PDF《低氮氧化物燃烧技术的发展状况》

低氮氧化物燃烧技术的发展状况 国家电力公司热工研究院(西安 710032) 毕玉森 [摘要] 依据大量的国内、 外技术文献 ,简要地回顾了低 NOx 燃烧技术的发展历程 ,较全面地介绍了 一些具有当今世界上先进水平的低 NOx 燃烧系统 (燃烧器) 和一台颇具特色的低 NOx 排放煤粉锅炉运 行情况.

[关键词] 低NOx 燃烧器 燃烧系统 电站锅炉 氮氧化物排放 为了控制燃烧装置排放的氮氧化物对生态环境的 危害 ,国外从

50 年代起就开始了燃烧过程中氮氧化物 生成机理和控制方法的研究.到70 年代末和

80 年代,低 NOx 燃烧技术的研究和开发达到高潮 ,开发出 了低 NOx 燃烧器等实用技术.进入

90 年代 ,有关电站 锅炉供货商又对其开发的低 NOx 燃烧器做了大量的 改进和优化工作 ,使其日臻完善.

1 控制 NO x 排放技术措施的分类 控制 NOx 排放的技术措施可分为两大类 :一是所 谓的一次措施 ,其特征是通过各种技术手段 ,控制燃烧 过程中 NOx 的生成反应.属于这类措施的有所有的 运行改进措施和除燃料分级技术外的燃烧技术措施. 另一类是二次措施 ,其特征是把已经生成的 NOx 通过 某种手段还原为 N2 ,从而降低 NOx 的排放量.属于这 类措施的有选择性催化还原法 (SCR) 、 非催化还原法 (SNCR) ,以及

80 年代后期才出现的燃料分级燃烧技 术. 第二类措施中的 SCR、 SNCR 法又称为烟气净化技 术 ,它能大幅度地把 NOx 排放量降低到

200 mg/ m3 (指 标准状态下干烟气 ,当O2 =

60 %时 ,按 NO2 计的质量 浓度.下同. ) 以下 ,但存在设备昂贵、 运行费用高的问 题. 低NOx 燃烧技术措施 (包括一次措施和燃料分 级) 一直是应用最广泛的措施 ,即便是为满足排放标准 的要求不得不使用烟气净化装置 ,仍须采用它来降低 净化装置入口的 NOx 浓度 ,以达到节省运行费用的目 的.

2 低NO x 燃烧技术的发展历程 纵观低 NOx 燃烧技术的发展过程 ,可大致划分为 三代. 2.

1 第一代低 NO x 燃烧技术措施 这一代措施不要求对燃烧系统做大的改动 ,只是 对燃烧装置的运行方式或部分运行方式做调整或改 进.因此简单易行 ,可方便地用于现役装置 ,但NOx 的降低幅度十分有限. 2. 1.

1 低过剩空气系数运行 这是一种优化装置燃烧、 降低 NOx 生成量的简单 方法.它不需对燃烧装置做结构改造 ,并有可能在降 低NOx 排放的同时 ,提高装置运行的经济性. 图1是NOx 生成量与运行氧量关系的试验结果. 由图可见 ,低过剩空气系数运行抑制 NOx 生成量的幅 度与燃料种类、 燃烧方式以及排渣方式有关. 需要说明的是 ,电站锅炉实际运行时的过剩空气 系数不能做大幅度的调整.对于燃煤锅炉而言 ,限制 主要来自于过剩空气系数低时会造成受热面的粘污结 渣和腐蚀、 汽温特性的变化以及因飞灰可燃物增加而 造成经济性下降.对于燃气、 燃油锅炉而言 ,主要限制 在于 CO 浓度超标. 技术经济综述

2 热力发电・

2000 (2) 图1过剩空气系数对 NO x 生成量的影响 2. 1.

2 降低助燃空气预热温度 降低助燃空气预热温度可降低火焰区的温度峰 值 ,从而减少热力型 NOx 的生成量.这一措施不宜用 于燃煤、 燃油锅炉 ,对于燃气锅炉 ,则有降低 NOx 排放 的明显效果(图2) . 图2空气预热温度对天然气燃烧系统 NO x 生成量的影响 2. 1.

3 浓淡燃烧技术 这种方法是让一部分燃料在空气不足的条件下燃 烧 ,即燃料过浓燃烧 ;

另一部分燃料在空气过剩的条件 下燃烧 ,即燃料过淡燃烧.无论是过浓燃烧还是过淡 燃烧 ,其过剩空气系数α都不等于 1.前者 α<

1 ,后者α>

1 ,故又称为非化学当量燃烧或偏差燃烧. 浓淡燃烧时 ,燃料过浓部分因氧气不足 ,燃烧温度 不高 ,所以 ,燃料型 NOx 和热力型 NOx 都会减少.燃 料过淡部分因空气量过大 ,燃烧温度低 ,热力型 NOx 生 成量也减少.总的结果是 NOx 生成量低于常规燃烧. 这一方法可以用于燃烧器多层布置的电站锅炉 , 在保持入炉总风量不变的条件下 ,调整各层燃烧器的 燃料和空气量分配 ,便能达到降低 NOx 排放的效果. 2. 1.

4 炉膛内烟气再循环 把烟气掺入助燃空气 ,降低助燃空气的氧浓度 ,是 一种降低燃煤液态排渣炉 ,尤其是燃气、 燃油锅炉 NOx 排放的方法 ,图3给出的是这种方法的试验结果. 通常的做法是从省煤器出口抽出烟气 ,加入二次 风或一次风中.加入二次风时 ,火焰中心不受影响 ,其 唯一作用是降低火焰温度 ,有利于减少热力型 NOx 的 生成.对固态排渣锅炉而言 ,大约

80 %的NOx 是由燃 料氮生成的 ,这种方法的作用就非常有限. 图3烟气再循环对降低 NO x 的影响 对于不分级燃烧器 ,在一次风中掺入烟气效果较 好 ,但由于燃烧器附近的燃烧工况会有所变化 ,要对燃 烧过程进行调整. 2. 1.

5 部分燃烧器退出运行 这种方法适用于燃烧器多层布置的电站锅炉.具 体做法是停止最上层或几层燃烧器的燃料供应 ,只送 空气.这样 ,所有的燃料从下面的燃烧器送入炉内 ,下 面的燃烧器区实现富燃料燃烧 ,上层送入的空气形成 分级送风.这种方法尤其适用于燃气、 燃油锅炉而不 必对燃料输送系统进行重大改造.德国把这种方法用 在褐煤大机组上 ,效果不错. 2.

2 第二代低 NO x 燃烧技术措施 这一代措施的特征是助燃空气分级送入燃烧装 置 ,从而降低初始燃烧区(也称一次区) 的氧浓度 ,相应 地也降低火焰的峰值温度.属于这一代措施的有现阶 段广泛应用于电站锅炉的各种低 NOx 空气分级燃烧 器.如ABB - CE 公司的整体炉膛空气分级直流燃烧 器、 同轴燃烧系统 (CFS Ⅰ、 CFS Ⅱ ) 、 低NOx 同轴燃烧系 统(LNCFS) 及其种类繁多的变异型式、 TFS2000 燃烧系 统;

B&

W 公司的双调风旋流燃烧器(DRB、 DRB - XCL) ;

Steinmuller 公司、 德国 Babock 公司的各种旋流燃 烧器等等. 2. 2.

1 炉膛内整体空气分级低 NOx 直流燃烧器 这种燃烧器与传统直流燃烧器不同的是在其顶部增 技术经济综述 热力发电・

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3 设了一层或两层所谓的燃尽风喷口 (OFA ― ― ― Over fire air) ,一部分助燃空气通过这些独立的喷口送入炉膛.这 样燃烧器区处于过剩空气量较低的工况下 ,抑制了 NOx 的生成.顶部投入的燃尽风用于保证燃料完全燃烧. 在特殊的情况下 ,燃烧器区域可以在低于理论燃 烧空气量下运行.这种燃烧器的技术关键有三点 :一 是要合理确定燃尽风喷口与最上层煤粉喷口的距离. 距离大 ,分级效果好 ,NOx 下降幅度大 ,但飞灰可燃物 会增加.合适的距离与炉膛结构、 燃料种类有关.二 是燃尽风量要恰当.风量大 ,分级效果好 ,但可能引起 燃烧器区域因严重缺氧而出现受热面结渣和高温腐 蚀.合理的燃尽风量对于燃煤炉约为

20 %左右 ,燃气、 燃油炉可以再高一些.三是燃尽风要有足够高的 流速 ,以保证与烟气的良好混合. 2. 2.

2 空气分级低 NOx 旋流燃烧器 这种燃烧器的特点是在其出口实现助燃空气逐渐 混入煤粉空气射流 ,其难点是要准确地控制燃烧器区 域燃料与助燃空气的混合过程 ,以阻止燃料氮转化为 NOx 的反应和热力型 NOx 的生成 ,同时又要保证较高 的燃烧效率.其做法是通过合理的结构设计 ,控制燃 烧器喉部燃料和空气的动量以及射流的流动方向. 图4可以说明空气分级燃烧器的基本原理.燃料 与空气混合物 (一次风) 和二次风 Ⅰ形成初始燃烧区 (一次火焰) .由于二次风 Ⅱ 的旋流作用和燃烧器锥口 的作用 ,形成一个内回流区 ,加热并使一次风着火.挥 发分和含氮组分的大部分在此区中析出 ,但因处于欠 氧和高 CO、 Cm Hn 浓度之中 ,限制了含氮组分向 NOx 的转换. 图4LNB 的分级风(斯坦缪勒公司的分级混合燃烧器) 二次风 Ⅱ 从一次火焰的下游混入 ,形成燃尽风 ,在 此区内 ,未燃尽的碳粒完成其缓慢的燃尽过程 ,低氧浓 度也能抑制 NOx 的生成. 2.

3 第三代低 NO x 燃烧技术措施 这一代措施的主要特征是空气和燃料都是分级送 入炉膛 ,燃料分级送入可在燃烧器区的下游形成一个 富集 NH3 、 Cm Hn 、 HCN 的低氧还原区 ,燃烧产物通过此 区时 ,已经生成的 NOx 会部分地被还原为 N2 . 属于这一代措施是空气/ 燃料分级低 NOx 旋流燃 烧器和用于切圆燃烧方式的三级燃烧. 2. 3.

1 空气/ 燃料分级低 NOx 燃烧器 这种燃烧器的特点是在一次火焰的下游投入部分 燃料(又称辅助燃料、 还原燃料) ,形成可使部分已生成 的NOx 还原的二次火焰区.以下以 Steimü ller 公司的 MSM 型燃烧器为例 ,说明其原理(图5) . 图5在LNB 上实现的空气/ 燃料分级 首先 ,与空气分级低 NOx 燃烧器一样形成一次火 焰 ,二次风 Ⅱ 的旋流作用和接近于理论空气量燃烧可 以保证火焰稳定性.还原燃料在一次火焰下游一定距 离混入 ,形成二次火焰(超低氧条件) .在此区域内 ,已 经生成的 NOx 在NH3 、 HCN 和CO 等原子团的作用下 被还原为 N2 ,分级风在第三阶段送入完成燃尽过程. 这种燃烧器的成功与否取决于以下因素 : (1) 一次火焰的扩散度 ;

(2) 二次火焰区的空气比例(还原燃料量) ;

(3) 燃烧产物在二次火焰区的停留时间 ;

(4) 还原燃料的反应活性. 增加还原燃料量有利于 NOx 的还原 ,但还原燃料 过多会使一次火焰不能维持其主导作用并产生不稳状 技术经济综述

4 热力发电・

2000 (2) 况.最佳还原燃料比例在

20 %~30 %之间. 还原燃料的反应活性会影响燃尽时间和燃烧产物 在还原区的停留时间.用氮含量低、 挥发分高的燃料 作为还原燃料较佳. 2. 3.

2 三级燃烧技术 三级燃烧又称再燃烧/ 炉内还原 ( IFNR) 或MACT 法 ,是直流燃烧器在炉膛内同时实施空气和燃料分级 的方法(图6) . 由图

6 可见 ,采用此技术时 ,炉膛内形成

3 个区 域 ,即一次区、 还原区和燃尽区. 在一次区内 ,主燃料在稀相条件下燃烧 ,还原燃料 投入后 ,形成欠氧的还原区 ,在高温 ( >

1 200 ℃ ) 和还 原气氛下析出的 NH3 、 HCN、 Cm Hn 等原子团与来自一 次区已生成的 NOx 反应 ,生成 N2 .燃尽风投入后 ,形 成燃尽区 ,实现燃料的完全燃烧. 图6三级燃烧的原理 这种方法操作容易 ,费用远远低于 SCR 法 ,与其 它先进的手段结合 ,可使 NOx 排放量下降

80 %左右 , 是目前在发达国家颇受青睐的方法.

3 角置直流低 NO x 燃烧器 直流燃烧器四角布置、 切圆燃烧是 ABB - CE 的传 统燃烧方式 ,这种燃烧方式因气流在炉膛内形成一个 强烈旋转的整体火焰 ,有利于稳定着火和强化后期混 合.此外 ,四角切圆燃烧时 ,炉内火焰充满情况较好 , 四角水冷壁吸热量和热负荷分布较均匀 ,火焰峰值温 度低 ,有利于减少 NOx 排放. 为了满足不断严格的 NOx 排放限额的要求 ,ABB - CE 公司自

70 年代起 ,陆续开发了整体炉膛空气分 级燃烧器、 二次风射流偏置的同轴燃烧系统 (The Con2 centric Firing System) 、 低NOx 同轴燃烧系统 ( The Low NOx Concentric Firing System) 等低 NOx 燃烧系统 (器) .

90 年代初,该公司在美国能源部的支持下,又对LNCFS 进行重大的改进 ,开发出最新一代的 TFS2000 燃烧系统. 3.

1 整体炉膛分级低 NO x 燃烧器 这种燃烧器的特点前面已作介绍 ,这里仅用一台

350 MW 机组锅炉为例 ,作简要说明. 图7是燃烧器的结构及布置简图.多工况的测定 表明 ,在燃用可燃基挥发分

32 % ,收到基低位发热量

22 MJ/ kg 的晋北烟煤时 ,NOx 排放量约在

700 mg/ m3 左右.在对其结构进行分析后发现 ,这种燃烧器燃尽 风喷口紧靠上层煤粉喷口布置 ,分级效果较差 ,影响了 NOx 排放量的下降幅度. 图7CE 型角置直流燃烧器结构及布置简图 3.

2 同轴燃烧系统 这种燃烧系统开发于

80 年代初 ,有两种形式.一 种是二次风射流轴线向水冷壁偏转一定角度 ,在炉内 形成一次风煤粉气流在内 ,二次风在外的同轴同向双 切圆燃烧方式 ― ― ― CFS Ⅰ(图8) ;

另一种是一次风煤粉 气流与二次风射流方向相反的同轴反向双切圆燃烧方 式―――CFS Ⅱ(图9) . CFS Ⅰ 的开发纯粹是为了降低 NOx 排放 ,二次风 射流向外偏转后 ,推迟了二次风与一次风的混合 ,减少 了燃烧初始阶段的供氧量 ,从而抑制了 NOx 的生成. 技术经济综述 热力发电・

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5 CFS Ⅰ 的关键技术在于二次风的偏转角度 ,偏转 角度大 ,NOx 排放量下降幅度大 ,但飞灰可燃物也会增 大 ,合适的偏转角因煤种而异. 试验还发现 ,二次风向外偏转并未改变一次风射 流的轨迹 ,而且由于改善了水冷壁附近的还原气氛 ,可 减轻结焦和高温腐蚀的形成. CFS Ⅱ 的好处在于提高了一次风煤粉气流在炉内 的穿透能力 ,并使其远离下方水冷壁 ,减轻炉内的结焦 和积灰.此外 ,由于

一、 二次风切圆方向相反 ,使煤粉 和空气的混合加强 ,过剩空气系数可以减小 ,从而降低 了NOx 的排放量. 从国内电站锅炉的运行实绩看 ,同轴燃烧系统在 燃用优质烟煤时 ,NOx 排放量小于

650 mg/ m3 . 图8CFS Ⅰ 射流示意图 图9CFS Ⅱ 射流方向示意图 3.

3 低NO x 同轴燃烧系统 这种系统是整体炉膛空气分级和 CFSI 的组合形 式 ,它于

1981 年出现在美国一台在役机组的改造中 , 并取得了成功 ,之后广泛应用于 ABB - CE 公司供货的 锅炉上. 这种系统降低 NOx 排放的原理和防止水冷壁结 焦腐蚀的特点前面已分别作了阐述.大量的试验结果 表明 ,采用此系统的电站锅炉 NOx 排放量比整体炉膛 空气分级要低

30 %~50 %. 3.

4 低NO x 同轴燃烧系统的最新发展

90 年代初 ,在美国能源部的支持下 ,对ABB - CE 公司开发的 LNCFS 进行了改进和完善化试验 ,目的是 把商业上可行的煤燃烧技术实用化 ,掌握其对 NOx 排 放和锅炉长期运行的影响 ,为日后制定更严格的标准 提供依据. 试验是在传统的角置直流燃烧器的基础上 ,演变 了3种结构型式(图10) . 图10 低NOx 同轴燃烧系统的改进形式 3. 4.

1 低NOx 同轴燃烧系统 Ⅰ 型(LNCFS Level Ⅰ ) 在传统角置直流燃烧器的基础上 ,交换了最上层 煤粉喷口与下邻空气喷口的位置 ,中间的各层空气喷 口向外偏转某一角度 ,形成一次风煤粉气流在内 ,二次 风气流在外的双切圆结构. 3. 4.

2 低NOx 同轴燃烧系统 Ⅱ 型(LNCFS Level Ⅱ ) 在传统角置直流燃烧器的基础上 ,增设了分离的 燃尽风喷口(SOFA) ,中间各层二次喷口偏置. 3. 4.

3 低NOx 同轴燃烧系统 Ⅲ 型(LNCFS Level Ⅲ ) 在LNCFS Level Ⅲ 的基础上增设了分离的燃尽风 喷口(SOFA) .整个试验工作历时

3 年 ,长时间的试验 结果是 :以传统的角置直流燃烧器

750 mg/ m3 的排放 量为基准 , Ⅰ型、 Ⅱ型的排放量为

480 mg/ m3 , 下降

37 %;

Ⅲ 型的排放量为

418 mg/ m3 ,下降

45 %.但Ⅲ型的飞灰可燃物含量略有增加. 在上述试验的基础上 ,ABB - CE 公司又做了完善 化工作 ,开发出了最新一代的 TFS2000 燃烧系统 ,并已 用于新设计的电站锅炉. 3.

5 TFS2000 燃烧系统 图11 给出的是用于一台

240 MW 机组的 TFS2000 技术经济综述

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2000 (2) 系统风箱布置示意图. 图11 TFS2000 风箱布置示意图 3. 5.

1 主要结构特点 3. 5. 1.

1 提前析出挥发分的控制 具有剪切条和空气折流板型式的煤粉气流喷口 , 能使风粉气流提早着火 ,并在喷口处形成一个稳定的 挥发分析出区 ,对着火点、 局部化学计量........