低NOx分级燃烧技术的优化设计

低NOx分级燃烧技术的优化设计

摘要:随着我国工业化的深入,环境问题成为了重中之重,火力发电厂的烟气排放中NOx的危害越来越大。本文列举了影响燃料分级燃烧技术的几个关键的影响因素,并通过origin软件对该技术进行了优化设计。对降低火力发电厂NOx排放,提高低NOx分级燃烧的经济性有较大的帮助。

关键词:NOx 分级燃烧Origin 最优化设计

随着我国工业的现代化发展,环境问题越来越被世界和国家所关注,而在所有的污染中,大气污染成为关注的重中之重。世界各国相继实施一系列计划,旨在解决有关基础研究和技术开发等重大问题,而在这其中,NOx的防治问题是燃煤污染的首要问题之一。由于我国环境污染比较突出,NOx继SO2之后已成为大气酸雨污染的主要因素。因此,针对燃煤产生的NOx污染物,利用超细煤粉作为再燃燃料,对锅炉燃烧采用分级燃烧技术[1]。本文列举了影响这种技术降低NOx排放的能力的几个因素,并对此进行了分析。

1 燃料分级燃烧的原理

在燃烧中已生成的NO遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时,会发生NO的还原反应,反应式为:

4NO+CH4=2N2+CO2+2H2O

2NO+2CnHm+(2n+m/2-1)O2 =N2+2nCO2+mH2O

2NO+2CO=N2+2CO2

2NO+2C=N2+2CO

2NO+2H2=N2+2H2O[2]

利用这一原理,将80%～85%的燃料送入第一级燃烧区,在α>1条件下,燃烧并生成NOx。送入一级燃烧区的燃料称为一次燃料,其余15%～20%的燃料则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区,在α<1的条件下形成很强的还原性气氛,使得在一级燃烧区中生成的NOx在二级燃烧区内被还原成氮分子,二级燃烧区又称再燃区,送入二级燃烧区的燃料又称为二次燃料,或称再燃燃料。在再燃区中不仅使得已生成的NOx得到还原,还抑制了新的NOx的生成,可使NOx的排放浓度进一步降低。从提高炉内再燃烧还原NOx的效果来说,天然气最好,天然气中不含燃料氮。二次燃料含有燃料氮将降低还原效率。但在我国,煤是主要的化石燃料,而且我国天然气资源的利用和含量都不高,所以煤粉作为二次燃料在我国成为主流。

2 燃料分级燃烧技术的优化思路

在优化燃料分级燃烧技术的设计中,对于优化的关键来说,其煤粉粒度的变化有着举足轻重的作用。通过对煤粉粒度与一些数据关系的

分析,我们发现,整个分级燃烧技术的优化主要取决于燃料的燃尽率,NOx的还原率以及磨煤的电耗量。因此,燃料燃尽率,NOx还原率,电耗量就是整个优化过程的子策略,也称约束条件。只要通过几个实验,得到这几个约束条件与煤粉粒度之间关系的数据,画出相应的曲线图,这几条曲线称为关键曲线。这些曲线的X轴都是一个共同的因素——即煤粉的粒度。根据这些数据和曲线,我们可以通过Origin拟合得出三个方程——即燃尽率与再燃燃料粒度,NOx还原率与再燃燃料粒度,磨煤电耗与煤粉粒度。将三个方程表示在同一坐标系下,综合考虑技术性——燃尽率和还原率尽可能大;经济性——磨煤电耗尽可能小,得出使整个技术最优化的再燃燃料粒度。以下就是三个约束条件的整理过程:

3 燃料分级燃烧技术的约束条件

3.1 再燃燃料粒度(燃料采用神府烟煤)对NOx还原率的影响

NOx还原率与煤粉粒度遵循以下规律:煤粉粒度越小,NOx还原率越大。这是因为再燃燃料粒度变小后,煤的比表面积显著增加,加大了焦炭与NOx的接触面积,异相还原反应速度提高,使得超细煤粉比常规粒度的煤粉具有更高的反应活性。

3.2 再燃燃料粒度对磨煤电耗的影响

由试验数据得到以下曲线(如图1)。

通过该曲线,我们可以发现磨煤电耗量与煤粉粒度遵循以下规律:煤粉粒度越小,磨煤电耗量越大。

3.3 再燃燃料粒度对燃尽率的影响

随着煤粉粒径的减小,燃尽率呈上升趋势。煤粉粒径越小其孔隙率和比表面积越大,为挥发分的析出及焦炭的异相反应提供了更多的反应通道和空间,使煤粉燃烧特性得到明显改善。

4 结论

在origin软件中,将三条曲线综合于一个界面内,并取三条曲线的平均值,拟合得出燃料分级燃烧技术的整体的技术性和经济性相对于再燃燃料粒度的一条曲线。(如图2)

由图2可以看出,曲线在煤粉粒度为8.5时达到峰值,即取得最大值,由此我们可以得出,在煤种为神府烟煤的情况下,煤粉粒度为8.5 μm为经济性和技术性的最优化结果。

参考文献

[1] 庄永茂,施惠帮．燃烧与污染控制[M]．上海:同济大学出版社,1998.

[2] 刘忠,赵莉，胡满银，等.超细煤粉的细度对再燃还原[M].华北电力大学,2005.