火电厂低氮燃烧技术再探讨

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  摘要:针对火电厂氮氧化物排放量严重超标的严峻形势,变采用脱硝设备被动治理,为从源头上控制氮氧化物产生。开展低氮燃烧技术的研究,实现限期内氮氧化物达标排放。
  关键词:燃煤锅炉 低氮燃烧 减排
  前言
  国家环保部2011年公布的《火电厂大气污染物排放标准(二次征求意见稿)》,要求从2012年1月1日开始,所有新建火电机组氮氧化物排放量不得超过100mg/m3。此次征求意见稿在氮氧化物减排完成时间上,将新建装置提前了3年,其他装置提前了1年;在氮氧化物减排标准上提高了1倍。“十二五”期间火电厂氮氧化物的排放总量将由2010年的1050万吨增加到1200万吨左右。
  针对上述氮氧化物排放量的严峻形势,变采用脱硝设备被动治理,为从源头上控制氮氧化物产生,开发燃煤锅炉氮氧化物减排技术—低氮燃烧技术,已刻不容缓。低氮燃烧技术即采用水平、垂直进风原理,在保证锅炉正常燃烧所需耗氧风量条件下,改善燃煤锅炉进风量,实行立体分级控制,实现低氮燃烧的技术。该技术在使用一般煤质的情况下,能够减少氮氧化物排放35%~55%。
  1、降低NOx产生的主要技术措施
  根据不同煤种,采用合适比例的SOFA风率高位偏异布置,实现双向分级燃烧;浓淡燃烧技术,使燃烧器浓淡两相化学当量比处于可控的低NOx区域;降低主燃烧器区域峰值温度;同时,调整垂直与水平方向的空气分级和水平方向的燃料分级立体化燃烧系统技术。这种技术是将从源头上根本减少燃煤锅炉氮氧化物的产生量,为实现氮氧化物的减排,具有非常重大的意义。同时,还能提高燃烧效率、降低烟温偏差、减轻(或防止)结渣和高温腐蚀等作用,具有极强的操作性和应用性。
  (1)立体化燃烧技术(墙式切圆燃烧器)
  煤种适应性广:褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤。
  技术特点:立体燃烧技术大幅降低了NOx排放量和优化其他技术指标。能最大限度地合理利用炉膛空间,降低飞灰可燃物的损失,有利于充分燃烧。炉膛内温度场更加均匀,且温度水平适中,能有效降低NOx的产生。同时,使锅炉水循环更加可靠,上炉膛水平烟道温度分配均匀,炉膛出口烟温偏差只有普通四角燃烧的70%,保护高温过热器和再热器。燃烧器出口具有较大均等空间,气流不易受到水冷壁的影响造成贴墙,从而有利于防止水冷壁的结渣。煤粉气流受水冷壁水冷程度要大大小于角式切圆燃烧,从而强化煤粉气流的着火特性、增加低负荷稳燃的能力。着火点易于调节,煤种适应性更强。
  (2)墙式完全燃烧供风系统
  用途:最大限度地降低NOx的排放量,提高燃烧效率。
  适用燃烧系统:正方形或准正方形的煤粉燃烧锅炉(所有切圆燃烧锅炉和墙式燃烧锅炉)。
  布置方式:四面墙上(或角上)切圆(或对冲)布置;
  原理:布置在墙上(或角上),提高了燃尽风的穿透深度和扰动,在燃烧的后期提高风粉的混合速度,在降低NOx排放量的同时,提高燃烧效率。
  (3)水平、垂直方向摆动的二次风燃烧
  摆动用途:在保证垂直摆动以满足锅炉调温特性要求的同时,增加水平摆动来调整切圆燃烧锅炉的燃烧火球位置以调节烟温偏差,保证锅炉的安全稳定运行。
  适用系统:正方形或准正方形的煤粉燃烧锅炉(所有切圆燃烧锅炉和部分墙式燃烧锅炉)。
  技术优点:避免了采用固定反切式二次风喷嘴调节烟温偏差而带来的不确定性和不可调节性,最大限度地提高锅炉的煤种适应性。
  普通燃烧器的二次风只能单独地水平摆动或垂直摆动,作用受限。
  (4)新型浓淡煤粉燃烧器+偏置周界风+SOFA燃烧器
  新型浓淡煤粉燃烧器是在原有WR煤粉燃烧的基础上,利用军用航空飞行器进气道突起技术改进而成,它保持了原有WR煤粉燃烧器的着火稳定的优点。同时,借鉴了浓淡分离和浓相相对集中布置降低NOx的先进技术,形成了独特地新型煤粉浓淡燃烧系统。
  新型浓淡煤粉燃烧系统避免了应用在四角切圆燃烧系统中WR燃烧器的局限性,不仅能够通过导流板实现上淡下浓的浓淡分离技术;同时,可通过百叶窗形成上浓下淡的浓淡分离技术,实现了空间布置位置的完美结合。该技术能实现炉膛内部真正的浓淡分离和浓相相对集中,达到炉内燃烧梯度分级要求,实现最初的降低NOx和着火稳定性目的。
  新型浓淡煤粉燃烧器+偏置周界风+SOFA燃烧器的性能特点:
  (a)降低炉膛出口烟温偏差和保证高温受热面壁温不超温。
  (b)有效防止两侧墙水冷壁因实现炉内空气分级后,导致的主燃区过量空气系数降低,而产生的结渣和高温腐蚀问题。
  (c)有效提高了锅炉的煤种适应性。
  (d)大幅度降低NOx排放量。
  一次风气流经百叶窗煤粉喷嘴体后,被分离成浓淡两股气流,浓相煤粉相对集中,使煤粉在还原性气氛中燃烧,延长在还原性气氛中的停留时间,可有效抑制NOx的形成。浓相区域为低氧还原性环境,有利于抑制燃料型NOx的形成。拉大二次风同一次风混合点距离,通过调节风门挡板开度,可改变二次风分级燃烧的程度。浓淡燃烧与二次风分级燃烧相结合,实现了最大限度地降低NOx排放量新型燃烧技术;更重要的是在主燃烧器上部增设SOFA喷口,实现了炉内空气分级燃烧,降低了主燃区过量空气系数,使主燃区还原性条件更加充分,大幅度地减少了烟气中NOx排放量。
  (e)飞灰可燃物燃烧更充分,提高燃烧效率。
  3、低氮燃烧技术前景
  低氮燃烧技术是根据氮氧化物的生成机理,主要通过采用空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环和低氮燃烧器等方法降低煤粉燃烧过程中氮氧化物的生成总量控制的技术。该技术具有相对简单,投资、运行费用低,节能等特点,是经济、有效的技术措施,对部分煤种如果优化设计或改造效果良好,可以不用再上脫硝装置,有效降低了二次循环污染。就技术成熟性和成本节约性而言,低氮燃烧技术的使用更加适合我国电力行业发展的现状。目前,国外有阿尔斯通、三菱等公司,对低氮燃烧技术有较深入的研究,并有产品投入运行。
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