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行业知识

低NOx生物质燃烧机的设计原理

低NOx生物质燃烧机的设计原理

    研究了低NOx生物质燃烧机的分级配风的基本原理以及生物质颗粒燃烧机实现这些原理的基本设计思路。对220tlh生物质炉的计算表明,按最佳工况条件设计的直流生物质生物质颗粒燃烧机可使NOx的排放量降低到200mglms以下,能满足比较苛刻的环保要求。图5表3参4

0  前言

    我国是生物质品种齐全、分布广泛、储量丰富的国家。根据我国的能源政策,现阶段和今后相当长的时期内生物质是我国的主要动力燃料。但是,未经加工的原生物质是一种不清洁的燃料。这主要是因为它含有许多不可燃的矿物质、含硫和含氮的物质。生物质燃烧后不仅产生大量的固体颗粒,而且含硫含氮物在燃烧过程中被氧化,生成对大气产生严重危害的SOx和NO;r。

    燃生物质电站锅炉是NOx进入大气的主要排放源。随着我国电力工业的发展,电站锅炉的NOx排放量将以很快的速度增长。据估计,按我国目前的工业发展速度,到本世纪末我国电站锅炉排入大气的NOx将会超过500万t。因此,研究燃生物质过程中NOz昀形成过程及低NOx燃烧技术是一项刻不容缓的任务。

    我国电站粉生物质锅炉大部分都采用直流燃烧器的切圆布置系统。关于四角切圆燃烧系统,我国进行了大量的研究,而且无论在数值模拟等理论研究还是实际应用技术等的研究方面都取得了丰硕的成果。本文试图从降低NOx排放的角度来讨论直流生物质燃烧机的最佳设计原则。并通过计算研究说明实现这些设计原则的生物质燃烧机将大大减少燃生物质锅炉的NOr排放量。

1  粉生物质燃烧过程中NOx的形成

    NOx-般由NO,N20和N02三项组成,但在粉生物质锅炉中后两项在总NOx排放量中所占的比例很小。因此,NOx排放量主要由NO来决定。NO包含三部分:热力型、瞬间型和燃烧型。

    热力型NO是由环境氮分子高温氧化而生成的,通常由3eJlb)lOBHq机理或改进的3enb且OBHI王机理来描述。热力型NO的生成量强烈地依赖于火焰温度及燃料/空气的当量比。大量的研究结果表明,只有燃料富氧燃烧且温度超过1800K时热力型NO的生成量才急剧增大。当a<0.95和T<1800K时热力型NO可以忽略不计。

    瞬间型NO是由CHi墓(由挥发份析出过程得到的)冲击靠近火焰反应区的氮分子生第5期动力工程成的。它较弱地依赖于温度,且一般在富燃料碳氢火焰中占更多的优势。

    燃料型NO是由燃料氮氧化而生成的。粉生物质燃烧过程中燃料型NO包括挥发份中均相生成的和残炭中异相生成的两部分。挥发份的析出包括两个阶段;第一阶段发生在较低的温度条件下,此时较低分子量的成分从生物质颗粒中释出I挥发份析出的第二阶段发生在较高的温度条件下,放出较重的烃类和芳香族化合物。生物质中的母氮大部分在挥发份析出阶段以HCN和NH3的形式从颗粒中释放出来,随后氧化生成NO。挥发份析出后剩下的残炭主要由碳和矿物质(灰)组成,还有少量的氧、氢、硫和氮。留在残炭中的这部分母氮可以通过异相反应氧化生成NO。

    对于粉生物质燃烧锅炉,NOx的排放量主要取决于燃料型NO的生成量,这是因为.

    (1)大多数生物质火焰温度不太高,尤其是固态排渣锅炉,受排渣温度的限制,炉膛温度不可能太高。因此,热力型NO在总NOx的比例较小I

    (2)瞬间型NO只在富燃料的烃类火焰中有较大量的生成,但即使如此,据估算如果生物质中含有1%的燃料氮,且其50%转为NO,瞬间型NO的生成量仍将小于总NO的5%,而通常的生物质含有1%~2%的母氮。所以瞬间型NO差不多被燃料型NO所遮掩,

2  燃生物质锅炉NOx极小化的燃烧

  组织原则

  基于以上讨论,为了降低粉生物质电站锅炉NO:的排放量,首先必须考虑如何?减少燃料型NO的形成。由于燃料型NO具有较弱的温度依赖关系,而强烈地依赖于局部氧的浓度,因此减小局部空气过量系数将有效地抑制燃料型NO的形成。在实际的燃烧系统中,为了达到既能使燃料完全燃烧,又能减少沿火焰行程各局部区域氧的浓度,分级(阶段)燃烧是最好的方法。燃料的分级燃烧不仅可以减小燃料型NO,而且可以有效地降低热力型NO的形成。

    所谓分级燃烧,就是把燃烧过程分为几个局部空气过量系数明显不同的阶段,燃料完全燃烧所必须的空气沿火焰行程分级送入。与二级或三级燃烧不同,在组织分级燃烧过程中,生物质燃烧机内的空气过剩系数可能大于,也可能小于理论当量比。

    然而,尽管燃生物质锅炉中燃料型NOx是占主导地位的,但为了使NOx的排放量达到极小值,在组织燃烧过程中,除了要最大限度地减小燃料型NO的生成量外,还必须同时考虑到使热力型NO和瞬间型NO的生成量极小化。

    根据粉生物质燃烧过程中NOx形成的特点,采用分级燃烧是降低NOx的最有效方法。其配风的基本原则应当是在各燃烧区保证热力型、瞬间型和燃料型NO都处于较低的生成水乎。通过大量的计算,我们得到在粉生物质燃烧过程中,为了使NOx的排放量达到最小值,其配风应当按如下4阶段原则进行。

    第一阶段;生物质燃烧机一次风道内的空气过量系数ai应当小于挥发份y’(%)以保证粉生物质一空气混合物在管路输送过程中的安全,更多的空气(ai>V’)应当在挥发份着火时送到主气流中,但在该区的局部过量空气系数ai不能大于0.65,因为在该火焰区主要发生燃料的加热,挥发份析出和着火,并开始形成瞬间型和燃料型NO。根据以前的工作Ⅱ,,当a1<0.65时,形成的NOx由于大量不完全燃烧产物CHi及含氮中间基RN的存在会还原成N2。在这一阶段应当保持一定的时间间隔,以保证更多的NOx被还原。但是,这一阶段的持续时间不能过长,因为NO被还原到一定程度时再延长时间也是徒劳的。

    第二阶段:在这一阶段初始给风时应当考虑到如下因素:瞬间型和热力型NO的总和在a-0.95时达到极小值。但在该口值条件·幼·动力工柱下由于大量的含氮物质RN将被氧化形成NO,使燃料型NO达到最大值噜】。由于粉生物质燃烧时后者在总NOx排放量中是占主导地位的,因此,为了同时减少燃料型和瞬间型NO的生成,应使该燃烧区内的局部空气过剩系数a2<am。。(其中am。.为瞬间型NO达到极大值时所对应的“值)。因此a2= 0.55~0.65是最佳值。

    在这一阶段发生挥发份的燃尽过程,形成附加的瞬间型和燃料型NO,但是NO在该段的还原过程远比第一阶段弱,因为CHi和NHi与氧的反应速度远远大于同NO的反应速度。由于在这一阶段燃料燃烧和NO形成过程是在高火焰温度下以很快的速度进行的,因此其持续时间不应过长。

    第三阶段:在这一阶段燃气中实际上已经不含NHi和CHi,因此不会再形成瞬间型和燃料型NO,同时由于火焰温度将达到最大值,因此为了保证焦炭和前两阶段形成的不完全燃烧产物在该段最大限度地燃尽,同时又要避免大量的热力型NO的形成,在该段空气过剩系数必须处于a3= 0.9~0.95的水平。因为当a<0.9~0.95时即使火焰温度超过1800K,形成的热力型NO也是非常小的。

    第四阶段:必须把保证燃料完全燃烧所必需的剩余窒气在该段送到火焰中,使a4 -au-Aa>l(其中au为炉膛出口空气过剩系数,Aa为炉膛漏风)。烟气温度在这一区域仍然比较高(可能还会超过1800K),因此送入剩余空气后还可能生成部分热力型NO,但这一部分NO不大。对固态排渣锅炉而言,由于整个炉膛的火焰温度都不太高,因而在这一阶段可能并不生成这部分热力型NO。

    以上描述了粉生物质分级燃烧配风和各阶段发生的燃烧及NO形成过程,实现这样的分级燃烧原理可以保证NO,的排放量达到最小值。图1给出了上述各阶段的配风和NOx的形成特性嗍。

5  低NOx粉生物质生物质燃烧机的设计原理

  上述低NOx燃烧组织原则既可以通过炉膛结构,也可以通过生物质燃烧机结构及配置来实现。应用低NOx生物质燃烧机是降低NOx排放最经济的方法。为了保证NOx的低水平排放,粉生物质生物质燃烧机的结构必须实现上述配风原则,并使每一燃烧阶段处于最佳工况。作为一个例子,本文以哈尔滨锅炉厂生产的燃烧鸡西生物质220tlh蒸汽锅炉作为研究对象,试图找到粉生物质分级生物质燃烧机实现上述最佳配风的结构改造方案,以最大限度地降低NOx的排放量。

    锅炉为单锅筒自然循环锅炉,额定蒸发量为220tlh.过热蒸汽温度和压力分别为540。C和9.8MPa,排渣方式为固态。锅炉采用兀型布置,在炉膛上部和水平爝道内。分第5期别布置了屏式和对流过热器,在竖井尾部烟道交叉布置一、二级空气预热器和省生物质器。空气离开预热器的温度超过了

300。C,给水温度为2150C。计算用生物质选用鸡西生物质,其应用基元素分析如表1所示。燃生物质低位发热值18.1MJlkg,工业分析挥发份为Vt= 36.57%。

    锅炉采用直流粉生物质生物质燃烧机的四角布置型式,在炉膛中心形成直径为800mm的假想切圆。图3为生物质燃烧机配风示意图。这种多通道分级配风方式在炉膛形成粉生物质的分级燃烧,有利于降低NOx的生成。生物质燃烧机的布风率及其风速风温见表2。

一火焰温度随烟气停留时间的变化原设计方案的NOx沿火焰行程的变化规律。可见这种配置的直流生物质燃烧机在燃烧该给定生物质种时NOx的排放水平是较低的。由计算结果可知,NOx从炉膛排出的浓度为187mglkg,换算到排烟空气过剩系数“-1.4的标准状况,其排放浓度为350mglm3。本文以此为基础,研究实现上述使NOx排放达到极小的配风原则的生物质颗粒燃烧机结构设计的基本原理。为了达到这种目的,应实现上述四级燃烧原则。虽然原设计方案也是四级燃烧,但由于每一级的局部空气量及持续时间未处于最佳状况。实现最佳状况的计算方案如表3所示。为了便于比较,表3同时列出了原设计方案的相应数据。

为了在实际中实现表3给出的最佳方案,必须改进原生物质颗粒燃烧机的结构及各配风管的凤量。为此采用以下措施。

    (1)计算表明,ai= 0.24的第一燃烧区表3生物质颗粒燃烧机设计方案及NO。排放对比的存在不能降低NOx的最终排放量,而一次风管内如果% =0.429>y’时又可能存在运输过程的不安全。考虑到这两个因素,一次风和中间二次风的喷入角壤不变(奄炉膛中心形成直径为800mm的假想切圆(图5a),只是应当缩短它们之间的距离,以保证中间二次风应尽早加入主气流。

    (2)为了增大az- 0.429燃烧阶段的持续时间,应延迟送入下一部分空气。为此下二次风应与一次风成Bi的角度送入(图5a),这样可以延迟下二次风与主气流的混合过程。Bi角度的大小应由实验确定,下二次风量应当保证,当它送到主气流后总的过量空气系数a2= 0.55。

    (3)为了实现a3= 0.94的第三燃烧阶段,上二次风应当送到炉膛中心的燃烧区。为此上二次风喷入角度恿应大于Bi(图5a)。这样所有的一、二次风的送入方向在炉膛水平截面上成不同的角度。

    (4)保证燃料完全燃烧的三次风应当送到离生物质颗粒燃烧机出口较远的上方(图5b)。三次风量的大小应保证它们送入主气流后总过量空气系数a-1.15。

    通过对上述计算对象燃烧鸡西生物质的220tlh蒸汽锅炉的计算表明,实现上述改进方案可使NOx的排放量降低到原设计方案的二分之一,即174mg/m3(a=l.4,标准状况)。

4结论

  (1)实现最佳方案对本文采用的计算对象而言,生物质颗粒燃烧机结构改变不大,炉膛不要改变。

    (2)采用直流分级生物质颗粒燃烧机可以大大降低燃生物质锅炉NO.的排放量。实现本文提出的分级燃烧最佳方案可使NO.的排放量降到200m g/m3以下,能满足比较苛刻酌环保要求。


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点击次数:  更新时间:2017-03-29 15:52:25  【打印此页】  【关闭