燃烧器配风方式对NO_x排放影响的试验研究

　燃烧器配风方式　对NO x 排放影响的试验研究

黄天旭1,王聪玲2,谭厚章2

1.中国石油化工股份有限公司洛阳分公司,河南洛阳　471012

2.西安交通大学,陕西西安　710049

[摘 要]　对煤燃烧过程中燃料型氮氧化物的形成机理及其消除进行了分析。利用挥发分N 转

化为NO 时对沿炉膛高度过量空气系数十分敏感这一特点,在煤燃烧过程中设法建立α

<1的富燃料区,使燃料氮在其中尽可能多地转化成挥发分N ,同时又促使转化的挥发分N 在还原性气氛条件下转变为分子氮(N 2),从而达到较大幅度降低氮氧化物之目的。在某热电厂220t/h 锅炉上进行了二次风分级配风燃烧试验研究,研究结果表明:三层二次风燃烧器配风方式采取从下至上依次空气分级送入的方式NO x 排放量最低,采用腰鼓型配风方式NO x 排放量最高。飞灰含碳量与氮氧化物生成规律正好相反。

[关　键　词]　煤燃烧;燃烧器;NO x 排放;分级配风[中图分类号]　T K16[文献标识码]　A

[文章编号]　100223364(2008)0520036204

收稿日期:　2008202213作者简介:　黄天旭,男,中国石油化工股份有限公司洛阳分公司机动处高工。E 2mail :huangtx @

煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要是一氧化氮(NO )和二氧化氮(NO 2),这二者统称为NO x ,其中燃料型NO x 是煤燃烧时产生的NO x 的主要来源,约占NO x 排放总量的75%～90%[1]。

国内外对煤燃烧过程中NO x 的生成机理和破坏机理进行了大量研究,SCR 脱氮装置也在国外许多电厂得到应用,但由于SCR 脱氮装置设备费用及运行费用十分昂贵,目前中国只有极少的火电厂加装了SCR 脱氮装置。因此,通过合理的燃烧调整达到对燃料型NO x 的抑制,对现有锅炉有效降低NO x 的排放总量有

重要的意义。

1　燃料型NO x 的生成与破坏机理

煤炭中的氮含量一般在0.5%～2.5%左右,它们

以氮原子的状态与各种碳氢化合物结合成氮的环状化合物,如喹啉(C 5H 5N )和芳香胺(C 6H 5N H 2)等。煤中氮有机化合物的C —N 结合键能((25.3～63)×107J /mol )比空气中氮分子的N N 键能(94.5×107J /mol )小得多,在燃烧时很容易分解出来[2]。因此,从氮

氧化物生成的角度看,氧更容易首先破坏C —N 键而与氮原子生成NO ,而且燃料型NO x 的生成和破坏过程不仅和煤种特性、煤的结构、燃料中的氮受热分解后在挥发分和焦炭中的比例、成分和分布有关,还和煤种、热解温度和加热速度等有关。此外,大量的反应过程还和燃烧条件如温度和氧及各种成分的浓度等密切相关。

在氧化性气氛中生成的NO ,当遇到还原性气氛(富燃料燃烧或缺氧状态)时会还原成氮分子(N 2),这称为NO x 的还原或NO x 的破坏。因此,最初生成的

NO x 的浓度,并不等于其排放浓度,因为随着燃烧条

件的改变,有可能将已生成的NO x 破坏掉,将其还原成分子氮。所以,煤燃烧设备烟气中NO x 的排放浓度最终取决于NO 的生成反应和NO 的还原或破坏反应的综合结果[3,4]。图1为NO 破坏的反应途径。由图1可见,破坏或还原NO x 的主要途径有3个

。

图1　N O 破坏的反应途径

(1)在还原性气氛中NO 通过烃(C H i )或碳还原。

当NO 在还原性气氛中遇到烃(C H i )时,会反应生成HCN ,然后HCN 与O ,O H 和H 会反应生成中间产

物NCO 和CN 。在还原性气氛中,NCO 会反应生成N H i 。这时生成的N H i 在还原性气氛中如遇到NO ,也将被还原成氮分子。在燃煤火焰中当NO 遇到碳时,也可能还原成N 2和CO ,CO 2气体。上述这种通过C H i 和C 将NO 还原的过程称为NO 的再燃烧或燃料分级燃烧。根据这一原理而发展的将含烃根燃料或煤粉喷入含有NO 的燃烧产物的燃料分级燃烧技术,可以有效地控制NO x 的排放。

(2)在还原性气氛或弱氧化性气氛中,NO x 与氨类(N H i )反应生成氮分子(N 2)。由此发展的非选择性催化还原SNCR 和选择性催化还原SCR 技术。

(3)NO 的还原和破坏通过NCO 和N H i ,转化生成N 2O 。N 2O 是一种燃料型氮氧化物,其生成机理和燃料型NO x 很相似,但N 2O 和O ,H 原子及O H 离子团或焦炭相遇时,会发生分解反应转化成N 2。这个反应主要在低温(800～900)℃最剧烈,在分级送风、挥发分析出阶段,以及煤燃烧着火初期该反应不可忽视。

2　空气分级低NO x 燃烧技术

从燃料型NO x 的生成和破坏机理可知,为了减少燃料型NO x ,不仅要尽可能地抑制NO 的生成,而且

对已生成的NO x ,则要创造条件尽可能地促使NO x 的破坏和还原。

在常规燃煤设备的燃烧温度(1200～1450)℃条

件下,燃料N 的70%～90%会转化成挥发分N 。同时研究也表明,在α>1的贫燃料燃烧时,57%～61%的燃料型NO x 是来自挥发分N ,而在α<1的富燃料燃烧时,在较好的控制条件下,由挥发分N 生成的NO x 会降至20%～30%甚至更少。因此,利用挥发分N 转化为NO 时对沿炉膛高度过量空气系数十分敏感这一特点,在煤燃烧过程的一定阶段和一定区域,设法建立α<1的富燃料区,使燃料氮在其中尽可能多地转化成挥发分N ,同时又促使转化的挥发分N 在还原性气氛的条件转变为分子氮(N 2),从而达到大幅度降低氮氧化物目的[5]。

根据上述原理,采用空气分级、低过量空气系数等燃烧调整方法,在某热电厂50MW 机组220t/h 锅炉上进行了燃烧分级送风试验。锅炉一、二次风口共5层,从下往上依次为:下二次风、下一次风、中二次风、上一次风、上二次风。三层二次风与一次风间隔布置,这为试验分级配风提供了条件。试验工况下可安排不同的二次风送风量来模拟空气分级。

3　试验工况及结果分析

锅炉燃烧煤种为高挥发分烟煤,但其制粉系统设计为温风送粉,送粉温度达240℃。由于煤粉着火太快,燃烧区域热负荷太高,锅炉运行过程中常发生燃烧器喷口和水冷壁结焦。为此,锅炉运行习惯采用中间二次风大、下层二次风中、上层二次风小的腰鼓型配风方式,这样能有效防止水冷壁结焦,降低飞灰含碳量。锅炉煤样元素分析及工业分析结果见表1。

表1　煤样元素分析及工业分析

C ad

/%H ad /%O ad /%N ad /%S t ,ad /%A ad

/%M ad

/%V daf

/%Q b ,ad

/M J ・kg -166.75

4.16

7.87

0.86

0.84

17.1

2.42

31.6

26.99

试验按以下4个工况依次进行。工况1为正常腰

鼓型配风运行,工况2为中层送风量小,上下层送风量大,工况3为上下三层二次风均匀配风,工况4为从下至上送风量逐渐增加的分级配风方式。在这4个工况下,机组负荷率、总风量、总粉量、一次风挡板开度与给粉机转速均基本保持一致。4个工况下二次风挡板开度见表2,锅炉主要参数见表3,分级配风方式测得的NO x 和CO 结果见表4。