CN101245919B

CN101245919B - 多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法

Info

Publication number: CN101245919B
Application number: CN2008100327361A
Authority: CN
Inventors: 范卫东; 高子瑜; 张建文; 姚丹花; 沈引根; 吴乃新
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai Boiler Works Co Ltd
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai Boiler Works Co Ltd
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2028-01-17
Also published as: CN101245919A

Abstract

本发明涉及一种环保技术领域的多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法，在炉膛下部的主燃烧器区与炉膛上部的燃烬风喷口之间的还原区域，沿程布置若干层系列还原风空气喷口，这些系列喷口喷出的空气等于锅炉燃煤量燃烧所需要总空气量的13％～20％，并被分成两部分，一部分用来控制还原区域烟气中氧浓度来减排氮氧化物，此部分喷口称为控制喷口，一部分用来保护还原区域的水冷壁，此部分喷口称为保护喷口，使水冷壁周围具有氧化气氛来避免结渣、高温腐蚀。本发明能实现进一步加大空气分级程度，更大程度降低氮氧化物排放，保护还原区水冷壁避免结渣、高温腐蚀，降低因分级带来的飞灰含碳量增大等优点。

Description

多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法

技术领域

本发明涉及一种锅炉技术领域的NOx排放方法，尤其是涉及到一种多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法。

背景技术

氮氧化物(NOx，包括NO、NO₂、N₂O)是一类能造成大气环境严重污染的气体，被认为是大气污染的主要来源之一。每年在世界范围因燃烧化石燃料而排放的氮氧化物在所有氮氧化物排放中占有很大的比例。日益严格的环保法规要求研究开发先进的燃烧技术，以减少NOx等污染物的排放。目前我国的能源构成的最大特点是以煤炭为主，占70％以上，这将产生大量的氮氧化物气体，因此这样的能源结构对经济高效增长及生态环境都会产生负面影响。目前已有的控制常规燃煤电站锅炉NOx排放的技术措施可分为低NOx燃烧技术和烟气净化技术两类。烟气净化技术是通过脱除烟气中NOx来降低NOx的最终排放量。国外火电厂NOx减排主要通过先进的运行操作方式、低NOx燃烧技术与尾部烟气脱硝技术来实现。尾部烟气脱硝技术比较彻底，但其投资与运行维护费用昂贵。先进低NOx燃烧技术可降低排放浓度到450～650 mg/Nm³以下，而且随着炉内NOx生成量的减少，也会降低尾部脱硝装置的运行成本。低NOx燃烧技术的核心之一是分级燃烧技术，包括空气分级和燃料分级两种，燃料分级技术又称为燃料再燃(还原NO)技术。国内外煤粉锅炉采用最广泛、技术最为成熟的主流低NOx燃烧技术是空气分级技术，它在我国的电站锅炉已得到普遍采用。

经对现有技术的文献检索发现，《低氮氧化物燃烧技术的发展状况》(毕玉森，热力发电，2000年02期)详细介绍了ABB-CE公司开发的四角切圆炉膛整体空气分级直流燃烧器、同轴燃烧系统(CFS I、CFS II)以及两者组合形式-低NOx同轴燃烧系统。炉膛整体空气分级是将燃烧所需的空气量分成两级送入，第一级燃烧区中为燃烧器提供的空气占煤粉完全燃烧所需要量的60％至90％，燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧。在二级燃烧区内，将燃烧用的空气的剩余部分以二次空气(燃尽风)输入，成为富氧燃烧区。在一、二级燃烧区的中间是氧浓度接近零的具有还原性气氛的还原区，这一区域的还原介质对于还原已经生成的NOx作用很明显。炉内整体空气分级技术可使NOx生成量降低30％-75％，空气分级的程度越大，即燃尽风所占的份额越大，NOx减排的程度越大。但是该技术存在的不足也显而易见，随着空气分级的程度加大，主燃区和还原区欠氧程度也加大，尤其是还原区的氧浓度更会接近零，在水冷壁面附近可能更低，形成大片的还原性气氛区域，这样还原区域的水冷壁出现结渣和高温腐蚀几率会大大增加。同时还原与燃尽过程相对分开，煤粉后期燃尽程度受到空气分级程度影响较大，分级程度越大，飞灰含碳量会增大。技术不足引起的这些炉内负面问题都会严重影响锅炉的经济安全运行。对现役的空气分级燃烧的锅炉来说，如何进行简单方便的改造来进一步减排NOx也是亟待解决的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法，使其在完全继承了传统的空气分级燃烧技术优点的基础上，在还原区域增加多级空气喷口，具有能实现进一步更大程度降低氮氧化物排放，同时保护水冷壁避免结渣、高温腐蚀，降低因分级带来的飞灰含碳量增大等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在炉膛下部的主燃烧器区与炉膛上部的燃烬风喷口之间的还原区域，沿程布置若干层系列还原风空气喷口，这些系列喷口喷出的空气为锅炉入炉总空气量的13％～20％之间，并被分成两部分，一部分用来精确控制还原区域烟气中氧浓度来减排氮氧化物，一部分用来保护还原区域的水冷壁，使水冷壁周围具有氧化气氛来避免结渣、高温腐蚀。同一层的系列喷口根据这两种作用分为两种喷口：控制喷口和保护喷口。所述若干层系列还原风空气喷口的层数根据锅炉的还原区域的高度确定。

控制还原区域的空气通过控制喷口被逐级地射入到氧浓度接近零的还原区域。已有研究表明，烟气中一定浓度O₂的存在会明显强化还原区煤焦与NOx的还原反应程度和大大提高还原反应速率。因此这个区域存在微量的氧气，会使得煤粉燃烧后形成的焦炭和已经生成的氮氧化物之间的异相还原作用大大增强，会在原有的空气分级的基础上进一步的有效的减排氮氧化物。同时添加氧气使煤焦对NOx还原与自身燃尽同步进行，非常利于煤焦后期燃尽。因此，还原区域系列喷口定义为还原风喷口，送入炉内空气称为还原风。在设计这些系列喷口的位置、形状、喷出空气量时，要考虑到不同的煤种、锅炉炉膛的设计、燃烧器的类型等等诸多影响限制燃烧和还原作用因素。设计的原则是：

1.控制喷口喷入空气量为锅炉设计的总空气量的8％～15％之间；

4.控制喷口喷入的空气量是上、下两端喷口少，中间喷口多。喷入速度为20～65米/秒，必须保证有足够的穿透力；

5.控制喷口的形状为扁平状，能保证喷出的空气与炉膛轴线垂直的平面上平铺开来。

保护还原区域的水冷壁的空气通过保护喷口被喷入到贴着锅炉水冷壁的区域。这部分的空气主要作用是贴着水冷壁，使之形成非常薄的氧化性气幕。这部分空气与锅炉原有的贴壁风相配合，进一步来保护水冷壁。设计的原则是：

1.保护喷口喷入空气量为锅炉设计的总空气量的5％～10％。

2.保护喷口喷入的空气量应上下均匀。喷入速度应该为20～65米/秒，必须保证有足够的刚性，保证有不被其它气流携带的能力。

与现有技术相比，本发明可在目前燃用烟煤和贫煤炉内整体空气分级技术控制NOx效果250～650mg/m³(烟气氧浓度6％时)基础上，实现NOx超低排放，使NOx生成量降低10～40％左右。完全消除炉内整体空气分级技术带来的炉内负面问题，飞灰可燃物含量不会增加。同时增加空气分级程度针对不同煤种和负荷变化的运行调节性能。

附图说明

图1为本发明多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放方法的应用示意图。

图2为本发明还原区系列喷口射流组织示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例的多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放方法原理图，它包含主燃烧器组、燃尽风喷口组、还原风系列喷口组。主燃烧器组由多层一、二次风喷口相间组成，喷口布置形式与通常四角切圆燃烧系统相同。根据煤粉燃烧区域特点炉膛被划分为主燃区、还原区和燃尽区。

如图2所示，为还原区系列喷口射流组织示意图，它表示还原区系列喷口某层喷口所在炉膛水平截面上的射流组织情况，喷口布置在锅炉四角上，每个角气流按两条射流轴线射入炉膛，一条射流轴线在炉膛中心处相切于一假想切圆，另一条射流轴线平行于其下游炉膛壁面。形成这样两条射流的喷口带导流叶片结构，喷口形成的射流分为上下两层。

本实施例适应于火电厂四角切圆燃煤锅炉，沿炉膛高度方向，根据煤粉燃烧区域特点炉膛被划分为主燃区、还原区和燃尽区。在主燃区由多层一、二次风喷口相间组成主燃烧器组，布置在炉膛四角上，喷口结构和布置形式与通常四角切圆燃烧系统相同，各次风射流轴线切于以炉膛中心为圆心的圆，实际流动将在炉内形成旋转气流。

主燃区采用煤粉燃烧器，可以形成稳定燃烧。生成的大量焦炭进入O₂浓度极低的还原区，在还原区气态还原性介质和焦炭等与烟气中NOx进行还原反应，降低NOx最终排放浓度。随着空气分级程度加大，主燃区空气过量空气系数不断减小，还原区中还原性气氛更强，对NOx还原效果越好。但同时，在此还原性区域飞灰熔点会较大程度降低，焦炭中未燃尽碳份额更大，这是形成易结渣的重要因素。由于四角切圆燃烧系统在炉内形成整体旋转燃烧气流，气流中大量飞灰或焦炭等固体颗粒在离心力和烟气燃烧膨胀作用下会在旋转烟气螺旋上升过程中逐渐运动到水冷壁面附近，因此一旦飞灰和焦炭贴向还原区水冷壁，水冷壁附近气氛中氧含量将基本为0，呈强还原性，必然导致壁面结渣和高温腐蚀，影响锅炉水冷壁传热和安全运行。为解决还原区存在的结渣和高温腐蚀问题，可以从上述两方面着手，即一是增加还原区烟气中氧浓度以此提高飞灰熔点，二是在水冷壁面形成一层较高氧浓度的贴壁气流来阻止飞灰等颗粒贴壁和形成壁面附近较高氧浓度气氛。故提出在还原区送入空气的技术措施达到防结渣等目的。由于这部分空气是在还原区送入，故称为还原风，当然还原风还有另一层重要的理论意义和技术作用，即起NOx还原作用的空气-还原风的量在适当和维持还原区一定的氧浓度条件下，在还原区将不参与燃烧，会起到强化煤焦还原NOx的作用，达到更低的NOx排放控制效果。还原风喷口喷出的空气量为锅炉入炉总空气量的13％～20％之间，保证还原区烟气中平均O₂浓度不应超过5％。

还原风系列喷口分为两种喷口：控制喷口和保护喷口。控制喷口送入一部分还原风用以增加还原区烟气中氧浓度，控制喷口喷入空气量为锅炉设计的总空气量的8％～15％之间。它可采取与主燃烧器的切圆相同的旋向的切圆或相反方向的切圆，而且系列喷口中的控制喷口形成的控制切圆要比主燃烧区燃烧器区喷口设计的假想切圆直径要小，这样可以在氧浓度较低的还原区的轴线区域形成一个控制区域。保护喷口送入另一部分还原风用以在水冷壁面形成一层较高氧浓度的贴壁气流来阻止飞灰等颗粒贴壁和形成壁面附近较高氧浓度，保护喷口喷入空气量为锅炉设计的总空气量的5％～10％。它的喷出方向与下游壁面形成夹角，角度为0～15°，保证还原风气流在主旋气流推动下贴向壁面而保护壁面。

本实施例中，还原风分成多层喷入，还原风由主燃区二次风箱直接或通过增压风机增压后提供，还原风应是高速射流，喷入速度为20～65米/秒，喷入后要有足够的贯穿力来保证尽量充盈还原区中煤焦富集且O₂浓度接近零的区域。实际的还原风量的调节可以根据运行条件来进行优化。

燃尽区布置有多层燃尽风喷口，多层燃尽风喷口组成列状，可以布置在炉膛四角上，也可布置在炉膛四面墙上。燃尽风实现分级燃烧，在此区域对主燃烧区未完全燃烧产物进行燃尽。燃尽风由主燃区二次风箱直接或通过增压风机增压后提供，燃尽风要保证较高射流速度，喷入后要有足够的贯穿力来加强炉膛中心区域烟气与燃尽风的有效混合。

本发明中采用在还原区布置还原风系列喷口保证烟气中一定的O₂浓度，在水冷壁面形成一层较高氧浓度的贴壁气流来阻止飞灰等颗粒贴壁和形成壁面附近较高氧浓度气氛，解决空气分级程度加大后还原区水冷壁更易凸现的结渣和高温腐蚀问题。同时还原区氧参与还原NOx，强化煤焦对NOx还原效果，NOx还原区中煤焦对NOx还原与自身燃尽同步进行，利于煤焦后期燃尽。在燃尽区布置多层燃尽风喷口，燃尽风实现分级燃烧，在燃尽区对主燃烧区未完全燃烧产物进行燃尽。多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放方法可以解决进一步加大空气分级程度带来的上述结渣等负面问题，实现NOx超低排放，同时又能兼顾防止结渣、保证高燃烧效率等特点，是解决燃煤高效燃烧、超低NOx排放的综合燃烧技术。

Claims

1.一种多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法，其特征在于，在炉膛下部的主燃烧器区与炉膛上部的燃尽风喷口之间的还原区域，沿程布置若干层系列还原风空气喷口，这些系列还原风空气喷口喷出的空气为锅炉燃煤量燃烧所需要总空气量的13％～20％，并被分成两部分，一部分用来控制还原区域烟气中氧浓度来减排氮氧化物，此部分系列还原风空气喷口称为控制喷口，一部分用来保护还原区域的水冷壁，此部分系列还原风空气喷口称为保护喷口，使水冷壁周围具有氧化气氛来避免结渣、高温腐蚀。

2.根据权利要求1所述的多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法，其特征是，所述控制还原区域的空气通过控制喷口被逐级地射入到氧浓度接近零的还原区域，控制喷口喷出的风量的分配为两端小、中间大的原则。

3.根据权利要求1或2所述的多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法，其特征是，所述控制喷口喷出的风量为锅炉燃烧所需要的空气量的8％～15％。

4.根据权利要求1或2所述的多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法，其特征是，所述控制喷口中最上层的系列还原风空气喷口和最下层燃尽风喷口之间的距离，与主燃烧器最上层喷口与最下层燃尽风喷口之间的距离比＞0.1。

5.根据权利要求1或2所述的多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法，其特征是，所述控制喷口中最下层的系列还原风空气喷口和主燃烧器最上层喷口之间的距离，与主燃烧器最上层喷口与最下层燃尽风喷口之间的距离之比＞0.1。

6.根据权利要求1或2所述的多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法，其特征是，所述控制喷口喷出空气的速度为20米/秒～65米/秒。

7.根据权利要求1或2所述的多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法，其特征是，所述控制喷口的形状为扁平状，喷出的空气在与炉膛轴线垂直的平面上平铺开来。

8.根据权利要求1所述的多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法，其特征是，所述保护喷口喷出的风量为锅炉燃烧所需要总空气量的5％～10％，这部分的空气贴着水冷壁射流，形成非常薄的氧化性气幕。

9.根据权利要求1或8所述的多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法，其特征是，所述保护喷口喷入的空气量上下均匀，喷入速度为20米/秒～65米/秒。

10.根据权利要求1或2或8所述的多级还原风控制大容量燃煤锅炉NOx排放的方法，其特征是，所述系列还原风空气喷口布置在锅炉四角上，每个角气流按两条射流轴线射入炉膛，一条射流轴线在炉膛中心处相切于一假想切圆，另一条射流轴线平行于其下游炉膛壁面，形成这样两条射流的喷口带导流叶片结构，喷口形成的射流分为上下两层。