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行业知识

煤粉生物质燃烧机和煤的低NOx燃烧

煤粉生物质燃烧机和煤的低NOx燃烧

    前    言

    烧煤时氮氧化物(以下简称NO。)的生成是由燃料中的有机氮所引起的。所谓“燃料NO。”的意义与液化天然气等的气体燃料和重质原油等液体燃料的情况,有明显的不同,它起着支配作用。因而


,对于NO。,有必要着重考虑其抑制的方法和手段。

    此外,与使用其他气体及液体燃料的锅炉相比,在燃煤锅炉上低N0。运行时,对于各种大量产生的问题必须加以注意,如燃烧喉部的结渣、炉墙结渣、高温对流受热面的污染和燃料中灰分熔融引起


运行上的障碍和飞灰中可燃物的增加等。燃煤时,二级燃烧在降低NO。上虽然是有效的,但在燃料过剩的燃烧区中,因为灰熔点降低,以及在那样的燃烧条件下,火焰呈现充满炉膛的倾向,上述这种障


碍就更容易产生。新装的锅炉自然要考虑这些问题,即使在已有的锅炉上也应同时考虑,不要由于这些障碍而使的降低受到限制。因为煤的种类不同,这些障碍出现的情况,当然也会不一样。

    飞灰中可燃物的增加,不仅使未燃烬损失增大,而且从飞灰的工业利用方面着想,也不希望这样。飞灰的色泽同样是一个问题,有时由于其色泽而限制了它的有效利用。在飞灰这种工业废物的处理


受到种种限制的现阶段,如果对于这点不能从技术上得到解决和保证,看来就无法适应今后煤炭利用的增长形势。

    石川岛播磨重工业公司为了适应不久已经预见到的火电站中煤炭利用的增长,以研制、验证低N0。煤粉燃烧技术为目的,1977年在该公司相生工厂内建造了燃烧试验炉,并进行了燃煤锅炉的低N0。


试验,取得了适用于现有燃煤锅炉的低NO。煤燃烧技术的好成绩。这一燃烧技术是在与该公司有技术合怍协议的美国福斯特·惠勒工程公司的协作下研究成功的。本文介绍上述试验炉的概况及应用DF-CN


型生物质燃烧机进行的各种试验结果,同时介绍在已装锅炉上应用低NOz燃烧技术的实例。

    石川岛播磨重工业公司(简称IHI)煤粉燃烧试验装置

    本燃烧试验装置是为了研究煤粉的低NO。燃烧技术,并为适应将来扩大煤的利用而研究日本国产煤种和进口煤种的各种燃烧特性。1977年在该公司的相生工厂内建造如图1和图2所示的试装装置。

    试验炉的炉膛被设计成与实际锅炉具有相似的几何形状,以便使炉内的烟气流型与实际锅炉的相似。采用常压水冷却的炉墙,生物质燃烧机周围衬有耐火材料,这样影响NO。生成的炉内热态条件就会接近


于实际锅炉的条件。因此,对于降低NO。的各种试验,便有可能在接近实际锅炉的条件下进行。此外还装有作为降低N0。手段的二级燃烧装置和烟气再循环装置,同时也可进行炉内结渣和对流受热面的


积灰试验。

    燃烧试验炉的主要技术条件和附属设备的概况如下:

    型式:带灰斗的炉膛,常压水冷式。

    尺寸:宽3米,深4.5米,高11米。

    燃烧方式:前墙燃烧(但经过改造,也可能进行对冲燃烧和四角燃烧)

    通风方式:平衡通风,

    输入热量:约11×106大卡/时

    二次风温:绚3000C

    主要附属设备:煤粉设备(煤斗、磨煤机、煤粉仓、煤粉计量器等)

    通风设备(送风机、引风机、烟气再循环风机、一次风机等)

    空气预热器

    除尘装置

    灰渣处理装置

    其他

    利用空气预热器进出口处的取样孔进行各种排烟特性的测量。

    M.P.Heap等对燃料喷射方式、喷射位置、空气旋流强度、空气流速、喉口出口角

    ·  5  .图1  煤粉燃烧试验装置全貌度、油枪旋流器、一次风、二次风和三次风的配合比例等各种因素,对于煤粉燃烧时O,的生成具有什么影响,进行了广泛的试验。根据试验结果,举出了具有


最大影响的因素——燃烧喷射方式及空气的旋流强度。同时,也进一步指出低N0。煤粉燃烧的必要条件如下:

    1)使一次风量最小;

    2)在挥发分燃烧完毕前,使一次风(即燃料)与二次风的混合最少,

    3)着火的稳定性,

    4)采用在火焰周围形成的外部循环气流进行二次风的稀释。

    另一方面,倘根据D. W. Pershing等的研究,煤粉燃烧时生成的NO中,虽然也受燃料中氮含量的影响,但热NO -般是20%左右,其余的约80%是燃料NO。燃料NO由挥发性NO和炭NO构成,其中,生物质燃烧机


区域的空气动力学能控制的是热NO和挥发性NO。根据这些试验结果,可以推测,由二次风的空气动力学和燃料的喷射方法决定的燃料和空气的混合状态对煤粉燃烧时NO的生成起主要作用。

    DF-CN型低NO。煤粉生物质燃烧机是考虑了控制上述NO生成的各种因素而设计的,图3是其结构图。占燃烧时所用空气大部分的二次风通过两条通道送至生物质燃烧机喉部,通道做成独立的,且能各自调节旋流强


度。生物质燃烧机中心侧的二次凤旋流强度,用图示的内叶轮来调节,可达到火焰的稳定性。外围的二次风,用二次风叶轮调节其流型,以控制二次风和燃料的混合状态。燃料由内筒和外筒形成的环形喷嘴端


部喷出,喷嘴端部逐渐缩小以使燃料集中于生物质燃烧机的轴心线上,由此形成燃料过剩燃烧区。内筒的端部能在轴线方向移动,以此改变燃料的喷射速度,并能调节燃料和二次风的混合。火焰外围形成的外


部循环流,由于二次风的稀释和冷却火焰的作用,抑制了NO的生成。对于强化其外部循环流的生物质燃烧机形状也作了设计上的考虑。

    2.IHI—FW,DF-CM型低NO。煤燃器的特点:

    燃料量约2,000公斤/时的生物质燃烧机安装在第1节介绍的试验炉上,对其各种特性的试验结果,如图4—11所示。试验用燃料是日本A级煤,其分析结果列于表1。除特别指出的场合外,试验条件为:燃


料量约2,000公斤/时,排烟氧含量约4%,二次风温约300。C,一次风量和燃料流量的重量比AlC≈1.4。

    图4为二次风叶轮开度和NO。的关系。倘叶轮开度变大,即减弱二次风旋流强度,则NO。值变小。这时的火焰其扩展缩小,成为较瘦长的火焰,而在某一限度以上,如再大叶轮开度,就使着火点离开


喉口的距离(下面叫做黑圈)拉长,火焰稳定性减小。

    图5表示用操作内叶轮造成的NO。变化,在叶轮开度关小时,NOz呈现减步倾向。

    图6上表示使煤粉生物质燃烧机的可动内筒沿轴向移动,改变燃料喷射速度时,NO,的变化。假如使可动内筒向炉内插入,增大燃料喷射速度,NOz就均匀减少。这时,在某一

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┃\                                  ┃    日  本  煤              ┃    进    口    煤                          ┃

┃    煤                              ┃                            ┃                                            ┃

┃                                    ┣━━━━┳━━━━┳━━━━╋━━━━━━━━━┳━━━┳━━━┳━━━━┫

┃    项    种                        ┃        ┃        ┃        ┃                  ┃      ┃      ┃        ┃

┃    目                              ┃  A①   ┃  B④   ┃  C③   ┃  A④             ┃  B⑤ ┃  C⑥ ┃  D①   ┃

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┃    高位发热量  ·  ┃  大卡/公斤  ┃6,200   ┃6,600   ┃5,410   ┃6,870             ┃7,220 ┃6,740 ┃6,460   ┃

┃    工业分析:      ┃              ┃        ┃        ┃        ┃                  ┃      ┃      ┃        ┃

┃    水  分          ┃    %         ┃5.29    ┃1.61    ┃1.72    ┃    3 .72         ┃4.06  ┃3.13  ┃4.53    ┃

┃    挥发分          ┃    %         ┃43.9    ┃ 39 .1  ┃35.8    ┃28.7              ┃41.4  ┃34.6  ┃32.5    ┃

┃    灰  分          ┃    %         ┃ 13 .9  ┃ 18 .4  ┃31.1    ┃ 10.4             ┃5.44  ┃12.7  ┃ . 12.8 ┃

┃    固定炭          ┃    %         ┃36.9    ┃40.9    ┃31.1    ┃57.2              ┃49.1  ┃49.6  ┃50.2    ┃

┃    化学分析:      ┃              ┃        ┃        ┃        ┃                  ┃      ┃      ┃        ┃

┃    碳              ┃    %         ┃62.9    ┃ 66 .6  ┃ .52 .7 ┃72.8              ┃71.8  ┃68.0  ┃65.2    ┃

┃    氢              ┃    %         ┃ 5.1    ┃5.0     ┃4.4     ┃           4'. 1  ┃ 5.0  ┃4.3   ┃ 4.1    ┃

┃    氮              ┃    %         ┃ 1.1    ┃0.9     ┃0.7     ┃  1.0             ┃ 1.4  ┃ 1.4  ┃ 2.3    ┃

┃    全  硫          ┃    %         ┃0.26    ┃2.31    ┃1.37    ┃ 0.81             ┃0.43  ┃0.60  ┃0.98    ┃

┃    氧              ┃    %         ┃14.2    ┃5.8     ┃8.0     ┃  9.3             ┃15.7  ┃11.2  ┃ 12.5   ┃

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   将同一结果以A]C为参变量,表示可动内筒位置和NO。的关系。AlC为1.8和2.2时,内筒位置的影响较小,而AlC力1.4时,由于内筒位置向炉内移动,NO。减少,其变化是大的。改变A/C,移动内筒位


置,这两种情况结果都是改变燃料的喷射速度。图10是着重于燃料喷射流速,整理出的同一结果。由图可见,AlC在1.4~2.2之间。AlC小时,变化A]C,移动可动内筒,如果都使燃料喷射速度变大,NO。


就减少,如果A/C增大至流速的某一个值以上时,NO。反而呈现增加的倾向。A/C的增加虽然封NO,方面没有作用。想必是由于燃料的穿力增加,在生物质燃烧机轴心区域,燃料过剩,燃烧被强化之故。

    另一方面,因为叶轮使二次风旋转,所以在火焰中心区形成与燃料射流逆向的内回流,这一回流对火焰的稳定是必不可少的,其强度取决于二次风的旋流强度。倘若回流的逆流过强,使燃料射流在


与生物质燃烧机轴线成直角方向的扩散作用变强,结果促进了空气在降低燃煤的N0。方法中,除了采用低N0。生物质燃烧机外,二级燃烧法的效果也已被充分了解。如果要进一步达到某个程度以下的NO。水平,即使


是燃煤,也要积极地考虑热NO的降低。为此,应采用烟气再循环(下面简称GI))。在试验炉上进行了以原来用于重质原油和气体燃料的降低NO。的方法与IHI-DF型低NO。生物质燃烧机同时采用的试验,

    这次试验用过的煤是三种日本煤,四种进口煤,其特性列于表1。由表1可知,可燃基的燃料氮含量为1.0~2.6%,而送入试验炉的燃料的热量,对于各类燃料约为11.5×106大卡/时,一次风量与燃


料流量之重量比A/C≈1.4,二次风温约为3000C。

    2.用二级燃烧降低NO。

    试验炉在图2所示的高度上设有二次风口(以下称OAP),沿炉膛宽度方向的布置如图12所示。布置这样的二次风口,是考虑了模拟实际锅炉的炉膛。模拟试验须兼顾到炉内的烟气流动形态,用二级


燃烧的空气送入炉内,使未燃物达到完全燃烧。

    二级燃烧时,生物质燃烧机区空气比和NO。的关系如图13。虽然使总空气比保持一定,但随着生物质燃烧机区空气比的变小,NO:量减少;空气比为0.8时,NO。值比通常燃烧时约减少一半左右。此时,N0。仍呈


现减少的趋势,而燃烧也十分稳定。如果仅从N0。方面来看,可以推断,进一步减小空气比还是有效的。

    可是,看一下各试验燃料的氮含量(可燃基)与NO。生成量的关系(如图14所示)与生物质燃烧机区空气比无关,NO。对应于氮含量的增加,大致成直线增加。从图15可推断,假如生物质燃烧机区空气比变小,


燃料氮转变为NO的转化率也变小。图15是将各种煤的热NO生成量近似地取作相等,而用生物质燃烧机区的空气比作横座标,整理出NO。的增量与氮含量的增量之比。倘使生物质燃烧机区空气比为某一值以下,可以预


期将燃料NO的生成量抑制到在实用意义上几乎掺近于零也是可能作为几个基础试验的结果已有报告。这时,二缀燃烧区生成的N0。成为新的问题。虽然,在燃料N0的生成中,除了燃料中的氮含量以外,


还存在氧含量的影响,但仅由本试验结果看,在实用上,即使将燃料NQ2-生物质燃烧机区空气比;3-排烟看做是由燃料中的氮含量和生物质燃烧机区的空气比所决定的,也似乎无妨。

    3.烟气再循环

    用烟气再循环降低N0。试验的情况,如图16所示。与气体、液体燃料相比,燃煤时虽然烟气再循环的作用较小,但在N0。水分低的情况下,仍能获得一定效果。因为它具有防止由于采用二级燃烧易


在炉墙处产生结渣的作用。综台考虑,在燃煤时采用烟气再循环作为降低N0。的手段也不失为有效的措施之一。

    在实际锅炉上运用的例子及其结果

    1.运用在实际锅炉上的降低NO。的方法;

3-排烟02-3 4~4%;  4-生物质燃烧机空气比率

    如上所述,运用于燃煤锅炉上,作为降低NO。的方法,可举出低N0。生物质燃烧机、二级燃烧、烟气再循环等。在该公司锅炉上运用的实例见于表2。

    2.在26.5万千瓦机组锅炉上的运用实例

    表2在燃煤锅炉上降低

    NO。方法运用实例

    表2的运用实例介绍了在26.5万千瓦机组锅炉上降低NO。的各种措施。锅炉的主要技术条件如下:

    I锅炉型式:IHI-FW自然循环炉(室内布置)蒸发量(最大连续出力时):840吨/时蒸汽参数:176公斤/厘米2表压5710C/571。C通风方式:负压通风烧方式:煤粉对冲燃烧(可用50%重油助

    (  1 )DF-CN型低NO。生物质燃烧机;

    (2)采用二级燃烧风口的二级燃烧,

    (3)用气幕防止结渣的装置,

    (4)防止渣附着的装置I

    ( 5)燃料流量分配调节装置;

    降低NO。的直接措施是(1)和(2),(3)、(4)、(5)是为了连续稳定低NO。燃烧的辅助措施。二级燃烧时,在生物质燃烧机区的气流中,其残存氧极少,根据情况有时也形成还原性气流,这样就容易降低煤灰


熔点。由于生物质燃烧机喉口附着熔渣,并随之造成燃烧上的障碍,以及由于熔融灰渣附着于水冷壁管上,而造成所谓的结渣障碍等。于是将燃烧所需的空气分出一部分,从炉底吹入使其沿炉墙上升,以防止


结渣,同时也自生物质燃烧机喉部吹入空气,防止熔渣附着。在低NO。运行时,常伴有飞灰中可燃物增加及飞灰色泽恶化等情况出现。为防止这些现象的产生,首先应尽可能均匀地分配各个生物质燃烧机的燃料和向


各生物质燃烧机的燃料尽可能均匀,在燃料管道的形状、长度等方面,都作了设计上的考虑,并设有插入孔板以调节管道阻力,但在本锅炉上,还另在各生物质燃烧机的燃料管道上,安装了挡板式的燃料流量调节装


置,使其能作微细的调节。由于同时采用了这些辅助手段,才取得了低NOx的无障碍连续运行。

    试验结果认为,在不增加飞灰中的可燃物,也不恶化飞灰的色泽时,总计能降低65%的NO",并且对于金属温度、汽水流量等运行数据也几乎未见有由于改装而造成的任何影响。

    将二级燃烧风口全开,在最低的NO。状态下,进行了为时一周的连续运行试验,结果并未发生结渣障碍,因此认为低NO;连运行是可能的。

    结    论

    煤粉燃烧时生成的NOt,其中大部分是燃料NO,这与其他的气体燃料或液体燃料有明显的不同。试验证明在抑制NO。生成方面的方法是有效的。IHI-FW. DF-CN型低N0。煤粉生物质燃烧机的原理是:既要维持


火焰的稳定性,又要在火焰中心区形成燃料过剩烧区域,而且尽可能延迟二次风主流和燃料的混合。应用这一燃烧原理来抑制NO。的生物质燃烧机,在本文中,从试验炉上的试验结果,明了它的特性,同时介


绍了采用二次风口,进行二级燃烧,在实际锅炉上得到能降低NO,约65 %彝的实例。此外,锅炉上还设有防止结渣及控制各生物质燃烧机燃料流量的调节装置,使锅炉运行特性及飞灰可燃物和其色泽均未发生


变化,从而证实低NO。的连续运行是可能的。

    环境保护法中,希望将燃煤锅炉的NO。排放量在1980年前降至200p.p.m,1985年前降至100p.p.m(都是换算至3%02),以此为目标,大大促进了燃烧技术的发展。要把NO。抑制到这样低的水平,不


仅应控制生物质燃烧机附近NO。的生成,而且也应将锅炉炉膛中NO。的生成和抑制作为问题提出来,积极达到烧重油锅炉的同等水平为目的,从上述方面着手进行深入研究。关于其成果拟在以后的文章中予以


介绍。


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点击次数:  更新时间:2017-02-12 19:13:08  【打印此页】  【关闭