层燃锅炉低氮燃烧技术研究_王凡

清洁生产与节能减排
Cleaner Production，Energy-Saving ＆ Emission Ｒeduction
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空气 分 级 燃 烧 法，燃 料 分 级 燃 烧 法，烟 气 再 循 环 法等［8-14］。
火电行业的低氮燃烧锅炉和工业锅炉在燃烧方 式 、炉 膛 结 构 、燃 烧 温 度 等 方 面 有 极 大 不 同 ，电 站 锅 炉较成熟的低氮燃烧技术不能直接用于工业锅炉， 我 国 工 业 锅 炉 的 燃 烧 条 件 、燃 料 、锅 炉 结 构 、运 行 负 荷 和 操 作 条 件 等 变 化 较 大 ，低 氮 燃 烧 技 术 和 设 备 开 发难度较大。国内对工业锅炉低氮燃烧技术研究 得 较 晚 ，还 需 要 进 一 步 的 中 试 和 工 业 应 用 实 验 。 目 前国内绝大多数的工业锅炉都没有采取 NOx 控制 技术。 1 实验部分 1. 1 实验锅炉
挥发分中的 NH3 、CH4 、CO 等与主燃区生成的 NOx 反 应最终生成 N2 和水，达到降低氮氧化物排放的效果。 2 结果与分析
采用 Nicolet 6700 傅立叶红外光谱仪测量炉膛气 体样品，配置 MCT、DTGS 双检测器，光谱特征区间为 400 ～ 4000 cm － 1 ，分辨率 0. 1 ～ 0. 005 cm － 1 。测量气 体样品中 NO、NO2 、H2 O、CO、CO2 和 CH4 等。 1. 3 低氮燃烧技术分析
层空气量只需要鼓风机总空气量的 5% ～ 10% 。位
于竖拱前部的炉膛空间由于供风量较少、温度较低，
煤在该位置经过复杂的热解反应生成 CH4 、HCN 和 NH3 等。由于该位置含氧量低，较容易形成还原性气 氛，生成少量的 NO。
位于竖拱后部的炉膛内部由于过量空气系数高，
形成氧化气氛，在竖拱前部生成的 CH4 、HCN 和 NH3 等还原性气体进一步与 NO、O2 反应，生成 N2 等，主 要的反应式如式（ 1） —式（ 5） ：
* 中央级公益性科研院所基本科研业务专项项目（ 2009KYYW02 ） ； 国 家高技术研究发展计划（ 863） 课题（ 2012AA06A11303） 。 收稿日期： 2013 － 03 － 31
生态环境构成巨大的威胁。继 SO2 实施总量控制之 后，对氮氧化物进行控制管理是当前关注的焦点［1］。
环境工程
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Environmental Engineering
层燃锅炉低氮燃烧技术研究*
王 凡1 刘 宇1 卢长柱2 田 刚1 张 凡1 岳 涛3
（ 1． 中国环境科学研究院，北京 100012； 2． 吉林省石油化工设计研究院，长春 130021； 3． 北京市劳动保护科学研究所，北京 100054）
烧温度控制在 1 080 ～ 1 280 ℃ ，降低了热力型 NOx
的生成，使主燃区生成的氮氧化物主要为燃料型氮。
通过竖拱的上部使主燃区的过剩空气与锅炉前部煤
层产生的挥发分充分混合，实现燃料分级燃烧。通过
竖拱使锅炉前部和后部的主燃区分开，达到分室供风
的效果。烟气中的挥发分在锅炉前部的旋转燃烧室
充分燃烧，从而降低烟气中的 CO 排放量，并使燃煤
4NO + CH4 → 2N2 + CO2 + H2 O
（ 1）
NO + 2HCN + 2O2 →
3 2
N2
+ 2CO2
+ H2 O
（ 2）
2NO + C → N2 + 2CO
（ 3）
2NO + 2CO → N2 + CO2
（ 4）
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2 O
（ 5）
主燃区的供风量为鼓风机风量的 95% 左右，燃
0引言 我国工业锅炉以燃煤为主，其中层燃锅炉占总台
数的 93. 7% ，而室燃炉和循环流化床锅炉只占总台 数的 6. 3% 。根据测算数据，我国现有燃煤工业锅炉 总蒸发量为 250 万 t / h，占全国工业锅炉总台数和总 蒸发量的 85% 左右。每年消耗原煤约 6. 9 亿 t，氮氧 化物排放量为 271 万 t。工业锅炉效率低、燃烧排放 的 NOx 浓度一般为 400 ～ 800 mg / m3 ，对人体健康和
根据工业锅炉的燃烧特点和实验研究结果，将分 级燃烧和烟气循环低 NOx 技术应用于层燃炉。通过 在锅炉炉膛中增加一个竖拱，将炉膛内部分隔成两部 分。通过改变层燃锅炉的结构和配风方式，使锅炉的 低氮燃烧分 为 两 个 阶 段，第 一 阶 段 作 为 挥 发 分 析 出 区，主要的生成物有 NH3 、CH4 、CO 等，见图 2 中①； 第二阶段为 NOx 还原区，见图 2 中②，主燃烧区中生 成的 NOx 可进一步与第一阶段生成的挥发分发生还 原反应生成 N2 和水，从而最终达到降低烟气中氮氧 化物排放的目的。
图 2 低氮燃烧锅炉结构 Fig． 2 Low-NOx combustion boiler structure
环境工程
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改变层燃锅炉炉拱的结构，使在锅炉的前部煤层
温度可达 350 ～ 850 ℃ ，煤层停留时间为 8 ～ 15 min，
根据燃煤挥发分生成的难易程度确定，预热室下部煤
DOI： 10. 13205 / j． hjgc． 201401033
STUDY ON LOW-NOX COMBUSTION TECHNOLOGY FOＲ GＲATE FIＲING INDUSTＲIAL BOILEＲS
Wang Fan1 Liu Yu1 Lu Changzhu2 Tian Gang1 Zhang Fan1 Yue Tao3 （ 1． Chinese Ｒesearch Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China； 2． Jilin Ｒesearch Academy of Petrochemical Design，Changchun 130021，China； 3． Beijinng Municipal Institute of Labor Protection，Beijing 100054，China）
Abstract： Based on the analysis of combustion conditions of the experimental gratefiring furnaces with a capacity of 2t / h，a low-NOx combustion modification program was proposed． The effects of influencing factors including fuel staged combustion， air staged combustion and flue gas circulating on NOx emissions were investigated． The results showed when air-staged combustion and fuel staged combustion were realized by separate room air distribution，NOx emissions decreased from 260 ～ 359 mg / m3 to 137 ～ 182 mg / m3 ． When flue gas circulating rate reached 10% ～ 15% ，NOx emissions decreased by 3% ～ 5% ． Under the same combustion conditions，NOx emissions decreased from the original 301 ～ 430 mg / m3 to 137 ～ 182 mg / m3 after low NOx combustion technology was used The NOx concentration in the flue gas of the gratefiring boiler with the application low-NOx combustion technology was below 200 mg / m3 ，which shows great application prospects． Keywords： industrial boiler； gratefiring boiler； staged combustion； low-NOx combustion
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1. 2 分析测试条件 利用 GASMET 4000 测量锅炉出口烟气成分和参
数，采样气体全程加热 180 ℃ ，采样气体流量为 2 ～ 10 L / min，两级过滤系统，检测器采用 Peltier 制冷，采 用红外光检测，光谱特征区间为 900 ～ 4 200 cm － 1 。 烟气 NO 的检出限低于 1. 74 mg / m3 ，NO2 、CO、CH4 、 NH3 等成分的检出线低于 1 mg / m3 。
摘要： 通过对 2 t / h 层燃锅炉燃烧条件的分析，提出低氮燃烧技术改造方案，并进行燃料分级燃烧、空气分级燃烧和烟 气循环对 NOx 排放控制影响的研究。研究结果表明： 采用分室配风实现空气分级燃烧和燃料分级燃烧，NOx 排放量 由 260 ～ 359 mg / m3 降为 137 ～ 182 mg / m3 ； 循环烟气率达 10% ～ 15% 时，烟气循环可实现降低 NOx 排放 3% ～ 5% ； 相 同燃烧状况下，低氮燃烧技术优化后 NOx 的排放浓度由低氮燃烧改造前的 301 ～ 430 mg / m3 降低到 137 ～ 182 mg / m3 。 层燃锅炉低氮燃烧改造后烟气中 NOx 浓度低于 200 mg / m3 ，可作为有效的 NOx 控制技术。 关键词： 工业锅炉； 层燃锅炉； 分级燃烧； 低氮燃烧
目前国内外研究开发 NOX 排放控制技术主要是 针对火电行业，实施最多的是低氮燃烧技术和烟气脱 硝技术。烟气脱硝技术以选择性催化还原（ SCＲ） 和 选择性非催化还原（ SNCＲ） 为主，国内烟气脱硝技术 仅处于初步应用阶段［2-5］。近年来随着对低氮燃烧技 术的研发，国内已经基本具有自行设计、自行制造和 自行安装调试的能力，低氮燃烧技术已成为中国燃煤 电厂 NOx 控制的首选技术。低氮燃烧技术主要技术 措施是改善燃烧条件［6-7］，目前国内外研究较多的是
2t / h 实验锅炉型号 DZL2-0. 69-AII，燃煤为大同 二类煤，煤质及工业分析如表 1 所示。低氮燃烧改造 前锅炉结构如图 1 所示，为四风室链条炉排锅炉。鼓 风 机 型 号 为 4-72-12No3. 2A，风 量 为 1 688 ～ 3 517 m3 / h，风压 力 1 300 ～ 792 Pa。燃 煤 量 为 380 kg / h，烟气排放量 3 580 m3 / h，排烟温度为 185 ℃ 。
图 1 低氮燃烧改造前的炉膛结构 Fig． 1 The structure of the former chain Hale Waihona Puke Baidurate boiler
锅 炉 炉 膛 温 度 较 高，最 高 燃 烧 温 度 可 达 1 300 ℃ ，采用 GASMET 4000 测量气体分析成分受到 限制。利用真空气体采样箱采集炉膛烟气，采用 10 L Pelican 气密式安全箱，气体采样泵采用 BUCK 防爆 型个体采样泵，流量为 0 ～ 5 L / min。采样启动时，将 箱内空气抽出，箱内产生负压，箱外的烟气样品进入 5 L Tedlar 采样袋，采样后的气体样品避光保存待测。
表 1 燃煤成分分析 Table 1 The proximate analysis of coal
收到基 收到基 收到基 收到基 收到基 干燥无灰基 收到基低位发 碳 /% 硫 /% 氮 /% 灰分 /% 水分 /% 挥发分 /% 热量 /（ kJ·kg － 1）
58. 17 0. 32 0. 78 6. 08 6. 18