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行业新闻

低NOx旋流生物质燃烧机的研究进展

低NOx旋流生物质燃烧机的研究进展

摘要:随着分级燃烧和高浓度煤粉燃烧技术的不断进步,低NO。旋流生物质燃烧机得到了不断发展和完善。本文对国内外典型的低NO。旋流生物质燃烧机的研究进展做了总体回顾,总结了低NO。旋流生物质燃烧机的发展趋势。

1引言

    燃煤锅炉排烟中NO。除了形成酸雨,破坏生态环境外,还会形成光化学烟雾,直接危害人类健康,因此工业发达国家自上世纪70年代起就开始研究降低NO。排放量的各种途径。目前采用的NO。控制措施有改善燃烧技术、烟气净化技术和燃料脱氮技术。燃料脱氮很困难,各国对此技术刚刚开始研究。烟气净化目前仍在试验阶段,在处理粉尘浓度较高的烟气时,催化剂的再生工艺及循环水系统的设计还存在不少问题。因此,降低NO。的有效途径是改善燃烧。常见的低NO。燃烧技术主要有低NO,生物质燃烧机技术、空气分级燃烧技术、燃料分级技术和烟气再循环技术。其中最实用的是便用低NO,生物质燃烧机。在燃煤锅炉中,旋流生物质燃烧机的应用更为广泛。传统旋流生物质燃烧机的特点是一次风煤粉气流以直流或旋流的方式进入炉膛,二次风从煤粉气流的外侧强烈旋转进入炉膛。射流的强烈旋转使两股气流进入炉膛后立即强烈混合,卷吸大量易着火的高温烟气,在着火端形成氧气过量的燃烧区域,而且火焰短,放热集中,易出现局部的火焰峰值区,NO。排放量高。

    经研究发现改善燃烧降低NO。主要有以下两个途径:一是形成贫氧区域,最大限度地限制NO。的生成量;二是在富燃料燃烧下选择最佳的停留时间和温度,以使“N”最大限度地转化成“N2”,但又不影响燃烧损失。为实现这两种途径,低NO。生物质燃烧机一般采用分级燃烧技术和高浓度燃烧技术。20世纪50年代,美国首次开发了空气分级燃烧技术,通过调整生物质燃烧机及其附近的区域或是整个炉膛区域内空气和燃料的混合状态,在保证总体过量系数不变的基础上,使燃料经历“富燃料燃烧”和“富氧燃尽”两个阶段,以实现总体NO,排放量大幅下降。高浓度燃烧技术是多年来众多研究者对煤粉浓度与着火及燃烧过程关系研究的结果:在一定的煤粉细度和空气温度条件下,一定的煤粉浓度范围内,随着煤粉浓度的提高,煤粉着火热减少,着火温庋会降低,着火时间缩短燃烧稳定性变好,N0。排放量降低。随着燃烧技术的发展进步,环保要求的严格,燃用劣质煤的增加,各国的低NO。旋流生物质燃烧机处于不断发展和完善之中。

2.1 DRB燃烧型

    美国B &W公司于1971年研制了双调风煤粉生物质燃烧机。图1是其典型的DRB生物质燃烧机。该生物质燃烧机一次风管内有文丘里装置,使一次风粉流中的煤粉分布均匀。一次风管外有可调的内二次风和外二次风管,风管中设有轴向可动叶片,用于改变内、外二次风的比例和旋流强度,以调节一二次风的混合。双调风生物质燃烧机主要通过控制煤粉与空气的混合,延迟燃烧过程,降低燃烧强度和火焰最高温度来降低NO。的生成量。当它燃用烟煤时,一次风量约为20%,内二次风量约为20%~25‰其余空气为外二次风,并以较高的旋流强度送入炉膛,一方面保证燃料燃尽;另一方面在火焰周围成氧化性气氛,对防止结渣和高温腐蚀十分有利。运行实践证明,采用DRB生物质燃烧机进行空气分级燃烧后,距喷口1.2m处的火焰温度由1600℃降至1400 0C, NO。排放浓度降低39%。图2是DRB生物质燃烧机和该公司普通旋流生物质燃烧机NO。排放量的比较。

2 2 EI-DRB生物质燃烧机

  DRB生物质燃烧机主要适用于燃烧挥发分>25%的烟J煤,为了能够适用于燃烧贫煤,B &W公司又开发了EI- DRB生物质燃烧机(增强型双调风生物质燃烧炉)。它的基本结构和原理跟DRB生物质燃烧炉相同,区别是在一次风管中设有导向器和均流装置,能保证一次风出口煤粉分布较均匀;二次风采用大风箱结构。

2 3 CF/SF生物质燃烧炉

    美国FW公司1979年推出CF/ SF(控制流量/分离火焰)低NO。切向旋流生物质燃烧炉,主要特点是将一次风煤粉气流分为四股,尽可能减少煤粉和空气的早期混合,内外二次风也可调节。我国山东邹县电厂2台600MW机组锅炉应用该生物质燃烧炉,锅炉最大NO。排放量为737m~m3。

2 4 PAX生物质燃烧炉

    PAX型生物质燃烧炉是加拿大B&W公司在双调风旋流生物质燃烧炉的基础上,增设了PAX装置(一次风置换装置)。它由内外环形通道、旋流叶片、可动叶片、入口弯管、出口扩锥、乏气抽出管等纽成,与直吹式制粉系统配套使用;当一次风粉气流通过生物质燃烧炉入口弯头时,由于离心力的作用,被分为两股,弯头内侧为淡风粉气流,将其作为三次风在生物质燃烧炉周围另开的三次风口喷入炉膛;弯头外侧为浓风粉气流,进入生物质燃烧炉与从二次风箱引入的温度为310~371℃的一部分热风相混合后作为一次风喷,入炉f在一次风喷口处装有多层盘式稳焰器;二次风通过轴向叶片形成旋转气流进入炉内。有研究发现,在二次风不分级时,PAX生物质燃烧炉和El  DRB生物质燃烧炉效果相同,在二次风分级时,PAX比El  DRB有更好的调节性能。PAX生物质燃烧炉开发应用的实例有力地说明了采取高浓度煤粉燃烧技术对于燃烧低挥发分锅炉降低NO。并强化稳燃的重要性。

2.5 XCL生物质燃烧炉

    为了方便锅炉改型,在DRB和HT  NR燃烧器上,Babcock  Wilcox公司于1986年又开发了XCL型生物质燃烧炉。XCL型生物质燃烧炉采用套阀调节内、外气流区,在内、外气流区采用可调节旋流度。其NO。排放比双调风生物质燃烧炉约低25%。XCL生物质燃烧炉最重要的优点是它可以通过选用合适的叶轮使火焰形状适应炉型,对深度有限的炉窑(如单置墙式炉),可让火焰长度减短。

    德国电站煤粉锅炉多燃用劣质J煤,其波态排渣炉的NO。排放量非常高,对德国来说降低这种锅炉的NO。排放量是一个很紧迫的课题。为降低NO。的排放,德国Steinmuller公司开发了SM生物质燃烧炉,Babcock公司开发了WS和DS生物质燃烧炉。

3.1 SM生物质燃烧炉

    SM生物质燃烧炉的特点是一次风和煤粉不旋转,二次风通过轴向叶片形成旋流。一、二次风量占燃烧所需总空气量的80%~90%,在生物质燃烧炉喷口处形成燃料区,其余空气从生物质燃烧炉喷口周边一定距离处对称布置的四个二级空气喷口以直流的形式送入炉膛,此二级燃烧空气的作用类似于炉膛空气分级燃烧的OFA,这两种措施使得NO。排放量低。据报道,它的NO。排放量比一般生物质燃烧炉低22%~32%。由于它的高浓度燃烧性能,适合作为劣质煤和无烟煤生物质燃烧炉。

3.2 WS型生物质燃烧炉

    WS型低NO。生物质燃烧炉是德国Bab cock公司的第二代产品。它的结构如图3所示。和DRB型燃烧器类似,所不同的是它增加了中心风,往炉膛供入少量的较低温度的空气,有利于火焰温度的降低;此外它的外二次风不旋转,因而可进一步推迟它与富燃料火焰的混合时间,从而减少着火区NO,的生成量。一般NO。排放量为6501TI~1T13。对安装在一台800MWe燥粉炉上的WS生物质燃烧炉的测试表明,在单独使用这种生物质燃烧炉时,锅炉的NO。排放值可以减少40%以上,而对炉膛的腐蚀、传热和燃料的燃尽没有明显的影响。在一台700M We的锅炉上测试值为:在炉膛没有OFA日寸,NO。的排放浓度低于800mg/Nmj,飞灰含碳量低于5%。

3.3 DS型生物质燃烧炉

    在WS型的基础上,Babcock公司1995年又开发了第三代产品-DS型生物质燃烧炉,如图4所示。它充分考虑了NO。减少生成和可能出现的燃烧不良等问题,具有如下结构特点:采用截面积较大的中心风管,减缓了中心风速,保证回流区的稳定;增大一次风射流的周界长度和一次风粉气流同高温烟气的接触面积,提高了煤粉的着火稳定性;在一次风道内安装了旋流导向叶片,使一次风产生旋流,并将喷嘴端部设计成外扩型;煤粉喷嘴出口加装了齿环形稳燃器;在外二次风的通道中则采用各自的扩张形喷口,以使内、外二次风不会提前混合;内外二次风道为切向进风涡壳式结构,保证生物质燃烧炉出口断面空气分布均匀,增加了优化燃烧所具备的旋流强度。DS型低NO。生物质燃烧炉可实现NO。低于450mg/m3的排放栎准。这是目前采用空气分级燃烧技术降低NO。幅度最高的生物质燃烧炉。而且,它既可用于前后墙

   型生物质燃烧炉和DS型生物质燃烧炉NO,排放值的比较对冲燃烧方式,也可用于切圆燃烧方式,对于燃用优质煤和劣质煤均适用。图5是WS型生物质燃烧炉和DS型生物质燃烧炉NO。排放值的比较。由图可以看出,DS型生物质燃烧炉在高过量空气系数下,NO。排放值较WS型生物质燃烧炉有大幅下降。

    该生物质燃烧炉的二次风道分为内外两个风道,由调风器和内叶轮控制二次风的进入;热三次风由中心管引入;一次风粉混合物流经内外筒形成的环型通道切向进入炉膛,环型通道末端向内收缩使煤粉向中心集中,从而形成局部浓缩燃烧。这祥在着火区就形成局部的富燃料区,从而达到降低NO。的目的。

4.2 IHI- FW卧式分离器旋流生物质燃烧炉[日

    这种生物质燃烧炉是在IHI双旋流生物质燃烧炉的基础上加了一个卧式旋风分离器。从磨煤机来的一次风粉流先导入旋风分离器,分离器的导流板可处于高、低负荷的位置。燃用劣质煤或低负荷燃烧时,导流板置于低负荷位置,被分离出的高浓度风粉流被送入燃烧器中心的低负荷喷嘴(高浓度喷嘴),在出口着火区形成高浓度燃烧。被分离出的低浓度风粉流从另一低浓度风粉管由高浓度喷口周围的低浓度喷口进入炉膛与高浓度火焰形成浓淡燃烧。燃用优质煤或高负荷燃烧日寸,导流板置于高负荷位置,一次风粉流可不经分离器直接进入低浓度喷嘴进行正常燃烧。这种卧式分离器的作用相当于浓缩器。这种燃烧器具有优良的降低NO。的能力和低负荷稳燃性能。日本苫东厚真电厂600MW燃煤锅炉使用这种生物质燃烧炉后,其最低稳燃负荷达到15‰在100%~15%负荷范围,NO。排放量<165mg/L,飞灰可燃物含量也很低,燃烧性能非常好。

4 3 HT-NR型生物质燃烧炉

    为进一步降低N0。以及改善飞灰中的未燃炭,在双调风生物质燃烧炉的基础上,日本Baboock- Hitachi推出了HT-NR型生物质燃烧炉,如图6所示。燃料在A区低空燃比条件下释放出挥发分,产生大量的NO。;在下游B区形成烃根生成区;在C区快速形成的烃根使NO。还原为N 2;在D区实现充分燃烧。HT  NR的原理即火焰内高温还原NO。。与双调风生物质燃烧炉不同的是,它在喷嘴出口处装有陶瓷火焰稳定环,从而在喷口附近形成回流区,使煤粉离开燃料喷嘴后迅速着火,加速了脱挥发分期间的燃烧速率。它还采用滑动套阀进行风分级,在控制火焰形状方面较为有效。HT-NR生物质燃烧炉NO。排放水平比双调风生物质燃烧炉的还低30%~50%。实验还表明,在火焰稳定环前采用圆锥形扩压器更有利于阵低NO。。

4 4 NR2生物质燃烧炉

    日立在HT-NR生物质燃烧炉的基础上,独立研制低NO。NR生物质燃烧炉,再进一步发展为日立NR2生物质燃烧炉。结构上的改变主要是NR2在中心油枪处设置浓度调节器,可以更进一步地提高燃烧火焰富燃烧区的煤粉浓度。此外在喷口外围增加了燃烧空气分离器,强化了外围空气的分离效果,扩大了火焰的脱NO。区域。在炉膛出口02含量为3%~3.5%,过量空气系数为0.9时,NO。排放量为145mg/ L。

波兰的低NO。旋流生物质燃烧炉的研究也取得一定进展,在NSZ型生物质燃烧炉基础上开发了NSW型生物质燃烧炉。其设计原理同样也是分级燃烧和浓淡燃烧技术的应用。

5中国

    我国从20世纪80年代初开始研究低NO。煤粉生物质燃烧炉,并取得了重要成果,开发出了一系列低NO。生物质燃烧炉,不过多为直流生物质燃烧炉。在低NO。旋流生物质燃烧炉方面取得的重要成果是开发了径向浓淡旋流煤粉生物质燃烧炉。

    为了综合解决我国煤粉燃烧过程中存在的燃烧效率低、稳燃性能差、NO。排放高、炉膛水冷壁结渣和高温腐蚀等问题哈尔滨工业大学提出并开发了径向浓淡旋流煤粉生物质燃烧炉。其结构原理如图7所示。在生物质燃烧炉一次风通道中加入煤粉浓缩器,使一玖风粉混合物分成浓淡两相。浓煤粉气流靠近中心经过浓一次风通道喷入炉膛,淡煤粉气流从浓一次风通道外侧的淡一次风通道喷入炉膛。同时,二次风也分成了两部分:一部分经过旋流二次风通道以旋流的形式进入炉膛;另一部分经过直流二次风通道以直流的形式进入,改变直流二次风挡板的开度,可以调节二次风旋流强度。旋流器为轴向弯曲叶片。运行表明,相对于改造前采用的普通型和双通道外混式生物质燃烧炉,燃烧效率提高。炉膛低负荷能力提高,煤种适应性好,解决了改造前存在的高温腐蚀问题,NO。排放量大幅度下降,锅炉点火启动快,节油明显。该技术水平达到国际先进水平,可应用到任何容量的煤粉燃烧锅炉上。NO。排放浓度为600mg/Nm3以下,锅炉最低稳燃负荷可达50%。


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点击次数:  更新时间:2017-03-17 21:17:57  【打印此页】  【关闭