強度減弱。內(nèi)二次風的入口設置了可調(diào)節(jié)的環(huán)形擋板門,可以控制內(nèi)二次風的供給量,從而控制噴口處的燃燒溫度和煤粉的著火距離,防止燒毀噴嘴。在低負荷時關(guān)閉吸入的內(nèi)二次風的檔板,這樣起到了一次風和原二次風的隔絕作用,弱化了強烈混合,在高負荷時打開內(nèi)二次風檔板,補給了二次風量。內(nèi)二次風補給量由于受通流面積和壓差決定,形成的風速比外二次風低得多,于是在一、二次風之間形成了一個弱旋流強度的隔離區(qū),同時現(xiàn)在的混合程度也弱于原一、二次風的混合。另外,原一次風噴口周圍形成強烈負壓回流區(qū),火焰回流容易造成噴嘴燒毀,而內(nèi)二次風在一定程度上能破壞回流

9、,并冷卻一次風噴口。4改造的方案落實(1主要參數(shù)計算見表1。 圖2改造后的燃燒器結(jié)構(gòu)表1計算步驟參數(shù)計算公式結(jié)果總空氣量V /(m 3s -1V 0a B j 89.72內(nèi)二次風率r n2選取0.06內(nèi)二次風量V n2/(m 3k g -1Vr n25內(nèi)二次風環(huán)道內(nèi)徑d n21/mm 已知520內(nèi)二次風環(huán)道面積A n2/m 2V n2ZW n20.119內(nèi)二次風環(huán)道外徑d n22/mm 4A n2+(d n212650內(nèi)二次風錐角 n2/(°選取26擴口長度l k /mm300內(nèi)二次風擴口直徑d n2k /mm 2tg( n2/2l k +d n22794校正系數(shù)K 選取0阻力系數(shù)

10、n2(1+K (1+tg 2 4內(nèi)二次風密度!n2/(k g m-3已知 1.285內(nèi)二次風阻力P n2/Pa n2!2w 2n2231.42爐膛負壓(全壓P lt /Pa 運行調(diào)整4060空氣動壓P n2d /PaP lt -P n28.58校正后的內(nèi)二次風速w n2/(m s -12p n2d!n2 3.65內(nèi)二次風切向速度w n2t /(m s-1w n2s in3(2經(jīng)過標準化后的燃燒器見圖2。5數(shù)值模擬研究及改造后試驗結(jié)果為了提前摸清6號鍋爐的燃燒器改造效果,在對爐內(nèi)煤粉燃燒和氮氧化合物生成建立數(shù)學模型的基礎(chǔ)上,利用CFD -FLUENT 軟件對單只燃燒器進行了熱態(tài)的數(shù)值模擬研究2。

11、數(shù)值模擬工作主要是比較燃燒器改進前后的氣固兩相射流特性和燃燒性能,以此來評價和預報NO x 排放特性的改善。在一次風率同為30%的工況下,流場分布表明:改進型低氮燃燒器(圖4比原雙蝸殼旋流式燃燒器(圖3的射流擴展角有較大幅度的減小,射流擴展角減小導致回流區(qū)的減小;同時各工況未出現(xiàn)一次風一離開噴口即混入二次風中的情況,而是各股風保持獨立一定距離后才漸混合,表明改造后的燃燒器推遲了一、二次風的混合。燃燒器改造前后熱力及環(huán)保試驗數(shù)據(jù)對比見表2。從數(shù)值模擬可以看到,火焰的長度與形狀與改造前都有了變化,火焰變得細長,它的行程對改變火焰中心有較大影響。由于燃盡過程的推遲,從而提高了火焰的中心位置。熱力試驗

12、表明上部爐膛溫 圖3改前燃燒 器出口流場圖4改后燃燒器出口流場表2燃燒器改造前后熱力試驗結(jié)果項目改造前改造后比較鍋爐負荷/(t h -1371390+9過熱蒸汽壓力/M Pa 9.39.30過熱蒸汽溫度/537540+3給水溫度/216220+4爐膛溫度/14481573+125排煙溫度/左146157+11右150157+7飛灰可燃物/%2.52 2.58+0.06修正后未完全燃燒損失/%0.790.83+0.04修正后鍋爐效率/%92.6392.32-0.31排煙含氧量/% 6.89 6.9過?？諝庀禂?shù)1.4881.49NO x 折算后排放濃度/(mg m -31164.92704.7度比

13、過去提升了125,過熱器出口煙溫提高了54(平均值,排煙溫度提高了9(修正后。修正后的排煙損失比改造前增大了0.29%,這是引起鍋爐沒有達到改造前燃燒效率的主要原因。由于火焰形狀的變化,煤粉的燃盡性也受到影響,熱力試驗表明飛灰可燃物比改造前有增加,修正后的機械未完全燃燒熱損失也比改造前增加了0.04%,這一點與空氣分級燃燒技術(shù)改進后所帶來的負作用是相吻合的。鍋爐整體效率由改造前的92.63%下降為92.32%,下降0.31%。盡管鍋爐效率在改為低氮燃燒器后有所下降,但是本鍋爐的設計效率為90.2%,實際運行的鍋爐效率仍優(yōu)于原設計值,已達到了低氮燃燒器改造的基本要求。6結(jié)論6號鍋爐燃燒器改造后的

14、常規(guī)熱力試驗表明,該爐在燃煤特性和運行條件基本不變的條件下,NO x 的排放降低幅度比較明顯,但是鍋爐效率略有降低,這與數(shù)值模擬的預報是相符合的。該廠5號鍋爐采用的荷蘭STORK 公司的低NO x 燃燒器后也出現(xiàn)了排煙溫度升高的現(xiàn)象,可以認為這種利用空氣分級燃燒原理改進的燃燒器,由于火焰加長,燃燒中心上移,存在著排煙溫度升高的趨勢,并伴隨著機械不完全燃燒損失的增加。由此得出:為降低NO x 排放而進行的燃燒器改造,減少了大氣污染,同時也可能會犧牲鍋爐燃燒效率的結(jié)論。作為后續(xù)的相關(guān)工作,建議考慮以下幾個方面的問題:(1對于目前排煙溫度的升高以及飛灰可燃物的增加,可以通過控制一次風和二次風的速度,調(diào)整一、二次風混合的距離,以達到NO x 和排煙溫度兩者兼顧的工況;另外通過調(diào)整爐膛后墻三次風的風量與風速,也能夠起到壓低火焰中心的作用;同時雙磨的投運也將從溫度上抑制熱力型NO x 的生成。(2在一次風率確定后,二次風率也基本確定,可以在二次風內(nèi)部進行內(nèi)、外二次風量大小的分配調(diào)節(jié)。通過對內(nèi)二次風的進風環(huán)形調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)能夠起到的調(diào)節(jié)風量作用,進行開度調(diào)整與鍋爐運行參數(shù)的關(guān)系的試驗。(3鍋爐運行