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富氧低氮燃烧技术在燃煤发电锅炉上的应用探索 发布时间:2017.09.19

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氮氧化物是燃煤发电行业排放的主要污染物之一。燃煤发电锅炉运行过程中,烟气中的氮氧化物(NOx)生成分为燃料型、热力型和瞬时型。其中燃料型占到80%左右。现有SCR烟气脱硝技术降低氮氧化物效果不能满足排放要求,而通过低氮燃烧技术+SCR烟气脱硝技术,以达到氮氧化物(NOx)排放标准,成为了燃煤发电厂的通用手段。

  富氧低氮燃烧技术作为燃烧过程中控制氮氧化物(NOx)的一种全新技术,通过研究及实验表明,若燃煤发电锅炉所有一次风煤粉喷口全部采用富氧低氮燃烧技术进行改造,可降低NOx80%左右,若再结合现有SCR烟气脱硝技术(富氧低氮燃烧技术为主,SCR烟气脱硝为辅),完全能够达到国家超低排放标准。

  富氧低氮燃烧技术中的所谓“富氧”,并非指锅炉配风整体富氧,而是指一次风煤粉流中的局部富氧,利用氧气助燃的三大特性,使一次风煤粉流在燃烧器内提前着火燃烧;燃烧器中的供氧量,加上一次风中的含氧量远远不能满足煤粉流完全燃烧所需氧气,因此,一次风煤粉流是在深度缺氧的情况下着火燃烧,产生大量CO,实现燃烧过程中控制氮氧化物(NOx)的目的,达到以“富氧低氮燃烧的手段,达成烟气脱硝的效果”。

  1 富氧低氮燃烧技术简介

  在富氧低氮燃烧时,一次风粉进入富氧低氮燃烧器,在富氧低氮燃烧器浓淡分离的作用下,使一次风粉达到深度的燃料分级,在富氧环境下点燃富氧低氮燃烧器中的一次风煤粉,确保一次风煤粉在富氧低氮燃烧器的高着火率(>95%),同时富氧低氮燃烧器内煤粉以着火状态进入炉膛,使炉膛高温区下移,延长炉膛换热时间,从而降低排烟热损失,提升锅炉炉效。

  一次风煤粉在富氧低氮燃烧器分级燃烧过程中,富氧低氮燃烧器内的

  空气过量系数约为0.25~0.30,不足以支撑煤粉完全燃烧,处于深度缺氧燃烧状态,产生了大量CO等还原性物质,在还原已生成的氮氧化物的同时抑制氮氧化物的产生(如下图)。

 


  不完全燃烧的煤粉进入炉膛(即大量CO强还原剂进入炉膛)后,在主燃区、还原区及燃尽区全方位布置的情况下,在炉膛中又形成空气分级燃烧,进一步抑制和还原了氮氧化物。

  通过双抑制和双还原的过程,既保证了煤粉高燃尽率,降低锅炉飞灰含碳量,减少固体不完全燃烧热损失,从而提高锅炉炉效;又大幅度抑制和还原燃烧中产生的氮氧化物,达到以“低氮燃烧的手段,产生烟气脱硝的降氮效果”。

  2 富氧低氮燃烧技术在四角切圆燃烧锅炉试验应用

  2.1中电投重庆九龙电厂装置及富氧低氮技术改造

  中电投重庆九龙电厂1#锅炉为200MW,四角切圆燃烧锅炉,燃烧煤种:贫煤;共计有16个一次风煤粉喷口,分四层布置在锅炉四角上,每层4个一次风煤粉喷口(见图1),该锅炉未进行空气分级改造。

  富氧低氮技术不改变锅炉的原有系统,保持了原锅炉运行工况,在保证中电投重庆九龙电厂1#锅炉二层4台原燃烧器(占总一次风煤粉喷口数的25%)一次风煤粉喷口面积、形状不变的基础上,将其材质更换为耐磨、耐高温材质并加装富氧低氮燃烧的相关装置;并配套安装了超低温真空储罐、氧气

  控制器、控制系统及配套管线(见图1,红体标注为富氧燃烧器安装位置)。

 

  2.2中电投九龙电厂富氧低氮燃烧技术运行效果

  中电投九龙电厂试验结果表明:在126MW负荷下,全程运行第二层4台富氧低氮燃烧器,SCR前氮氧化物(NOX)含量连续下降量为102.6mg/Nm³(如下表)。

 

  3 富氧低氮燃烧技术在对冲燃烧锅炉试验应用

  3.1 国电金堂电厂装置及富氧低氮技术改造

  国电金堂电厂#61锅炉为600MW,对冲燃烧锅炉,燃烧煤种:烟煤;共配有30只煤粉燃烧器,分三层分别布置在锅炉前后墙水冷壁上,每层各有5只燃烧器,燃烧器上部布置有10只燃尽风调风器,分别布置在前后墙上,每面墙各五个,布置成一排(见图2)。

  富氧低氮技术不改变锅炉的原有系统,保持了原锅炉运行工况,在保证国电成都金堂电厂#61锅炉B、D磨所带10台原燃烧器(占总一次风煤粉喷口数的33%)一次风煤粉喷口面积、形状不变的基础上,将其材质更换为耐磨、耐高温材质并加装富氧低氮燃烧的相关装置;并配套安装了超低温真空储罐、氧气控制器、控制系统及配套管线(见图2,红体标注为富氧燃烧器安装位置)

  3.2 国电金堂电厂富氧低氮燃烧技术运行效果

  国电金堂电厂富氧低氮燃烧技术试验结果表明:在锅炉负荷为329MW时,富氧低氮燃烧技术在仅运行10只富氧低氮燃烧器的状态下,SCR前氮氧化物(NOX)含量连续下降量为95mg/Nm³(如下表)。

 

  4 富氧低氮燃烧技术工业化应用优势

  4.1 富氧低氮燃烧技术在可操作性方面优势

  传统低氮燃烧技术在锅炉上应用时要求:锅炉调风精确、锅炉煤质稳定、机组工况稳定等。鉴于锅炉控制过程中上述控制较难实现,导致低氮燃烧技术的性能及实用性在实际工程运用中存在实际降低值与理论降低值偏差严重。

  本文运用的富氧低氮燃烧技术实现了:(1)锅炉原有配风结构不予改变;(2)富氧低氮燃烧系统整体监控简单;(3)对锅炉配风调节要求小(基本无调风操作),无需精确的、繁杂的配风要求;(4)富氧低氮燃烧完全能够适应机组不同工况的变化以及锅炉煤种的变化。(5)降低NOx效果显著,远大于传统低氮燃烧技术,真正实现了最经济、高效降氮的目的,同时可有效提高锅炉炉效,降低发电标煤耗。

  并且,本技术与当前SCR技术相比,富氧低氮燃烧技术投资费用低,同等规模及减排效果情况下是SCR技术基建投资的20%左右。同时实现了运行简单,无专用脱硝装置,运行费用低,系统维护少。尤其是富氧低氮燃烧技术运行不受锅炉烟气温度等外界环境的影响,任何工况都可高效运行。

  4.2 富氧低氮燃烧技术在降低锅炉飞灰含碳量、提高锅炉效率的优势

  根据锅炉煤粉燃烧氮氧化物生成机理(温度、空气量因素),要降低氮氧化物的排放,需对锅炉的配风、温度进行调节,使锅炉中煤粉的燃烧在尽可能低的温度、尽可能少的空气工况中进行,这与降低锅炉煤粉飞灰含碳的机理(高温、多氧工况)完全相悖,从而影响了煤粉的燃烧效率,增加了锅炉的飞灰含碳量。

  富氧低氮燃烧技术在降低锅炉氮氧化物的同时,还降低了锅炉飞灰含碳量、提高了锅炉效率,从而降低发电标煤耗。首先,富氧低氮燃烧系统使一次风粉在一次风管中提前着火燃烧,延长了煤粉燃烧的时间,减少了锅炉排烟热损失;其次,通过合理的配风,确保燃尽区煤粉燃烧充分,降低锅炉机械不完全燃烧热损失,从而提高锅炉效率,降低发电标煤耗。

  4.3 富氧低氮燃烧技术在减少空气预热器的阻力方面优势

  在电厂脱硝装置的改造中,随着SCR系统的安装与运行,锅炉空气预热器出现严重堵塞的情况,机组不得不停机清洗,主要的原因为:

  (1)SCR系统在降低氮氧化物(NOx)时,需投入一定量的氨(NH3)还原氮氧化物,会产生一定浓度的逃逸氨,锅炉产生氮氧化物的浓度越高,投入的氨就越多,逃逸氨浓度越高;

  (2)逃逸氨与煤粉燃烧所产生的的三氧化硫反应生成液态硫酸氢氨(ABS),液态硫酸氢氨附着在空气预热器上捕捉烟气中的飞灰产生堵塞,

  应用富氧低氮燃烧后,大幅度降低了SCR系统入口处氮氧化物浓度,使SCR系统不投氨或者投入少量的氨,从而大大地减少了液态硫酸氢氨的生成,防止和减少了空气预热器的堵塞,杜绝了由于空气预热器堵塞带来的停机。

  5 富氧低氮燃烧技术展望及探讨

  5.1富氧低氮燃烧技术展望

  富氧低氮燃烧技术是一种集空气分级低氮燃烧技术、燃料分级低氮燃烧技术和火焰内还原于一身的深度、高效低 NOx 新燃烧技术。

  通过在各种锅炉上的临炉工业化试验结果及研究表明,对于已进行各类低氮减排技术改造的新老锅炉,富氧低氮燃烧技术可根据其改造后所达到的氮氧化物减排效果,进行针对性的柔性连接,完全达到氮氧化物减排目标。

  若在燃煤发电锅炉所有一次风燃烧器上进行富氧低氮燃改造,可降低氮氧化物80%左右,完全达到SCR烟气脱硝的效果,同时结合现有脱硝装置,完全能够达到国家“近零”排放标准,同时可实现提高锅炉炉效、减少单位发电煤耗的目的。

  5.2富氧低氮燃烧技术未来发展方向探讨

  富氧低氮燃烧技术利用微量燃油及纯氧,使一次风煤粉流在燃烧器内深度缺氧的前提下提前着火燃烧,从而生产大量还原性气体CO,来还原NOx;但燃油作为国家战略物资,是火力发电行业的重要考核指标之一,即使富氧低氮燃烧技术耗油量极低(单台燃烧器≤5kg/h),若全国所有火力发电厂都采用该技术进行改造,其耗油量也将及其巨大。

  为此我司正积极研发无油富氧低氮燃烧技术,具体有如下两种无油富氧低氮燃烧技术:

  (1)采用高温氧气实现无油高温纯氧低氮燃烧

  我司拟通过在每台锅炉炉膛出口烟道设置烟气旁路,引出高温烟气,加热氧气,供给富氧低氮燃烧器,实现高温纯氧低氮燃烧过程无油运行。

  (2)利用LNG替代燃油进行富氧低氮燃烧

  天然气作为一种洁净能源,其价格仅为燃油的50%左右,且安装、运输过程都有相应的国家标准,使其工业应用安全、可靠,燃用天然气完全符合国家能源政策,有利于实现无油电厂目标。故特将富氧低氮燃烧所需燃油更换为天然气,也符合电厂取消油系统的发展趋势。

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