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空氣分級低NOx燃燒器

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空氣分級低NOX燃燒器

空氣分級低NOx燃燒器

一、技術背景

    隨著我國經濟的增長和電力工業的快速發展,鍋爐燃煤產生的氮氧化物(NOx)污染物與日劇增,由于NOx對人類乃至整個生態系統的危害巨大,對其排放量的控制已引起全球范圍內的普遍重視,我國也制定了較嚴格的燃煤鍋爐氮氧化物排放標準《GB13223-2003火電廠大氣污染物排放標準》,更為嚴格的標準也正在制定中。

火力發電鍋爐及燃氣輪機組氮氧化物最高允許排放濃度(G13223-2003)

1996年12月31日前項目,執行第1時段排放控制要求。

1997年1月1日起至2003年12月31日項目,執行第2時段排放控制要求。

2004年1月1日起項目,執行第3時段排放控制要求。

火力發電鍋爐及燃氣輪機組氮氧化物最高允許排放濃度(G13223-2010) 征求意見稿  單位:mg/Nm3


2003年 12 月 31 日前項目,執行第 1 時段排放控制要求。

2004年 1 月 1 日起至 2009 年 12 月 31 日前項目,執行第 2 時段排放控制要求。

2010年 1 月 1 日起項目,執行第 3 時段排放控制要求。

二、空氣分級低NOx燃燒技術LN-SOFA


NOx的生成

    煤在燃燒過程中產生的氮氧化物主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2),這二者統稱為NOx。和SO2的生成機理不同,燃煤燃燒過程中氮氧化物的生成量與排放量與煤的燃燒方式,尤其是燃燒溫度和過量空氣系數等燃燒條件關系密切。

在煤燃燒過程中,NOx的生成途徑有三個:

    熱力型NOx:空氣中的氮氣在高溫下氧化而成的NOx;

    燃料型NOx:燃料中含有的氮氧化物在燃燒過程中熱分解而又接著氧化而成的NOx。由于煤的燃燒過程由揮發份燃燒和焦炭燃燒兩個階段組成,故燃料型NOx的形成也由氣相氮的氧化(揮發份)和焦炭中固相氮的氧化(焦炭)兩部分組成;

    快速型Nox:燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如CH等反應生成的NOx。

煤粉燃燒所生成的NOx中,燃料型NOx是最主要的。由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度,在600-800oC時就會生成燃料型NOx,它占NOx總生成量的60%~80%以上。熱力型NOx的生成和燃燒溫度的關系很大,當T<1500℃時,NO的生成量很少,而當T>1500℃時,T每增加100℃,反應速率增大6-7倍,在溫度足夠高時,熱力型NOx的生成量可占到NOx總量的20%。快速型NOx在煤燃燒過程中的生成量很小,小于5%。

    由此可見,對常規煤粉燃燒而言,NOx主要是通過燃料型的生成途徑而成的,因此,控制和減少燃燒產生的NOx,主要是控制燃料型NOx的生成。研究表明,從煤中析出活性最強的氣相氮對燃料型NOx生成的影響最大,而被滯留在焦炭中的固相氮對NOx生成的影響最小。因此,低NOx煤粉燃燒系統設計的主要任務是減少揮發份氮轉化成NOx。而揮發份氮轉化成NOx的生成率又與燃燒器區域和爐膛平均氧濃度關系很大,當過量空氣系數α在0.6~0.7時,燃料型NOx的生成率最低。

    從燃料型NOx的生成和破壞機理可知,為了減少燃料型NOx,不僅要盡可能地抑制NOx的生成,對已生成的NOx,還要創造條件,盡可能地促使它們的破壞和還原,見圖2。


NOx的控制

    控制NOx排放的技術措施可以分為兩大類:

一類是一次措施,即通過各種技術手段,控制燃燒過程中NOx的生成量,主要技術措施有空氣分級低NOx燃燒技術(LN-SOFA)和燃料分級低NOx燃燒技術(REBURNING)。

另一類是二次措施,即將已經生成的NOx通過某種手段從煙氣中脫除掉,從而降低NOx的排放量,主要技術措施有選擇性催化還原技術(SCR)和選擇性非催化還原技術(SNCR)。

    由于煙氣脫硝裝置投資和運行費用都十分昂貴,不太適合我國國情,有效的方法是采用低NOx燃燒技術,這也是目前國際上的主流研究方向。

國家環境保護部環發[2010]10號文件《火電廠氮氧化物防治技術政策》摘抄:防治技術路線



倡導合理使用燃料與污染控制技術相結合、燃燒控制技術和煙氣脫硝技術相結合的綜合防治措施,以減少燃煤電廠氮氧化物的排放。

  燃煤電廠氮氧化物控制技術的選擇應因地制宜、因煤制宜、因爐制宜,依據技術上成熟、經濟上合理及便于操作來確定。

  低氮燃燒技術應作為燃煤電廠氮氧化物控制的首選技術。當采用低氮燃燒技術后,氮氧化物排放濃度不達標或不滿足總量控制要求時,應建設煙氣脫硝設施。

低氮燃燒技術

  發電鍋爐制造廠及其他單位在設計、生產發電鍋爐時,應配置高效的低氮燃燒技術和裝置,以減少氮氧化物的產生和排放。

新建、改建、擴建的燃煤電廠,應選用裝配有高效低氮燃燒技術和裝置的發電鍋爐。

在役燃煤機組氮氧化物排放濃度不達標或不滿足總量控制要求的電廠,應進行低氮燃燒技術改造。


 

縱觀國外的低NOx燃燒技術的發展過程,可大致分為三代:

    第一代低NOx燃燒技術不要求對燃燒系統作大的改動,只是對燃燒設備的運行方式或部分運行方式作調整或改進,如濃淡燃燒技術、煙氣再循環等,其NOx的降幅有限;

    第二代低NOx燃燒技術的特征是燃燒空氣分級送入燃燒設備,從而降低初始燃燒區的氧濃度,通過富燃料區域NO前驅物(HCN和NH3)向N2轉化而抑制NO生成。國內早期主要采用OFA技術,簡單的緊挨上層燃燒器的CCOFA一般只能降低NOx排放20%左右。我公司的低NOx燃燒技術(LN-SOFA)技術即從該技術發展而來,可最高降低50%NOx排放量。

    第三代NOx燃燒技術的特征是空氣和燃料都分級送入爐膛,燃料分級送入可在燃燒區的下游形成一個富集NH3、CnHm、HCN的低氧還原區,燃燒產物通過此區域時,已生成的NOx會部分地被還原為N2。

LN-SOFA技術原理


空氣分級低NOx燃燒技術LN-SOFA是目前國內國際最為先進和成熟的低NOx燃燒技術,圖3所示為LN-SOFA技術的示意圖。在主燃燒區送入部分煤粉完全燃燒所需要的一次風和二次風,在緊鄰主燃燒區的上方送入CCOFA,在CCOFA上方一定的距離送入SOFA,這樣就在揮發氮物質形成的非常關鍵的早期燃燒階段將O2降低,在整個爐膛內實現空氣分級燃燒和局部性空氣分級燃燒,在初始的富燃料欠氧條件下促使揮發氮物質轉化成N2,從而達到總的NOx生成量的減少。在一定范圍內,氧量越低,NOx生成量越少;SOFA送入時間越晚,NOx生成量越少。通過選用合適的主燃燒區氧量和SOFA高度,最高可降低50%NOx排放量。

LN-SOFA技術關鍵點

主燃燒區過量空氣系數

    在一定范圍內,NOx的生成量與主燃燒區過量空氣系數成正比關系,見圖4。但主燃燒區過量空氣系數選取過低,將對鍋爐飛灰含碳量造成一定影響。




SOFA離主燃燒區的距離

    NOx的生成量與SOFA離主燃燒區的距離成反比關系,見圖6。但SOFA離主燃燒區的距離過大,將對鍋爐飛灰含碳量造成一定影響。

經過多年的研究和實踐,我公司已經成功掌握無煙煤、貧煤、煙煤和褐煤等

    各煤種的LN-SOFA技術關鍵點,并已取得較好成效。


LN-SOFA燃燒器結構

    LN-SOFA燃燒器的主要組件,見圖7:

· 緊湊燃盡風(CCOFA),布置于主燃燒器頂部

· 可水平擺動的分離燃盡風(SOFA),見圖8,布置于主燃燒器上方3-6米區域

· 預置水平偏角的輔助風噴嘴(CFS),見圖9,布置于主燃燒器煤粉噴嘴之間

· 煤粉噴嘴



LN-SOFA技術的主要特點

·NOx排放值最高可降低約50%

通過選用合適的主燃燒區氧量和SOFA高度(還可通過SOFA噴口垂直擺動來調整),可最高降低50%NOx排放量。

·設備簡單,安裝、改造工作量小,工期短,適用范圍廣


現有鍋爐應用LN-SOFA技術,需將主燃燒器上方增加SOFA燃燒器,主燃燒器作適當改造即可。改造工期短,鍋爐大修燃燒器更換備件時即可同時實施改造。適用于各種燃料的各種爐型,如四角切圓燃燒鍋爐、對沖燃燒鍋爐等。

·成本低

與SCR技術和SNCR技術相比,LN-SOFA技術因其設備簡單、改造工作量小而初期投資成本相對較小。而且,因無須催化劑和還原劑,運行成本更是比SCR技術和SNCR技術低很多。

·有利于控制爐膛出口煙溫偏差,有效避免結焦和高溫腐蝕,對機組影響小

應用LN-SOFA技術,通過SOFA噴口的水平擺動,可以有效降低爐膛出口煙溫偏差,通過CFS噴口的采用,可以有效避免鍋爐水冷壁結焦和高溫腐蝕。LN-SOFA技術可能帶給機組運行不利的影響是鍋爐飛灰含碳量會有微量增加,但通過運行調節如配風和煤粉細度可以較好地解決。

·與SCR、SNCR技術比較,有明顯優勢



LNB、SCR和SNCR三種脫氮技術的經濟技術比較



三、典型案例

    大唐西固熱電有限責任公司2x330MW鍋爐LN-SOFA技術應用

      

    大唐西固熱電有限責任公司2x330MW亞臨界汽包鍋爐,由武漢鍋爐股份有限公司設計制造,采用四角切圓燃燒、擺動式直流燃燒器。該鍋爐低NOx燃燒器設計采用主燃燒器+CCOFA+SOFA布置方式,實現了NOx的低排放,目前鍋爐滿負荷時NOx平均排放值為360mg/Nm3,低于國家規定的標準(450 mg/Nm3),收到明顯成效。

 

大唐西固熱電有限責任公司300MW鍋爐LN-SOFA燃燒器

煤種 (煙煤)

LN-SOFA燃燒器設計特點

  (1)在主燃燒器的頂部布置有兩層CCOFA噴口,上一次風上方6.5米處布置有三層SOFA噴口,見圖10~圖13,CCOFA+SOFA風占總風量的23%,主燃燒器區域的過量空氣系數約0.9,既降低了主燃燒器區域NOx的生成量,又可在燃燒后期補充氧量,保證煤粉的燃燼。

  (2)SOFA噴口既可水平擺動±15°,又可上下擺動±20°。水平擺動可以減小爐膛出口煙氣殘余旋轉,減小煙溫偏差;上下擺動可以控制SOFA風進入爐膛的時間,可使NOx的排放值和飛灰含碳量達到最佳。

  (3)采用彎頭式水平濃淡分離燃燒技術。不僅提高低負荷穩燃性能,又能夠防止結渣與高溫腐蝕,減少NOx排放。

  (4)一次風噴嘴周界風采用不等邊周界風,背火側大,向火側小,增加了一次風射流的剛性,并在水冷壁附近形成富氧區,防止結渣和高溫腐蝕。

  (5)將頂部燃燼風及中間一層二次風反切12°。減少爐膛出口處氣流的“殘余旋轉”,減少爐膛出口煙溫偏差,同時降低NOx排放。

  (6)燃燒器特性參數

LN-SOFA燃燒器系統結構

箱體

    燃燒器箱體設計采用傳統風箱結構,用隔板將燃燒器風箱隔成多個風室,各風室出口布置噴嘴,入口處布置風門擋板,整個燃燒器與鍋爐的連接是通過箱殼與水冷套的連接來實現的,見圖14。

擺動機構

    主燃燒器和SOFA燃燒器每角分別由一臺氣動執行器來驅動噴口的上下擺動; SOFA燃燒器由手動擺動裝置帶動噴口擺動,見圖14。


SOFA風噴口

    SOFA風噴口分為內噴口和外噴口,見圖15。外噴口通過軸與燃燒器箱體連接,整組噴口繞軸上下擺動;內噴口通過軸與外噴口連接,內噴口繞軸水平擺動。


一次風室

    燃燒器一次風采用彎頭式水平濃淡分離燃燒技術。一次風室由彎頭、一次風管和噴嘴組成。彎頭布置于燃燒器入口端,煤粉氣流經彎頭濃淡分離后進入一次風管,保證煤粉氣流分為濃、淡氣流進入噴嘴。

二次風室

    主燃燒器布置有六層二次風,兩層CCOFA二次風,SOFA燃燒器設計有三層二次風,此三層二次風可同時垂直、水平擺動。

二次風擋板

    每個風室都配有各自的風門擋板,同一層四組燃燒器的風門擋板同步動作。

    風門擋板的結構為雙擋板對稱布置,全閉狀態下擋板呈15°傾斜。




SOFA風道

    分別從鍋爐兩側主二次風道引一路SOFA風向上,至SOFA燃燒器高度后再對稱的前后分別引至前后角SOFA燃燒器,保證四角SOFA風量均勻,見圖17。


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