CN105605606A - 一种降低电站煤粉锅炉NOx排放浓度的周界风方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低电站煤粉锅炉NO_x排放浓度的周界风方法，具体为：保证炉膛总风量不变的条件下，使用风压相对较高的一次风替代原有二次风作为冷却煤粉喷嘴的周界风。由于一次风风压高于二次风风压，用一次风替代原有周界风之后，周界风的流速增加。保证替代前后周界风的动量一致，则替代后周界风的质量流量相应降低，由于周界风的动量没有变化，因此可以达到对燃烧器相同的冷却效果，也保证了一次风煤粉射流的刚性。同时周界风质量流量降低，使煤粉燃烧初期的过量空气系数减小，抑制燃烧初期NO的生成，从而降低锅炉运行时NO的排放浓度。

Description

一种降低电站煤粉锅炉NOx排放浓度的周界风方法

技术领域

本发明属于电站锅炉技术领域，具体涉及一种降低电站煤粉锅炉NOx排放浓度的周界风方法。

背景技术

2014年燃煤机组发电量占我国总发电量的78％左右，这种能源结构在今后的一段时期内都不会改变。煤燃烧产生的氮氧化物NO_x(NO、NO₂和N₂O)是大气污染物的主要来源。NO_x具有毒性，会形成酸雨与光化学烟雾。为了适应更加严峻的环境形势，新《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2012)将电站锅炉NO_x排放浓度限定为100mg/m³，个别炉型和地区为200mg/m³，因此现役的燃煤锅炉都需要采取有效的措施来降低NO_x排放。目前，降低燃煤锅炉NO_x排放主要通过采用炉内低NO_x燃烧技术和烟气脱硝技术相结合的方法。

烟气脱硝技术，主要包括选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)。SCR方法使用特定的催化剂，在烟气流经SCR反应器时，喷入氨、尿素等氨基还原剂，选择性地将NO_x转化为N₂和H₂O，其反应温度区间在100-450℃，脱硝效率在90％左右。但SCR系统通常存在氨和烟气混合不均导致喷氨量增加，运行成本较高、NO_x排放不达标、氨逃逸产生二次污染和设备腐蚀等问题。SNCR方法通过将氨直接注入燃烧室，进而将NO_x还原为N₂，但该方法实际运行中存在反应温度区间狭窄，脱硝效率低等问题。

低NO_x燃烧技术主要包括空气分级燃烧，烟气再循环，空气深度分级燃烧技术，新型低NO_x燃烧器等。采用低NO_x燃烧技术可有效降低炉膛出口NO_x排放量，减少SCR系统的喷氨量，在降低SCR运行成本的同时可减少氨逃逸带来的尾部换热面腐蚀、堵塞问题的影响。低氮燃烧技术虽然可以有效降低炉膛的NO_x排放，但距离满足电站锅炉100mg/m³排放限值还有较大距离，因此必须配合使用SCR技术才能达到排放标准。

煤粉燃烧所产生的NO_x主要涉及热力型和燃料型，热力型NO_x是指空气中的N₂在1500℃以上条件下，被O₂直接氧化成NO_x，它主要受温度和氧浓度影响，可使用扩展的Zeldovich机理描述。燃料型NO_x主要由燃料中的N元素，热解氧化之后形成。根据Desoete模型理论，燃料中的N元素分布在挥发分和煤焦中。挥发分N以HCN和NH₃的形式释放，NH₃和HCN既可以被氧化为NO_x，也可以在NO_x和焦炭的作用下被还原为N₂，这两个反应在煤燃烧过程中是同时进行的，焦炭N直接被氧化成NO_x。煤燃烧过程中NO_x主要产生于燃烧初期，因此燃烧区域的过量空气系数对NO_x浓度有有重要影响，降低燃烧区域的过量空气系数，保证燃烧区域的还原性气氛，这一方面可抑制挥发分含氮中间产物NH₃和HCN氧化生成NO_x，另一方面促进NO_x和焦炭与含氮中间产物HCN和NH₃发生还原反应。电站锅炉采用低氮燃烧技术可以有效降低炉膛的NO_x排放浓度，但距离满足日益严苛的环境指标仍然有很大差距，需要在机组上运行SCR系统，可以基本满足NO_x的排放标准，但是这样会加大发电厂的运行成本，尤其是在机组负荷运行条件下(≦65％ECR)，运行氧量高于高负荷，主燃烧区域的过量空气系数明显高于高负荷，削弱了炉内空气分级效果，燃烧初期的空气/燃料比增加，促进了燃烧初期的NO_x的生成反应，削弱了NO_x的还原反应，炉膛的NO_x排放浓度较高，这进一步增加了SCR系统运行成本，也可能导致NO_x排放超标。

发明内容

针对现有电站粉煤锅炉的NO_x排放问题，本发明提供一种降低电站煤粉锅炉NOx排放浓度的周界风方法，其目的在于，在保证电站锅炉运行的经济性和安全性的前提下，有效降低NO_x排放浓度，降低SCR系统运行成本。

为实现本发明的技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种降低电站煤粉锅炉NOx排放浓度的周界风方法，保证炉膛总风量不变的条件下，使用一次风代替二次风作为冷却煤粉喷嘴的周界风。

进一步地，替换后的周界风质量流量逼近替换之前的一半，替换后周界风的流速逼近替换之前的两倍，并通过增加二次风喷口和燃尽风喷口的质量流量，从而保证炉膛总风量不变。

本发明的有益技术效果体现在：

采用风压较高的一次风替代原有周界风，并保证炉膛总风量不变。保证替换前后周界风动量基本不变，使得替换后的周界风对一次风喷嘴有相同的冷却效果和一次风煤粉气流的射流刚性。通常替换后的周界风质量流量约为替换之前的一半，因此要求替换后周界风的流速约为替换之前的两倍。用风压较高的一次风替代原有周界风之后，周界风质量流量降低，煤粉燃烧初期过量空气系数降低，抑制了燃烧初期NO_x的生成，从而降低炉膛NO_x排放浓度。本发明为一种降低电站煤粉锅炉NO_x排放浓度的周界风方法，其技术效果主要体现在：

(1)用风压较高的一次风替代原有周界风之后，周界风质量流量降低，煤粉燃烧初期过量空气系数降低，抑制了煤粉燃烧初期NO_x的生成，从而降低炉膛NO_x排放浓度。

(2)替换前后周界风动量不变，可以保证对一次风燃烧器相同的冷却效果和一次风煤粉气流射流刚性。

(3)SCR系统喷氨量减少，降低了SCR系统的运行成本。

附图说明

图1(a)为传统周界风技术原理图，图1(b)为本发明周界风技术原理图，其中，1为一次风机，2为二次风机，3为空气预热器，4为一次风燃烧器，5为周界风喷口，6为二次风喷口，7为燃尽风喷口，8为一次风箱，9为二次风箱；

图2(a)为炉膛立体结构图，图2(b)为燃烧器布置示意图；

图3(a)为65％负荷下替换前的一次风喷口截面温度分布云图，图3(b)为65％负荷下替换后的一次风喷口截面温度分布云图；

图3(c)为50％负荷下替换前的一次风喷口截面温度分布云图，图3(d)为50％负荷下替换后的一次风喷口截面温度分布云图；

图4(a)为65％负荷下替换前后的沿炉膛高度平均温度分布对比示意图，图4(b)为50％负荷下替换前后的沿炉膛高度平均温度分布对比示意图；

图5(a)为65％负荷下替换前后的O₂浓度沿炉膛高度分布曲线对比示意图，图5(b)为50％负荷下替换前后的O₂浓度沿炉膛高度分布曲线对比示意图；

图6(a)为65％负荷下替换前后的CO浓度沿炉膛高度分布曲线对比示意图，图6(b)为50％负荷下替换前后的CO浓度沿炉膛高度分布曲线对比示意图；

图7(a)为65％负荷下替换前后的NO_x浓度沿炉膛高度分布曲线对比示意图，图7(b)为50％负荷下替换前后的NO_x浓度沿炉膛高度分布曲线对比示意图；

图8不同工况下NO_x排放浓度对比示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实施实例提供在1000MW塔式锅炉上应用一种电站煤粉锅炉新型周界风技术的数值模拟。

1.锅炉概况

研究对象是一台1000MW超超临界变压运行螺旋管圈直流锅炉，炉膛宽、深、高分别为：23.16m,23.16m和113.4m。采用单炉膛塔式布置、四角切向燃烧，摆动喷嘴调温，平衡通风。锅炉制粉系统采用中速磨冷一次风直吹式系统，配六台中速磨煤机。炉膛结构和燃烧器布置如图2所示，燃烧方式采用典型的低NO_x同轴燃烧系统(LNCFS)。LNCFS在降低NO_x排放的同时，着重考虑提高锅炉不投油低负荷稳燃能力和燃烧效率，通过技术的不断更新，LNCFS在防止炉内结渣、高温腐蚀和降低炉膛出口烟温偏差等方面，同样具有独特的效果。该锅炉共设有12层煤粉喷嘴，分别为A1-A4、B1-B4、C1-C4三组，每组燃烧器内设有端部二次风、中部二次风和两层偏置二次，其中预置水平偏角的辅助风喷嘴(CFS)和直吹风喷嘴各占50％出口流通面积。每台磨煤机对应相邻2层燃烧器，煤粉喷嘴之间布置有1层燃油辅助风喷嘴。在最上层燃烧器上部布置有紧凑燃尽风(CCOFA)及6层可水平摆动的分离燃尽风(SOFA)喷嘴。

2.网格划分及模型选取

采用结构化的网格划分方法，使用高质量的六面体网格进行炉膛划分，总网格数为2.61×10⁶。燃烧器出口区域采用与流体流动方向一致的网格，以减小计算伪扩散产生的误差，并将该区域的网格进行加密，从而准确模拟此区域物理量梯度变化大的特性。

炉内燃烧包括气相流动、湍流燃烧、辐射传热、污染物排放等过程。气相湍流流动计算采用标准的k-ε双方程模型模拟，气相湍流燃烧采用混合分数/概率密度函数模型(PDF)模拟，煤粉颗粒运动采用随机轨道模型模拟，煤的热解采用双方程平行反应模型，焦炭燃烧采用动力/扩散控制反应速率模型，辐射传热计算采用P1法。NO_x的生成模拟采用后处理的方法，燃烧过程中生成的NO_x只考虑热力型NO_x和燃料型NO_x，热力型NO_x含量很少，计算中不予考虑。热力型NO_x采用扩展的Zeldovich机理描述；燃料型NO_x采用De-Soete模型描述。

3.边界条件

炉膛壁面设置为无滑移的温度边界条件，壁面温度和壁面辐射率分别设为700K、0.8。炉膛出口采用压力出口边界条件，压力设为-80Pa。煤粉颗粒的粒径分布遵循Rosin-Rammler公式，最大直径250μm，最小直径10μm，平均直径55μm，分布指数为1.5。焦炭燃烧的指前因子设为0.0043kg/(m²·s)Pa，活化能设为83.7kJ/mol。压力与速度耦合选用SIMPLE算法，求解采用逐线迭代法和低松弛因子，压力项离散采用PRESTO格式，其它项的离散格式为一阶迎风。获得收敛解的判敛标准为:能量方程、辐射传热计算、NO、HCN和NH₃的残差小于10^-6，其它方程残差小于10^-3。

4.工况设置

该机组在运行时存在低负荷下NO_x排放浓度较高的问题，且负荷越低，NO_x浓度越高。结合现场运行情况及理论分析后，出现上述现象的主要原因为：低负荷运行时，一次风煤比较高负荷增加30％以上，炉膛的运行氧量增加，造成燃烧初期主燃区的过量空气系数明显上升，从而促进了燃烧初期的NO_x的生成反应，抑制了NO_x的还原反应。

采用数值模拟结合现场试验的方法，设置四个模拟工况，负荷分别为65％ECR和50％ECR，具体工况设置如表1所示。

表1工况设置

其中，工况2和工况4，根据原理图1(b)，分别用一次风代替原有(工况1和3)来自二次风箱的周界风，且周界风率均降低一半，为了保证周界风的动量不改变，周界风速相应增加一倍，炉膛总风量保持不变。表中二次风包也含了所有的OFA和CCOFA风。

4.计算结果分析

图3为各工况一次风喷口截面温度分布云图。可以看出，使用风压较高的一次风替代原有来自二次风箱的周界风之后，由于周界风动量基本不变，因此一次风燃烧器喷口附近温度基本没用变化，替换后的周界风对一次风喷嘴可以达到相同的冷却效果。

图4为各工况沿炉膛高度平均温度的分布曲线。可看出，各工况下其温度分布趋势基本一致，在冷灰斗区域，仅有较少的煤粉进行燃烧，因而温度较低，进入主燃区后，大量煤粉开始逐渐燃烧，炉膛温度迅速增加，在主燃区上方达到最高。随着炉膛高度的增加，煤粉逐渐燃尽，水冷壁不断吸热，炉膛温度有所降低。在50米附近，随着SOFA风的加入，CO与未燃尽的煤粉进一步反应释放热量，温度又有所上升。进入屏区之后，煤粉已基本燃尽，同时过热器及再热器大量吸热，炉膛温度迅速降低，在出口处降低到1000K以下；对比用一次风替换周界风前后的温度分布曲线可知，用一次风替换原有周界风后，炉膛主燃区的温度有轻微降低，这对抑制NO的生成是有利的。

图5为不同工况下O₂浓度随炉膛高度的分布曲线图，可以看到，用一次风替换原有二次风之后，由于周界风的质量流量降低，使得主燃区过量空气系数有所减少，氧浓度明显降低，炉膛上部的氧浓度基本没用变化。

图6为CO浓度随炉膛高度的变化曲线，与氧量曲线相反，CO大量集中在主燃区，这是因为大量煤粉在此区域不完全燃烧产生的，进入主燃区上方后，由于氧气的补足，CO被氧化成CO₂，浓度迅速降低；用一次风替换原有周界风之后，主燃区的CO浓度明显上升，炉膛上部的CO浓度基本不变，结合图5可以说明，用一次风替换原有的周界风之后，主燃区氧浓度降低，CO浓度上升，气氛的还原性增强；炉膛上部的CO和氧浓度基本不变，表明煤粉的燃尽基本没有受到影响。

图7为NO浓度随炉膛高度的变化曲线图，炉内NO_x的生成主要热力型NO_x和燃料型NO_x，其中，热力型NO_x主要是空气中的N₂在高温下氧化生成的，依赖于炉内温度，一般占到总量的20％左右；燃料型NO_x是煤中含N化合物在燃烧过程中生成的，主要依赖燃烧初期的化学当量比，占到了总量的80％左右。煤粉进入炉膛后迅速燃烧，煤中挥发分N以HCN、NH₃的形式大量析出，随后被氧化成NO_x，其余的则以焦炭N的形式在高温下直接转化成NO_x，另一方面，已生成的NO_x又会被HCN、NH₃和焦炭等还原性物质还原为N₂，且生成NO_x的氧化反应和已生成的NO_x被还原是同时发生的，并存在竞争关系，所以降低燃烧初期的过量空气系数可以有效抑制NO_x生成，促进NO_x的还原。由图7可以看出，用一次风替换原有周界风之后，炉内的NO_x浓度分布整体性降低，且降低幅度非常明显。

不同工况下NO_x排放浓度如图8所示，可以看出，在65％ECR和50％ECR条件下，采用上述电站锅炉新型周界风技术，分别使NO_x排放浓度降低了29.6％和16.1％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种降低电站煤粉锅炉NOx排放浓度的周界风方法，其特征在于，保证炉膛总风量不变的条件下，使用一次风代替二次风作为冷却煤粉喷嘴的周界风。

2.根据权利要求1所述的降低电站煤粉锅炉NOx排放浓度的周界风方法，其特征在于，替换后的周界风质量流量逼近替换之前的一半，替换后周界风的流速逼近替换之前的两倍，并通过增加二次风喷口和燃尽风喷口的质量流量，从而保证炉膛总风量不变。