锅炉百科
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电站燃煤锅炉降低NOx排放的措施

原标题:电站燃煤锅炉降低NOx排放的措施

导读了解炉内NOx生成机理以及低NOx燃烧控制技术,对于掌握锅炉NOx排放特性很有帮助,特别是对于进行过低氮燃烧器改造的厂。因为很多人反映当煤质发生变化时,SCR入口氮氧化物波动大,不知道如何进行运行调整。这样造成喷氨量增加,脱硝成本也跟着上去了。本文能给运行技术人员控制NOx排放具有指导意义。

0 引言

火电厂是大气污染物NOx的主要排放源。目前国内燃煤电厂普遍采用的NOx控制技术有两类:一种为炉内通过合理组织燃烧,控制燃烧过程中NOx生成量;另一种为炉外降低烟气中的NOx含量的烟气脱硝技术。目前很难通过低氮燃烧技术满足排放法规的要求,但是通过减少炉内的NOx生成量可以降低烟气脱硝装置的运行成本。因此必须将低氮燃烧和烟气脱硝两种技术结合起来才能取得良好的经济效益。烟气脱硝技术主要是利用还原剂(液氨、氨水、尿素)在催化剂的作用下,还原燃烧过程中产生的NOx,主要有选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)两种烟气脱硝技术。目前使用较多的是液氨做还原剂的选择性催化还原法。

1 燃烧过程中NOx生成机理

煤粉炉燃烧过程中主要生成NO和NO两种氮氧化物,其中NO约占95%以上。根据NOx生成机理的不同煤粉燃烧过程中可分为热力型、燃料型和快速型三种:热力型NOx大量生成的温度区域主要位于1000℃以上;快速型NOx主要是燃料中CH基团与空气中氮气反应,生成含N的中间产物,随后被氧化为NO;燃料型NOx主要是燃烧过程燃料中的氮部分受热分解随着挥发份的析出而析出,剩余部分留在焦炭中。

煤中的含氮量约在0.4~3%,这些氮在燃烧中被分解后释放,形成HCN等中间产物,通过与OH、O、O2等进行反应,一部分转换为NO,其余的还原成N。因此,燃煤中的含N量越高,燃烧过程中煤中N转化为NOx也就越多。燃料中的氮在较低的温度下就可以分解,因此温度对燃料型NOx的生成量的影响较小。

煤粉燃烧过程中生成的燃料NOx源于煤中挥发分所含氮和焦炭所含氮,焦炭中的氮向NOx的转换率很低,主要还是挥发分中的氮燃烧生成NOx。

影响挥发分中NOx生成量的主要因素有着火过程中挥发分析出量、氧浓度、停留时间。挥发份析出量取决于煤种和热解温度,挥发份析出量高,挥发份NOx也多;挥发份NOx含量随着氧浓度的增加而增加,随着氧浓度的降低还原作用增强,挥发份NOx含量降低;正常燃烧工况过量空气系数大于1时,NOx含量随着停留时间的增加而增加,富燃料工况下,随着停留时间的增加NOx含量降低。

2 炉内NOx的生成特性

煤粒在炉内的燃烧过程可以分成三个阶段:初始阶段,温度低,反应十分缓慢;挥发分析出着火燃烧阶段,温度急剧升高;焦炭燃尽阶段,氧气浓度减少,氧化反应减慢。三个阶段的NOx的生成或分解反应有所不同:第一阶段,NOx的生成或分解都很少;第二阶段,温度很高,浓度过大,NOx的生成和分解都进行的很快,但NOx的生成反应要快得多,因而NOx浓度急剧增加,也有部分NOx转变成N2,当炉温达到最高值时,NOx浓度也达到最大值;第三阶段,进人焦炭燃尽阶段,氧浓度减少,这时虽然不断的生成焦炭NOx,但是,已经生成的NOx中有部分被焦炭还原分解生成N,而逐渐减少。

3 低NOx煤粉燃烧技术的主要途径

一是减少炉内过量空气系数;二是较低的氧浓度条件下,通过增加燃尽高度等措施使燃料中的氮不易生成NOx,使已生成的NOx被还原;三是通过降低热风温度和采用烟气再循环的方式降低炉内温度峰值以减少热力NOx;四是在炉内加入还原剂(SNCR技术)。

4 低NOx煤粉燃烧技术的具体实现方法

4.1 分级燃烧

分级燃烧可以分为燃烧室中的分级燃烧和单个燃烧器的分级燃烧两类。主要有两种方式燃料分级和空气分级。燃料燃烧的空气分段送入炉内,在主燃区的过量空气系数较低,燃烧温度降低,使得NOx生成量降低;但是会产生CO等不完全燃烧产物,第二阶段将燃烧需要的剩余风量以燃尽风的形式送人炉膛,这样不仅可以保证燃料的燃尽还可以降低NOx生成量。

单个燃烧器的分级燃烧主要适用于旋流燃烧器,有内分级和外分级两种混合方式。把二次风分阶段逐渐送人炉膛,从而燃料燃烧区域被划分为富燃区和富氧区,富燃区位于燃烧器出口附近,富氧区位于二次风全部进入的燃尽区。火焰根部的富燃料区抑制了燃料NOx的生成,空气分级送入使得火焰温度降低,减少了热力NOx的生成量。

4.2 再燃烧法

第一燃烧区,氧化性或稍还原性气氛(⍺≥1);第二燃烧区,将二次燃料送入还原性气氛(⍺<1),因而生成碳氢化合物基团,这些基团与第一燃烧区内生成的NO反应,最终生成N,这个区域为再燃烧区,二次燃料称为再燃燃料;三燃烧区,再送人二次风(⍺≥1),使燃料燃烧完全,为燃尽区。

再燃法的实际应用:在贫燃区的下游处将大约总燃料的15%导人到燃烧区域,形成再燃区,在再燃区,通过和碳氢化合物及其中间产物,进行还原反应,从而减少NO。在再燃区的燃尽阶段补入空气,使炉内燃料最终燃尽。

4.3 低氧燃烧

低氧燃烧能够减少燃烧过程中NOx生成量。降低NOx生成量的同时由于烟气量减少锅炉排烟损失降低,提高了锅炉效率;但化学不完全损失q3以及飞灰含碳量q3等均会有所增加,降低了锅炉效率。因此,在确定低过量空气系数⍺运行范围时,必须综合考虑锅炉效率、NOx排放等因素。

4.4 烟气再循环

将部分低温烟气直接送人炉内或与空气混合送入炉内,可以是一次风也可以是二次风。因烟气温度较低和降低了氧浓度,使燃烧速率和炉内温度水平降低,因而热力NOx减少。适用于含氮量低的燃料,对于燃用挥发份较低着火困难煤种时,受到稳燃因素的限制,不宜采用该方式。

4.5 低NOx燃烧器

锅炉的燃烧方式主要由切圆燃烧方式、对冲燃烧方式以及W火焰燃烧方式。切圆燃烧方式主要有PM燃烧器和水平浓淡燃烧器等,都是通过采取措施实现浓相和淡相的分别燃烧。

5 结论与建议

1)根据煤粉锅炉NOx的生成机理,通过不同的措施控制燃烧过程各阶段NOx的生成量

2)要根据锅炉结构特点、煤质条件等选择合理的低氮燃烧技术,在保证锅炉安全、稳定运行的条件下降低NOx的排放

3)锅炉增设燃尽风是降低NOx排放的主要措施,但是要注意不同负荷下燃尽风所占总风量的比例

4)合理的低氮燃烧技术加上尾部SCR装置不仅可以满足排放法规的要求,还能减少催化剂的使用量,降低整个系统的投资,取得良好的经济效益。

(《锅炉制造》孙洪民,王永杰)

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