莫才頌,王崗罡,何 明
( 1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣東 茂名 525000;2.中國人民解放軍駐211廠軍事代表室,北京100076;3.茂名熱電廠,廣東 茂名 525000)
環(huán)保與三廢利用
火電廠鍋爐燃燒器低NOx分析
莫才頌1,王崗罡2,何 明3
( 1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣東 茂名 525000;2.中國人民解放軍駐211廠軍事代表室,北京100076;3.茂名熱電廠,廣東 茂名 525000)
針對某火電廠鍋爐煙氣中 NOx 排放濃度高的情況,對原鍋爐燃燒器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況及 NOx 的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析,提出了燃燒器低 NOx排放的燃燒措施。
鍋爐;燃燒器;低NOx改造
火電廠大氣污染物排放控制問題,已越來越受到世界各國政府的關(guān)注和重視。我國在“十二五”期間將推行新的更加嚴(yán)格的火電廠NOx排放標(biāo)準(zhǔn)。
火電廠中大量的煤炭燃燒,隨之而來的是嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。氮氧化物就是煤炭燃燒過程中產(chǎn)生的主要污染物之一,它是一種危害人體健康和破壞大氣環(huán)境的有毒物質(zhì)。NOx與SO2和粉塵共存,可生成硝酸或硝酸鹽氣溶液,最終形成酸雨。目前我國已有占國土面積40%的地區(qū)酸雨pH值小于5.6,氮氧化物會形成光化學(xué)煙霧,對人的眼睛和呼吸道有強(qiáng)烈的刺激性;氧化亞氮(N2O)會破壞同溫層的臭氧,使之失去對紫外線輻射的屏蔽作用,對地面生物造成傷害。
燃煤電廠排放的NOx來自電站鍋爐,因此,尋找有效的鍋爐燃燒優(yōu)化運(yùn)行技術(shù),以實(shí)現(xiàn)鍋爐穩(wěn)定、高效而潔凈的燃燒,降低鍋爐的NOx排放量,對節(jié)省巨額的氮氧化物排污費(fèi)用,降低設(shè)備初投資及運(yùn)行費(fèi)用,有效地提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,增強(qiáng)企業(yè)競爭力等具有重要意義。
NOx主要是通過熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx這3種途徑生成的,并且都在煤燃燒過程中出現(xiàn)。
(1)快速型NOx是由燃料揮發(fā)物中的碳?xì)浠衔锔邷胤纸馍傻腃H自由基和空氣中氮反應(yīng)生成的HCN和N,再進(jìn)一步與氧作用以極快的反應(yīng)速率生成NOx,它的生成與溫度關(guān)系不大。對于煤粉鍋爐快速型NOx僅占NOx總排放量的5%左右。
(2)熱力型NOx 是空氣中的氮在高溫下氧化而產(chǎn)生的。熱力型NOx是隨燃燒溫度按指數(shù)規(guī)律增加的。熱力型NOx占NOx總排放量的20%~50%。試驗(yàn)表明,在燃燒溫度低于1500℃時,溫度每增加100℃反應(yīng)速率將增大6~7倍。在溫度低于1350℃時生成量很少, 但在1500℃以上時就變得比較突出, 排放量與燃料型NOx接近。由此可見, 溫度對這種NOx的生成影響具有決定性作用,故稱其為熱力反應(yīng)型NOx。
(3)燃料型NOx是燃料中氮化物在燃燒過程中氧化而形成的,分為揮發(fā)分中氮與氧反應(yīng)生成的揮發(fā)性NOx和焦炭中氮與氧反應(yīng)生成的焦炭型NOx。燃料型NOx占NOx總排放量的60%~80%。
在生成燃料型NOx過程中,由于燃料中氮的熱分解溫度在600~800℃之間,首先是由揮發(fā)分中氮化物熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN和NHi等中間產(chǎn)物,或以熱解焦油的形式析出然后被氧化成揮發(fā)性NOx,揮發(fā)性NOx占燃料型NOx的60%~80%; 剩余部分氮則殘存在焦炭中與氧反應(yīng)生成焦炭型NOx,焦炭型NOx占燃料型NOx的20%~40%。
可見氮的釋放程度與揮發(fā)分析出過程密切相關(guān),在燃燒初期控制煤粉氣流中的供氧量就能夠降低燃料型NOx的生成。研究表明,在氧化性氣氛中,隨著過量空氣系數(shù)的增加,由揮發(fā)分生成的NOx將迅速增加,明顯超過焦炭NOx。顯然,控制揮發(fā)分NOx具有更重要的意義。同樣,控制供氧量也將抑制燃料型NOx的生成。
3.1 低過量空氣燃燒
煤燃燒過程中,煙氣中過量空氣的減少可以抑制NOx的生成, 這是最簡單的降低NOx的方法。一般來說,采用低過量空氣燃燒可以降低NOx排放15%~20%,但采用這種方法有一定的限制,如爐膛出口過量空氣系數(shù)低于1.15而不采取強(qiáng)化二次風(fēng)與火焰混合的措施,就會造成CO濃度急劇增加,從而大大增加化學(xué)不完全燃燒熱損失,同時也會引起飛灰含碳量的增加,導(dǎo)致機(jī)械不完全燃燒熱損失增加,燃燒效率會降低。
本方案中選用較高的二次風(fēng)速增強(qiáng)其混合能力,為將來電廠探索低過量空氣系數(shù)燃燒技術(shù)創(chuàng)造了條件。
一次風(fēng)燃燒器中的鈍體造成煙氣回流,沖淡了一次風(fēng)氣流,使著火區(qū)氧濃度降低,對降低NOx排放起到一定作用。
一次風(fēng)噴嘴的后部采用圓弧形,可以保證噴嘴擺動到任何位置從風(fēng)室中流出的有組織空氣量不變,防止燃燒器處于擺動位置時無組織風(fēng)與火焰過早混合造成的NOx排放增加。
3.2 濃淡燃燒
利用煤粉濃縮器可以將一次風(fēng)氣流分成濃度不同的兩部分,濃側(cè)氣流中有90%左右的煤粉,淡側(cè)氣流中有10%左右的煤粉,空氣在這兩側(cè)基本是均勻分配的。
對濃煤粉噴口,煤粉氣流中含氧量低于揮發(fā)分完全燃燒所需要的量,這就抑制了揮發(fā)性NOx的生成量。對淡側(cè)煤粉噴口,煤粉氣流中含氧量雖然高但燃料量過少,燃燒溫度低仍然不利于NOX生成。圖1給出了濃淡燃燒降低NOX的原理,圖中C1和C2之差就是濃淡燃燒器降低的NOX生成量。
水平濃淡燃燒器濃側(cè)氣流以一定角度反切布置,可以強(qiáng)化風(fēng)粉氣流與熱煙氣的換熱提前著火,相對推遲二次風(fēng)的混合距離,對降低NOx排放起到輔助作用。
圖1 濃淡燃燒降低NOX的原理
3.3 空氣分級
在分級燃燒中,提供給主燒器的風(fēng)量要比正常的少。燃燒空氣的平衡是通過燃燒區(qū)域上方稱之為燃燼風(fēng)的噴嘴加入空氣進(jìn)爐膛實(shí)現(xiàn)的。分級送風(fēng)的原理是:(1) 以比正常要求少的風(fēng)量供給燃燒器,嚴(yán)格限制NOx的生成。(2) 在過燃風(fēng)引入之前濃相燃料有較長的停留時間,使得燃料中的結(jié)合氮有機(jī)會在缺氧區(qū)內(nèi)逸出,并能消除存在的NOx。(3) 燃燼風(fēng)高速噴入爐膛,以保證與燃燒煙氣流的混合,提供完全燃盡所需要的空氣。
對于中儲倉式制粉系統(tǒng)的鍋爐NOx排放量很大程度上取決于一次風(fēng)量的大小和濃淡燃燒器是否工作可靠,因此要注意下述因素影響:(1) 在不堵管的前提下降低一次風(fēng)速有利于降低NOx排放。(2)在任何負(fù)荷,都投運(yùn)所允許的最少數(shù)量燃燒器運(yùn)行。(3) 及時更換磨損的一次風(fēng)濃縮器葉片。(4) 確保所有的二次風(fēng)擋板工作可靠且開度指示正確。
經(jīng)過實(shí)踐,在鍋爐燃燒器采取降低NOx排放的措施后,NOx的排放大幅度下降,能適應(yīng)調(diào)劑煤質(zhì)的要求,鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。
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Analysis for Low-NOx of Power Plant Boiler Burner
MO Cai-song1, WANG Gang-gang2, HE Ming3
(1.College of Mechinery and Electronic Engineering,,Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,China;2.PLA Military Delegate Chamber Stationed in Factory 211,Beijing 100076,China;3. Maoming Thermal Power Plant,Maoming 525000, China)
TK 223.23
B
1671-9905(2014)04-0058-02
廣東省茂名市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011010)
莫才頌(1973-),男,碩士,副教授,主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、化工機(jī)械設(shè)備、電力設(shè)備與機(jī)電工程等教學(xué)與研究工作,電話:13929722166,0668-2923125,E-mail:mcs2000@126.com
2014-01-10