A08第8章新型低NOX燃燒技術

1、1第第8章章 新型低新型低NOX燃燒技術燃燒技術燃燒與污染控制技術中國科學技術大學熱科學和能源工程系林其釗2 由于煤炭的大量應用和環(huán)境保護要求的日益嚴格，低NOX煤燃燒技術獲得了迅速地發(fā)展 一些新型的低NOX煤燃燒技術正在進行研究和應用，有的則已取得了顯著效果 本章主要介紹: 水煤漿燃燒 沸騰燃燒 熔渣式燃燒室 催化燃燒 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電3 8-1 水煤漿燃燒技術水煤漿燃燒技術水煤漿是70年代迅速發(fā)展起來的一種以煤代油的燃料水煤漿：水煤漿：用一定細度的煤粉與水和少量的添加劑而配置成的一種用一定細度的煤粉與水和少量的添加劑而配置成的一種漿狀燃料漿狀燃料 因為水煤漿會增加鍋爐排煙熱損失，所以從能量利用

2、的角度看，應采用高熱值低灰分的煤 在保證煤漿的輸送與霧化良好的前提下，濃度越高越好 目前高濃度水煤漿均用低灰分高揮發(fā)份高熱值的煙煤制成，其中水分占2435% 加入少量添加劑的目的在于提高煤粒表面的親水性，改變煤粒表面帶電性，使煤粒在水中能更好地潤濕與分散，從而改變煤漿的流變性 為了防止水煤漿在貯存與運輸過程中發(fā)生硬沉淀，有時還需加入穩(wěn)定劑 水煤漿作為一種新的液體燃料，能在工業(yè)窯爐工業(yè)鍋爐及動力鍋爐上如同重油一樣燃燒，可以替代燃油和天然氣 水煤漿若用于氣化，可實現(xiàn)高熱效率的蒸汽-燃氣聯(lián)合循環(huán)4 單滴水煤漿的燃燒過程一般經(jīng)歷四個階段單滴水煤漿的燃燒過程一般經(jīng)歷四個階段: 加熱蒸發(fā)干燥揮發(fā)份析出與燃

3、燒固定炭燃燒 其中，揮發(fā)份的析出與燃燒是瞬間完成的，加熱時間也很短 由于水蒸發(fā)吸熱量大，爐內(nèi)溫度水平低 水煤漿煤濃度為6070%時，則水分蒸發(fā)吸熱量約占水煤漿著火吸熱量的 4758%，因而使水煤漿從加熱到著火的時間較長 煤漿滴一旦失去水分，煤粒便凝結成團，那些含膠質(zhì)較多的煙煤更容易焦結成團5 煤團失去揮發(fā)份后將膨脹成煤胞，其尺寸比原煤粒大，要燃燼這些成團的煤粒需要較長的燃燒時間 如果煤漿中煤粒較粗，煤漿粘度較大，霧化粒度不夠細，運行工況參數(shù)未調(diào)整到最佳值，則燃燒時間更長(圖4-2)6 水煤漿著火和燃燒的基本條件水煤漿著火和燃燒的基本條件: 高溫熱源加熱良好的霧化和合理的配風 由于水煤漿含有大量

4、水分，因此，如何組織高溫熱源及時和穩(wěn)定地對水煤漿進行快速加熱和蒸發(fā)干燥，并達到著火，則是水煤漿燃燒的一個關鍵問題 高溫熱源包括火焰前沿的輻射熱及熱煙氣回流傳遞的熱量 試驗表明，熱煙氣回流是穩(wěn)定著火的主要來源，因而可以通過燃燒器的設計來獲得所需的回流量 圖4-3為高濃度水煤漿低NOX燃燒器 通過控制一二次風門來調(diào)節(jié)一二次風量比，以及調(diào)節(jié)二次風葉片的角度等，可得到與噴嘴霧化炬配合適宜的空氣動力特性參數(shù)，如氣流擴散角射程回流量回流區(qū)位置等，從而實現(xiàn)水煤漿的穩(wěn)定著火和燃燒78 試驗表明：試驗表明： 霧化質(zhì)量的好壞影響到水煤漿火焰的穩(wěn)定性霧化質(zhì)量的好壞影響到水煤漿火焰的穩(wěn)定性 霧化噴嘴出口處煤漿液滴粒度

5、的增加，會顯著地延長煤粒干燥和著火時間，需要很長時間才能完全燃燒 要改善霧化質(zhì)量，達到所要求的霧化平均粒徑（約50 m）就必須精心設計霧化噴嘴，防止被煤粒磨損和堵塞 根據(jù)燃料比（燃料比=固定炭/揮發(fā)份）的高低，適當調(diào)整水煤漿的粘度 燃料比越高，應采用低粘度的水煤漿9由于霧化質(zhì)量和火焰溫度低，因而燃燒效由于霧化質(zhì)量和火焰溫度低，因而燃燒效率低，通常比煤粉爐的效率低率低，通常比煤粉爐的效率低 右圖燃燼率的變化規(guī)律，水煤漿的火焰長度較長，在爐內(nèi)需要更長的停留時間 為了提高燃燒效率，不僅要提高著火的穩(wěn)定性，而且要提高熱風溫度，采用合適的霧化粒度以及過剩空氣系數(shù)和爐膛熱負荷等工況參數(shù)(4-54-7)10

6、二次風溫對燃燒效率的影響過剩空氣系數(shù)對燃燒效率的影響爐膛溫度對燃燒效率的影響11 試驗表明： 為了實現(xiàn)水煤漿的穩(wěn)定燃燒，必須保持燃燒器氣流的高度旋流及強烈擾動混合 這將使燃料中揮發(fā)份氮易和氧反應，形成較高的NOX生成量 但是火焰溫度降低，會使NOX降低 后一因素的作用是主要的12 8-2 沸騰燃燒技術沸騰燃燒技術 實際應用中有兩種沸騰燃燒系統(tǒng)： 鼓泡床 循環(huán)床 在鼓泡沸騰床鼓泡沸騰床燃燒系統(tǒng)中： 大部分煤粒( 8mm) 的燃燒反應是在沸騰床中進行的 床內(nèi)的煤粒濃度高(300400kg/m3)，沸騰速度為23m/s 細煤粒多是在床層上部的空間(懸浮段)內(nèi)燃燒 在進入空氣預熱器之前，未燃燼顆粒從煙

7、氣中分離出來，重新進入沸騰床中再燃燒，以提高炭粒燃燼度 沸騰床內(nèi)溫度是由埋在床中的蒸發(fā)受熱面或過熱器受熱面來控制13 沸騰速度很高，為615m/s，煤粒尺寸較小(500m)，大部分煤粒被帶到一個高約2030米的燃燒室中 由于氣體與顆粒之間的滑動速度高(圖4-8)，熱質(zhì)交換強烈 在在循環(huán)沸騰床燃燒系統(tǒng)循環(huán)沸騰床燃燒系統(tǒng)中中14 熱煙氣離開爐子出口后，進入一個由耐火磚襯的旋風筒內(nèi)，煙氣中的顆粒被分離出來，一部分顆粒直接進入燃燒室的下部；另一部分顆粒進入物料床冷卻器中，（如圖4-9） 顆粒被物料床冷卻器冷卻后，再送至循環(huán)床內(nèi) 調(diào)節(jié)著兩部分顆粒的數(shù)量比例，來控制循環(huán)床內(nèi)溫度15 循環(huán)沸騰床燃燒系統(tǒng)的主

8、要優(yōu)點是：循環(huán)沸騰床燃燒系統(tǒng)的主要優(yōu)點是： 沸騰床速度高，所以燃燒室截面熱負荷較高，與大型煤粉爐膛的水平相當或略有超過，因而在相同容量下，可減少占地面積，因此有可能減少布風間隔及給煤點數(shù)量，使爐膛結構和系統(tǒng)簡化，有利于實現(xiàn)大型化 采用了飛灰再循環(huán)，延長了煤粒在爐內(nèi)的停留時間，提高了燃燒效率，達到了煤粉爐燃用優(yōu)質(zhì)煙煤時的水平 由于飛灰再循環(huán)，提高了脫硫劑利用率，而且由于脫硫劑粒徑小，又在整個床內(nèi)充分反應，故脫硫率高達90% (Ca/S=1.52.0)16 8-2-1 鼓泡床沸騰爐鼓泡床沸騰爐NOX生成機理生成機理 鼓泡床沸騰爐內(nèi)溫度為800900C 熱力NOX很少 主要是燃料NOX，約占NOX總

9、量的90% 研究表明: 煤的揮發(fā)份和焦炭在沸騰燃燒時，均有NOX生成 當溫度和加熱速率增加時，揮發(fā)份析出量增加。所以，在高溫下?lián)]發(fā)份NOX生成量也增加 當過剩空氣系數(shù)增加時，NOX生成量也增加，反之過?？諝庀禂?shù)減小，則NOX減少 這是因為床內(nèi)NOX的形成取決于燃料中氮的氧化過程與床內(nèi)還原物質(zhì)(指焦炭HCNNH3等含氮化合物)對NOX的還原分解過程之間的平衡17 當床內(nèi)過?？諝庀禂?shù)較高時，煤中氮生成的中間產(chǎn)物 (HCNCNNH3等) 氧化生成NOX 由于氧與焦炭或CO的反應速度遠比氧與氮的反應速度快，所以，在高的氧濃度下，CCO很快被氧化消耗掉，不利于對NOX的還原反應 所以當過?？諝庀禂?shù)較高時

10、，由于氧化反應超過了還原作用，故NOX便明顯增加 反之，如果煙氣中氧濃度較少時，那些中間產(chǎn)物對NOX起還原分解作用而生成N2 圖4-10是NOX的生成與還原路線1819 圖4-11是沿爐膛高度方向NOX的分布規(guī)律 在沸騰床層底部布風板附近，NOX濃度有一個急劇升高，這是因為上升氣流中氧濃度較高的緣故，其反應式如下： 煤 C+揮發(fā)份 煤中的N 焦炭中的N+NH3 C+ O2 CO2 NH3+ O2 NO 焦炭中的N+ O2 NO 隨后在沿床層高度方向上，因空氣聚集成氣泡上升而使密相區(qū)空氣不足，使NOX減少 = 1.09 =1.0120 而且所生成的CONH3碳氫化合物焦炭與NO進行還原分解反應，

11、使NOX進一步減少，其反應如下： 乳化相: CO+OH CO2+H C+0.5 O2 CO (C+ CO2 2CO) NO+C0.5 N2+CO NH3+NO N2 NH3+O2 NO 焦炭中的N+O2 NO 懸浮段: CO+OH CO2+H C+O2 CO C+NO CO+N221 近期研究表明： 當燃用無煙煤時，懸浮段內(nèi)NO減少的很少(0.9，越接近這一段燃燒狀況，NOX將增加 當10.9時，第一階段形成的NOX相應減少，但此時可燃物質(zhì)將轉(zhuǎn)到下一階段燃燒，因而也將產(chǎn)生較多的氮化合物，這些氮化合物在二階段燃燒時生成NOX 由于二階段燃燒區(qū)內(nèi)還原物質(zhì)較少，故二階段燃燒區(qū)內(nèi)NOX的還原作用很弱，

12、二階段燃燒器產(chǎn)生的NOX將全部排入自由空間，形成總NOX排放量中很重要的一部分 圖圖4-12 表示二段燃燒時，一段床內(nèi)過?？諝庀禂?shù)表示二段燃燒時，一段床內(nèi)過?？諝庀禂?shù) 1對對NOX 的影響的影響26 此外，可燃物燃燒使二階段燃燒區(qū)溫度水平相應提高，促使生成較多的NOX，因此當10.9時，NOX又有所增加 總過剩空氣系數(shù)對NOX排放的影響示于圖4-13 對不同煤種，做試驗所得結果相同，即： 總過?？諝庀禂?shù) 增加，NOX生成量增加，增加程度與煤種有關 例如燃用揮發(fā)份較高，細顆粒較多的燃料時，有較多的可燃物轉(zhuǎn)移到第二段燃燒區(qū)內(nèi)燃燒，故NOX生成量增加27 對黃陵煤進行一段燃燒中 NOX生成量的試驗結

13、果表明，當床溫900C，過?？諝庀禂?shù)1.11.3時，NOX生成量為500550ppm 圖4-13可看出，采用二段燃燒時的NOX生成量約為一段燃燒時的6070%，下降了3040% 有圖可以看出，對于黃陵煤這種燃料，應在保證燃料燃燼的前提下，盡量減少二次風量，以降低NOX28 因此，二次風應在NH3和焦炭等對NOX的還原分解反應完成之后送入，但這會使懸浮段高度相應增加 如果床層熱負荷增加，會使氮化物NH3等進行氧化反應，使NOX生成量增加 二次風的送入位置對二次風的送入位置對NOX的影響較大，圖的影響較大，圖4-14 二次風送入越遲，則一段床的高度相應增大，而床內(nèi)的焦炭和NH3等對NOX的還原分解

14、反應越充分，NOX減少越多; 反之，若二次風較早進入，則NOX增加29大容量爐二次風口位置在爐高1/51/4處，而且分成兩段Circofluid爐二次風分成上下兩級，下二次風在爐高1/3處，上二次風接近爐高2/3處，與爐內(nèi)CO濃度分布相適應，更合理地組織燃燒二次風噴口下是富燃區(qū)，有較多的CONH3碳氫化合物和未燃燼炭粒等，他們對NOX有明顯的還原作用，因而NOX減少試驗表明：欲使NOX降至100ppm的水平，一次風率為0.40.6為了使煙氣中NOX生成量最少，一二次風比一般為40:60或50:50循環(huán)床沸騰爐一般采用低溫(800850C)分段燃燒以有效地抑制NOX的生成二次風送入位置常在爐膛收

15、縮段出口約爐高1/4處，圖4-1530CaO與CaSO4又是脫硝反應的良好催化劑，有利于減少NOX的排放試驗表明，當一二次風比為40:60或50:50時，NOX與SOX排放量最少，圖中過?？諝庀禂?shù)為1.201.30在第一富燃區(qū)內(nèi)，煤中硫生成較多的H2S氣體向該區(qū)噴入脫硫劑CaO將與H2S反應，其生成物CaS不會阻塞CaO顆粒上的微孔，有利于提高CaO的利用率和對H2S的脫除率31 2 增壓沸騰燃燒增壓沸騰燃燒 增壓沸騰燃燒過程是在高于大氣壓力下進行的 由于壓力提高，床內(nèi)氣泡直徑減小，氣泡相與顆粒相之間的傳質(zhì)加快，促進了焦炭對NOX的還原反應，因而使NOX減少 另外，也與焦炭表面和CO的催化反應

16、有關 也有人認為，壓力提高，使揮發(fā)份在煤粒內(nèi)部移動的時間延長，揮發(fā)份釋放量減少 實踐證明： 增壓沸騰燃燒的NOX排放量僅為100200mg/Nm3 當前增壓沸騰床采用的是鼓泡流化床結構，床溫為700950C 即能滿足脫硫反應需要，又可使NOX減少 試驗證明： 通過改進增壓沸騰燃燒過程，以及向煙氣內(nèi)噴入添加劑等措施，有可能使NOX進一步降低到100mg/Nm3以下32 試驗證明： 增壓沸騰爐的NOX排放量隨煤中含氮量的增加而呈線性增加 煤中含氮量 (可燃基) Nr =1.3%，煙氣中NOX=165 mg/Nm3 (O2=7 %) 運行工況參數(shù)對NOX排放量有比較顯著的影響，其中最主要的是過?？諝?/p>

17、系數(shù)與床溫 當過?？諝庥?%增加到10%時，NOX排放量增加了3倍 當床溫在670940C范圍內(nèi)變化時，NOX排放量只增加了25% 研究表明： 空氣分級對降低NOX的影響是與配料器上面的高度有關 試驗表明，其效果為： SO2低于170 mg/Nm3，NOX為170 mg/Nm3，CO為30 mg/Nm333采用分級送風，其中二次風經(jīng)筒壁預熱至540C左右，與脫硫劑一起從裝有煤氣或油噴嘴的環(huán)形區(qū)域內(nèi)的管子中噴入筒內(nèi)，二次風切向噴入速度為100m/s左右煤粉便在缺氧煤粉便在缺氧( = 0.7 0.9)）的旋風筒內(nèi)燃燒，組成第的旋風筒內(nèi)燃燒，組成第一級一級 8-3 煤除渣式燃燒器煤除渣式燃燒器 美國

18、TRW公司開發(fā)的煤除渣式燃燒器：外形類似于臥式旋風爐，安裝在鍋爐外墻采用風冷式陶瓷內(nèi)襯，啟動時首先用煤氣或油加熱陶瓷內(nèi)襯，然后點燃煤粉濃相煤粉由軸向送入旋風筒內(nèi)34軸向煤粉氣流與切向送入的二次風混合形成特定的運動軌跡，使大部分煤粉粒以懸浮狀在空間燃燒，停留時間較長，因而改善了在缺氧旋風筒內(nèi)的燃燒與排渣在旋風筒出口處送入三次風，使之在與旋風筒相連接的鍋爐爐膛內(nèi)燃燒完全所形成的液態(tài)渣從旋風筒下部以流渣形式排出35 煤除渣式燃燒器具有如下優(yōu)點：煤除渣式燃燒器具有如下優(yōu)點： (1) 熱負荷高燃燒效率高 煤粉氣流著火迅速燃燒強度高，容積熱負荷高達9.310.5MW/m3，約比普通臥式旋風爐高一倍，因而外

19、形尺寸緊湊，燃燒效率也高 (2) NOX排放量可大大減少 采用空氣分級，旋風筒處于缺氧狀態(tài)，使燃料含氮化合物在還原性氣氛下還原成N2，若三次風在離旋風筒煙氣出口的足夠遠處引入，保證還原反應在旋風筒內(nèi)充分完成，則NOX可大大減少 而且，旋風筒內(nèi)煙氣溫度控制在1650C，從而控制了熱力NOX 根據(jù)試驗結果，NOX可減少到100ppm左右36 (3) SO2可減少90% 首先在旋風筒中噴入石灰石脫硫 當旋風筒溫度在1650C時，經(jīng)過兩個脫硫過程: 第一個脫硫過程主要發(fā)生在煤氣與空氣送入?yún)^(qū)，在0.1秒的時間內(nèi)，石灰石粒子和SO2起反應 第二個脫硫過程則是較大的石灰石粒子被旋轉(zhuǎn)的煙氣帶至渣層上進行 估計

20、這兩個過程各脫硫50%，從而除去大部分硫 此外，在旋風筒以后的鍋爐約1100C的煙溫處噴入石灰石，以進一步脫硫37 (4) 除渣率高 旋風筒采用空氣冷卻，因而提高了筒壁溫度(12001370C)，有利于排渣 大部分細煤粒在筒壁附近懸浮燃燒，改善了流渣條件 試驗表明，在很廣的煤種范圍內(nèi)可保持一定的渣層厚度，可迅速除渣，除渣率高達9095% 煤除渣式燃燒器是一種新型燃煤技術，具有如下優(yōu)點： 燃燒效率高 能綜合控制硫氮灰等有害污染物 負荷調(diào)節(jié)幅度大和適應煤種廣可以用來改造老式鍋爐和旋風爐，以滿足環(huán)境保護的要求也可用于新鍋爐和改造老式燃油燃氣鍋爐變?yōu)槿济哄仩t38 8-4 蒸汽蒸汽-燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)燃氣

21、輪機聯(lián)合循環(huán) 所謂聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，指兩種不同溫度范圍的發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)進行組合運行： 一個是高溫循環(huán)，是燃氣輪機運行的，其熱源是從燃燒得來 另一個是蒸汽循環(huán)運行的低溫循環(huán)，其熱源是上面高溫循環(huán)排出的燃氣的剩余熱量，因而能提高總的熱效率，圖4-18 一般聯(lián)合循環(huán)熱效率為3645% 普通蒸汽循環(huán)熱效率(采用再熱和回熱)僅有 40% 目前聯(lián)合循環(huán)發(fā)電有兩種： 煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 和增壓沸騰床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電增壓沸騰床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電39(a)蒸汽循環(huán)蒸汽循環(huán) (b)燃氣輪機循環(huán)燃氣輪機循環(huán) (c)聯(lián)合循環(huán)聯(lián)合循環(huán)408-4-1 煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC )煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

22、廠工藝過程主要是氣化煤氣凈化與脫硫以及聯(lián)合循環(huán)電廠300MW煤氣化聯(lián)合循環(huán)電廠流程圖煤和從空氣分離裝置來的氧，以及從電廠來的抽汽一起送入氣化爐41 氣化爐產(chǎn)生出的中熱值煤氣，其主要成分是: COH2CO2CH4和少量可凝結的碳氫化合物 煤中的硫大多氣化成H2S當煤氣經(jīng)過預洗塔和吸收裝置時，可將H2S氣體轉(zhuǎn)變成元素S，因而硫排放量大大減少煤中氮在汽化器中以酚氨和其它有機物存在于廢液中，所以NOX排放量顯著減少 所制得的煤氣以2/3和1/3的比例分別送入聯(lián)合循環(huán)電廠的燃氣輪機和余熱鍋爐42 與常規(guī)的燃煤電廠相比，煤氣化聯(lián)合循環(huán)電廠的煤氣化聯(lián)合循環(huán)電廠的最大優(yōu)點優(yōu)點是: 全部煤都轉(zhuǎn)化成煤氣，不僅提高

23、了燃氣輪機的溫度水平，而且大大減少了NOX與硫化物的有害污染物的排放量 煤氣中的粉塵含量與氣化爐型式有關 通常懸浮床和沸騰床氣化爐的粉塵較固定床氣化爐多，可采用高效除塵裝置來減少粉塵排放 就經(jīng)濟性而言，在嚴格的環(huán)境保護要求下，聯(lián)合循環(huán)電廠有比較明顯的優(yōu)勢，因為它的設計是以污染物排放量最少作為基礎的 而常規(guī)火電廠的投資費用隨著環(huán)保要求的提高而大幅度增加43300MW聯(lián)合循環(huán)電廠與帶有脫硫裝置的常規(guī)電廠的比較聯(lián)合循環(huán)電廠與帶有脫硫裝置的常規(guī)電廠的比較電廠型式電廠型式單位單位聯(lián)合循環(huán)電廠聯(lián)合循環(huán)電廠常規(guī)火電廠常規(guī)火電廠電廠總造價美元/kW784860凈效率(相對于低位發(fā)熱量)%38.236.5工期年35脫硫率%9590煙氣中NOXkg/106kWh0.1360.2270.2270.27244 8-4-2 增壓沸騰床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電增壓沸騰床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 增壓沸騰床不僅NOX排放量低，而且可用石灰石脫硫使SO2排放