论文发表之电厂煤粉锅炉的低氮燃烧
发布时间：2015-03-23
【摘 要】煤燃烧的污染排放已成为中国最大的大气污染源。电厂煤粉氮氧化物排放问题更为突出。通过燃烧调整和烟气脱硝来降低氮氧化物排放已经成为当前电站减排的主要技术方式。本文阐述了电厂在煤粉锅炉燃烧过程中氮氧化物的产生机理和影响因素。介绍了采用空气分级燃烧降低氮氧化物排放的原理，提出了一系列优化改造低氮燃烧的方法。
【关键词】煤粉锅炉;低氮燃烧;氮氧化物;空气分级燃烧 核心期刊论文网
能源与环境是制约人类发展的重要问题。兼顾能源工业的发展和环境保护的需要，是中国这样一个产煤大国可持续发展的重要课题。由于电厂长期燃烧高水分褐煤，以及煤种煤质不稳定等多重原因，导致锅炉燃烧排放氮氧化物值一直很高，因此，控制氮氧化物的排放量是迫切需要完成的工作。这需要采用良好的炉内低氮燃烧方式，抑制氮氧化物的生成。在锅炉的尾部烟道加装脱硝装置，把粉煤燃烧形成的氮氧化物转化成无害的氮气和有用的氮肥。
1.国内外氮氧化物的控制现状
目前国内外控制氮氧化物排放的主要技术可分为燃烧前、燃烧中和燃烧后脱硝。燃烧前脱硝难度大、成本高、处理程序较复杂，应用较少，尚需开展更多研究。燃中脱硝是指抑制氮氧化物在燃烧过程中的生成量，主要包括空气分级燃烧、燃料分级燃烧、低过量空气燃烧和低氮氧化物燃烧器。根据的生成机理减少氮氧化物生成量的方法主要有三种，即降低反应区内氧的浓度、缩短燃料在高温区内的停留时间、控制燃烧区温度。燃烧后脱硝是指把燃烧生成的氮氧化物通过一定方法还原成为氮气，分干法和湿法两种，干法有选择性催化还原、选择性非催化还原、非选择性催化还原、活性炭吸附法、分子筛、联合脱硫脱硝方法及等离子体法等;湿法分别有采用水、酸、碱液吸收法、吸收还原法和氧化吸收法等。燃烧后脱硝由于技术成熟性、投资成本、脱硝效率及运行操作等原因在火电厂应用较多的是SCR、SNCR技术，但数SCR技术。
2.氮氧化物形成机理与控制原理
2.1煤燃烧过程中的氮氧化物形成机理
一般的燃煤锅炉燃烧温度下，煤燃烧生成的氮氧化物中，一氧化氮占90%以上，氧化氮占5%～10%，而一氧化二氮只占1% 左右。因此控制氮氧化物的产生，主要就是抑制一氧化氮和二氧化氮的生成。煤粉燃烧过程中产生的氮氧化物三种类型。空气中的氮气被高温氧化而生成的热力型氮氧化物、燃料中的含氮化合物在燃烧过程中发生热分解继而进一步氧化生成的燃料型氮氧化物以及空气中的氮与燃料中的碳氢离子团反应而生成的速度型氮氧化物。煤粉在燃烧的过程中，氮氧化物的产生量与燃烧方式及燃烧条件的关系最为密切。煤种品质，如燃料煤中氮的质量分数和煤粉中的挥发分等;炉内燃烧温度;过剩空气因子α;煤粉以及燃烧产物在炉内高温燃烧区的停留时间;烟气中氧气、氮气、烃类、氮氢化合物及一氧化碳的体积分数。根据燃烧试验数据分析，燃烧温度以及燃烧中的氧气的供应量对氮氧化物的生成起主要的作用，即在剧烈的燃烧氧化反应下，燃烧温度和过剩空气因子是抑制氮氧化物成的主要因素。
2.2空气分级燃烧技术
在煤粉锅炉中，燃烧室的燃烧温度不超过1400 ℃，从热力型氮氧化物形成机制来看，该条件下热力型氮氧化物的生成量很少，抑制燃料型氮氧化物的生成才是控制氮氧化物的主要手段。燃烧过程分为三个阶段，即燃料的预热阶段、着火阶段和燃料气化结束后固体剩余物的燃尽阶段。在煤粉的着火阶段，由于燃料发生剧烈氧化，燃烧温度迅速提高，燃料因热解而产生大量的挥发分，容易快速生成燃料型氮氧化物。此时若氧气富余，根据氮氧化物形成机理，燃料中的氮将迅速转化成一氧化氮; 若氧气供应不足，则氮气的形成得到强化，从而抑制了一氧化氮的形成。炉内空气分级燃烧技术就是根据这一原理，通过改变送风方式，控制锅炉内空气的分布，使得过剩空气因子α小于1，煤粉在着火阶段处于缺氧状态，在燃烧器出口和燃烧中心区域形成还原性气氛，从而降低氮氧化物的生成量，未燃尽的炭粒则在炉膛上部的燃尽区与燃尽风混合并完全燃烧，其中燃尽风由主燃空气分流而来，并通过炉膛上部的燃尽风喷口喷入燃尽区。
3.低氮燃烧技术改造技术方案的选择
3.1燃烧器型式选择
对于低氮燃烧改造方案，燃烧器型式的选择是一项关键技术之一。总体来讲，是被广泛应用的燃烧器型式，主要集中在水平浓淡燃烧器和垂直浓淡燃烧器这两大类。水平浓淡燃烧器能实现水平方向的煤粉浓淡分离，具有射流偏向炉膛中心、径向卷吸能力强、“风包煤”效果明显等特点;垂直浓淡燃烧器能实现垂直方向的煤粉浓淡分离，在燃烧组垂直方向布置上，可实现“浓浓-淡淡-浓浓”的布置方式，能够形成燃烧区宏观的浓淡分离效果。对于燃烧器型式的选择，还要注意浓淡分离效果。以及合理的分离比例与相关参数，是确保低氮燃烧的关键所在。
由于电厂锅炉大多属于四角切圆燃烧方式，且燃烧煤种多有变化，应考虑设置边界风，使得水冷壁区域的煤粉浓度得到有效降低，氧浓度提高到最大，有利于提高水冷壁的氧化性气氛，防止火焰多度吹向水冷壁，弱化水冷壁结焦倾向。水平浓淡燃烧方式，能设计采用偏置周界风，而对于垂直浓淡燃烧方式，常常设计采用附壁射流贴壁风。二者在设置边界风的理念中，都充分考虑水冷壁结焦弱化的思想。边界风的设置涉及边界风喷口尺寸、边界风风速与风率等参数，同时还要考虑边界风与燃烧器喷口的匹配等问题。
3.3 OFA喷口选择及SOFA风设计
原有锅炉燃烧系统中常常设OFA喷口，能否利旧使用，也是低氮燃烧技术改造过程中要重点考虑的一个问题。主燃烧器上层 OFA 喷口常常反切，以削弱炉膛气流旋转，减小炉膛出口烟温偏差，效果较为明显。如果原 OFA 喷口尺寸、以及风速风量设置与低氮燃烧技术改造方案有冲突的情况，也可将其封堵或改造利用。将较大比例的二次风(SOFA)布置在燃烧器的上部，实现锅炉燃烧的空气分级燃烧技术，不仅能够控制氮氧化物的生成，同时能够保证炉膛燃尽区进一步完全燃烧从而降低飞灰可燃物的含量，维持锅炉燃烧效率。SOFA 风的存在，在于形成燃尽区。燃尽区的位置与大小是 SOFA 风设计的关键，SOFA 喷口标高、SOFA 喷口组数与层数、SOFA 风风速与风量比例等参数应该被设计者重点考虑。
4.结语
综上所述，国内电厂能源利用现状和锅炉煤粉燃烧产生的氮氧化物排放情况不容乐观，电厂管理者应该明确氮氧化物排放的危害和控制排放的重要性。对电厂锅炉低氮燃烧技术改造方案应该再三斟酌，充分考虑方案选择过程中需要考虑的众多因素，从而确保电厂达到氮氧化物排放量最低的效果。 [科]
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