空气分级低NOx燃烧器

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空气分级低NOX燃烧器

空气分级低NOx燃烧器

一、技术背景

    随着我国经济的增长和电力工业的快速发展,锅炉燃煤产生的氮氧化物(NOx)污染物与日剧增,由于NOx对人类乃至整个生态系统的危害巨大,对其排放量的控制已引起全球范围内的普遍重视,我国也制定了较严格的燃煤锅炉氮氧化物排放标准《GB13223-2003火电厂大气污染物排放标准》,更为严格的标准也正在制定中。

火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度(G13223-2003)

1996年12月31日前项目,执行第1时段排放控制要求。

1997年1月1日起至2003年12月31日项目,执行第2时段排放控制要求。

2004年1月1日起项目,执行第3时段排放控制要求。

火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度(G13223-2010) 征求意见稿  单位:mg/Nm3


2003年 12 月 31 日前项目,执行第 1 时段排放控制要求。

2004年 1 月 1 日起至 2009 年 12 月 31 日前项目,执行第 2 时段排放控制要求。

2010年 1 月 1 日起项目,执行第 3 时段排放控制要求。

二、空气分级低NOx燃烧技术LN-SOFA


NOx的生成

    煤在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(NO2),这二者统称为NOx。和SO2的生成机理不同,燃煤燃烧过程中氮氧化物的生成量与排放量与煤的燃烧方式,尤其是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件关系密切。

在煤燃烧过程中,NOx的生成途径有三个:

    热力型NOx:空气中的氮气在高温下氧化而成的NOx;

    燃料型NOx:燃料中含有的氮氧化物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而成的NOx。由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成,故燃料型NOx的形成也由气相氮的氧化(挥发份)和焦炭中固相氮的氧化(焦炭)两部分组成;

    快速型Nox: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NOx。

煤粉燃烧所生成的NOx中,燃料型NOx是最主要的。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度,在600-800oC时就会生成燃料型NOx,它占NOx总生成量的60%~80%以上。热力型NOx的生成和燃烧温度的关系很大,当T<1500℃时,NO的生成量很少,而当T>1500℃时,T每增加100℃,反应速率增大6-7倍,在温度足够高时,热力型NOx的生成量可占到NOx总量的20%。快速型NOx在煤燃烧过程中的生成量很小,小于5%。

    由此可见,对常规煤粉燃烧而言,NOx主要是通过燃料型的生成途径而成的,因此,控制和减少燃烧产生的NOx,主要是控制燃料型NOx的生成。研究表明,从煤中析出活性最强的气相氮对燃料型NOx生成的影响最大,而被滞留在焦炭中的固相氮对NOx生成的影响最小。因此,低NOx煤粉燃烧系统设计的主要任务是减少挥发份氮转化成NOx。而挥发份氮转化成NOx的生成率又与燃烧器区域和炉膛平均氧浓度关系很大,当过量空气系数α在0.6~0.7时,燃料型NOx的生成率最低。

    从燃料型NOx的生成和破坏机理可知,为了减少燃料型NOx,不仅要尽可能地抑制NOx的生成,对已生成的NOx,还要创造条件,尽可能地促使它们的破坏和还原,见图2。


NOx的控制

    控制NOx排放的技术措施可以分为两大类:

一类是一次措施,即通过各种技术手段,控制燃烧过程中NOx的生成量,主要技术措施有空气分级低NOx燃烧技术(LN-SOFA)和燃料分级低NOx燃烧技术(REBURNING)。

另一类是二次措施,即将已经生成的NOx通过某种手段从烟气中脱除掉,从而降低NOx的排放量,主要技术措施有选择性催化还原技术(SCR)和选择性非催化还原技术(SNCR)。

    由于烟气脱硝装置投资和运行费用都十分昂贵,不太适合我国国情,有效的方法是采用低NOx燃烧技术,这也是目前国际上的主流研究方向。

国家环境保护部环发[2010]10号文件《火电厂氮氧化物防治技术政策》摘抄:防治技术路线



倡导合理使用燃料与污染控制技术相结合、燃烧控制技术和烟气脱硝技术相结合的综合防治措施,以减少燃煤电厂氮氧化物的排放。

  燃煤电厂氮氧化物控制技术的选择应因地制宜、因煤制宜、因炉制宜,依据技术上成熟、经济上合理及便于操作来确定。

  低氮燃烧技术应作为燃煤电厂氮氧化物控制的首选技术。当采用低氮燃烧技术后,氮氧化物排放浓度不达标或不满足总量控制要求时,应建设烟气脱硝设施。

低氮燃烧技术

  发电锅炉制造厂及其他单位在设计、生产发电锅炉时,应配置高效的低氮燃烧技术和装置,以减少氮氧化物的产生和排放。

新建、改建、扩建的燃煤电厂,应选用装配有高效低氮燃烧技术和装置的发电锅炉。

在役燃煤机组氮氧化物排放浓度不达标或不满足总量控制要求的电厂,应进行低氮燃烧技术改造。


 

纵观国外的低NOx燃烧技术的发展过程,可大致分为三代:

    第一代低NOx燃烧技术不要求对燃烧系统作大的改动,只是对燃烧设备的运行方式或部分运行方式作调整或改进,如浓淡燃烧技术、烟气再循环等,其NOx的降幅有限;

    第二代低NOx燃烧技术的特征是燃烧空气分级送入燃烧设备,从而降低初始燃烧区的氧浓度,通过富燃料区域NO前驱物(HCN和NH3)向N2转化而抑制NO生成。国内早期主要采用OFA技术,简单的紧挨上层燃烧器的CCOFA一般只能降低NOx排放20%左右。我公司的低NOx燃烧技术(LN-SOFA)技术即从该技术发展而来,可最高降低50%NOx排放量。

    第三代NOx燃烧技术的特征是空气和燃料都分级送入炉膛,燃料分级送入可在燃烧区的下游形成一个富集NH3、CnHm、HCN的低氧还原区,燃烧产物通过此区域时,已生成的NOx会部分地被还原为N2。

LN-SOFA技术原理


空气分级低NOx燃烧技术LN-SOFA是目前国内国际最为先进和成熟的低NOx燃烧技术,图3所示为LN-SOFA技术的示意图。在主燃烧区送入部分煤粉完全燃烧所需要的一次风和二次风,在紧邻主燃烧区的上方送入CCOFA,在CCOFA上方一定的距离送入SOFA,这样就在挥发氮物质形成的非常关键的早期燃烧阶段将O2降低,在整个炉膛内实现空气分级燃烧和局部性空气分级燃烧,在初始的富燃料欠氧条件下促使挥发氮物质转化成N2,从而达到总的NOx生成量的减少。在一定范围内,氧量越低,NOx生成量越少;SOFA送入时间越晚,NOx生成量越少。通过选用合适的主燃烧区氧量和SOFA高度,最高可降低50%NOx排放量。

LN-SOFA技术关键点

主燃烧区过量空气系数

    在一定范围内,NOx的生成量与主燃烧区过量空气系数成正比关系,见图4。但主燃烧区过量空气系数选取过低,将对锅炉飞灰含碳量造成一定影响。




SOFA离主燃烧区的距离

    NOx的生成量与SOFA离主燃烧区的距离成反比关系,见图6。但SOFA离主燃烧区的距离过大,将对锅炉飞灰含碳量造成一定影响。

经过多年的研究和实践,我公司已经成功掌握无烟煤、贫煤、烟煤和褐煤等

    各煤种的LN-SOFA技术关键点,并已取得较好成效。


LN-SOFA燃烧器结构

    LN-SOFA燃烧器的主要组件,见图7:

· 紧凑燃尽风(CCOFA),布置于主燃烧器顶部

· 可水平摆动的分离燃尽风(SOFA),见图8,布置于主燃烧器上方3-6米区域

· 预置水平偏角的辅助风喷嘴(CFS),见图9,布置于主燃烧器煤粉喷嘴之间

· 煤粉喷嘴



LN-SOFA技术的主要特点

·NOx排放值最高可降低约50%

通过选用合适的主燃烧区氧量和SOFA高度(还可通过SOFA喷口垂直摆动来调整),可最高降低50%NOx排放量。

·设备简单,安装、改造工作量小,工期短,适用范围广


现有锅炉应用LN-SOFA技术,需将主燃烧器上方增加SOFA燃烧器,主燃烧器作适当改造即可。改造工期短,锅炉大修燃烧器更换备件时即可同时实施改造。适用于各种燃料的各种炉型,如四角切圆燃烧锅炉、对冲燃烧锅炉等。

·成本低

与SCR技术和SNCR技术相比,LN-SOFA技术因其设备简单、改造工作量小而初期投资成本相对较小。而且,因无须催化剂和还原剂,运行成本更是比SCR技术和SNCR技术低很多。

·有利于控制炉膛出口烟温偏差,有效避免结焦和高温腐蚀,对机组影响小

应用LN-SOFA技术,通过SOFA喷口的水平摆动,可以有效降低炉膛出口烟温偏差,通过CFS喷口的采用,可以有效避免锅炉水冷壁结焦和高温腐蚀。LN-SOFA技术可能带给机组运行不利的影响是锅炉飞灰含碳量会有微量增加,但通过运行调节如配风和煤粉细度可以较好地解决。

·与SCR、SNCR技术比较,有明显优势



LNB、SCR和SNCR三种脱氮技术的经济技术比较



三、典型案例

    大唐西固热电有限责任公司2x330MW锅炉LN-SOFA技术应用

      

    大唐西固热电有限责任公司2x330MW亚临界汽包锅炉,由武汉锅炉股份有限公司设计制造,采用四角切圆燃烧、摆动式直流燃烧器。该锅炉低NOx燃烧器设计采用主燃烧器+CCOFA+SOFA布置方式,实现了NOx的低排放,目前锅炉满负荷时NOx平均排放值为360mg/Nm3,低于国家规定的标准(450 mg/Nm3),收到明显成效。

 

大唐西固热电有限责任公司300MW锅炉LN-SOFA燃烧器

煤种 (烟煤)

LN-SOFA燃烧器设计特点

  (1)在主燃烧器的顶部布置有两层CCOFA喷口,上一次风上方6.5米处布置有三层SOFA喷口,见图10~图13,CCOFA+SOFA风占总风量的23%,主燃烧器区域的过量空气系数约0.9,既降低了主燃烧器区域NOx的生成量,又可在燃烧后期补充氧量,保证煤粉的燃烬。

  (2)SOFA喷口既可水平摆动±15°,又可上下摆动±20°。水平摆动可以减小炉膛出口烟气残余旋转,减小烟温偏差;上下摆动可以控制SOFA风进入炉膛的时间,可使NOx的排放值和飞灰含碳量达到最佳。

  (3)采用弯头式水平浓淡分离燃烧技术。不仅提高低负荷稳燃性能,又能够防止结渣与高温腐蚀,减少NOx排放。

  (4)一次风喷嘴周界风采用不等边周界风,背火侧大,向火侧小,增加了一次风射流的刚性,并在水冷壁附近形成富氧区,防止结渣和高温腐蚀。

  (5)将顶部燃烬风及中间一层二次风反切12°。减少炉膛出口处气流的“残余旋转”,减少炉膛出口烟温偏差,同时降低NOx排放。

  (6)燃烧器特性参数

LN-SOFA燃烧器系统结构

箱体

    燃烧器箱体设计采用传统风箱结构,用隔板将燃烧器风箱隔成多个风室,各风室出口布置喷嘴,入口处布置风门挡板,整个燃烧器与锅炉的连接是通过箱壳与水冷套的连接来实现的,见图14。

摆动机构

    主燃烧器和SOFA燃烧器每角分别由一台气动执行器来驱动喷口的上下摆动; SOFA燃烧器由手动摆动装置带动喷口摆动,见图14。


SOFA风喷口

    SOFA风喷口分为内喷口和外喷口,见图15。外喷口通过轴与燃烧器箱体连接,整组喷口绕轴上下摆动;内喷口通过轴与外喷口连接,内喷口绕轴水平摆动。


一次风室

    燃烧器一次风采用弯头式水平浓淡分离燃烧技术。一次风室由弯头、一次风管和喷嘴组成。弯头布置于燃烧器入口端,煤粉气流经弯头浓淡分离后进入一次风管,保证煤粉气流分为浓、淡气流进入喷嘴。

二次风室

    主燃烧器布置有六层二次风,两层CCOFA二次风,SOFA燃烧器设计有三层二次风,此三层二次风可同时垂直、水平摆动。

二次风挡板

    每个风室都配有各自的风门挡板,同一层四组燃烧器的风门挡板同步动作。

    风门挡板的结构为双挡板对称布置,全闭状态下挡板呈15°倾斜。




SOFA风道

    分别从锅炉两侧主二次风道引一路SOFA风向上,至SOFA燃烧器高度后再对称的前后分别引至前后角SOFA燃烧器,保证四角SOFA风量均匀,见图17。


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