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1、低氮燃烧及改造广东电网公司电力科学研究院,目 录1 低氮燃烧的必要性1.1 NOx生成类型1.2 低NOx控制方法1.3 低氮燃烧必要性2 低氮燃烧的调整技术2.1 基本原理 2.2 低氧燃烧技术2.3 分级配风技术2.4 配煤掺烧技术 3 低氮燃烧改造3.1 低NOx燃烧器3.2 空气分级的燃烧器布置3.3 烟煤锅炉低氮燃烧系统改造实例3.4 无烟煤锅炉低氮燃烧改造要点,1.1 NOx生成类型,氮氧化物是化石燃料与空气在高温燃烧时产生的，包括NOx（一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氧化二氮(N2O)等。在氮氧化物中，NO占有90%以上，二氧化氮占5%-10%。NOX按生成机理的不同分为
2、三类：热力型、快速型和燃料型，其中燃料型占60%95%。研究表明，煤中氮几乎全部以有机物的形式存在。形态主要是吡咯型、吡啶型和季氮，其中吡咯型氮和吡啶型氮是煤中氮的主要存在形式。,1.1 NOx生成类型,热力型氮：空气中氮在高温下氧化产生,在高温下总生成式为,1.1 NOx生成类型,快速型氮：在碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成。,1.1 NOx生成类型,燃料型氮：由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。,煤燃烧中的氮化学,煤氮的反应路线取决于氮的赋存形态及其所处的反应环境!,1.1
3、 NOx生成类型,NOx生成和破坏的化学途径,1.1 NOx生成类型,燃烧温度,热力型 燃料型 快速型,1.2 低NOx控制方法,低NOx控制的一次措施：控制NOx的生成1）低NOx燃烧器2）空气分级（二段燃烧）3）燃料再燃（三段燃烧）低NOx控制的二次措施：将生成的NOx还原4）SNCR炉内喷氨脱硝5）SCR尾部烟气脱硝,1.2 低NOx控制方法,各种脱硝技术的脱硝效率,1.3 低氮燃烧的必要性,NOx减排,技术已不是障碍,关键要选择适合自己的技术;无论对于SCR或SNCR,先采用低氮燃烧技术,都可节约投资和运行成本;采用低NOx燃烧技术,大部分在役老机组都有较大的减排空间;近几年投运的新机
4、组,大多已采用了先进的低氮燃烧技术，基本没有改造空间，但还可通过燃烧优化降低NOx排放。,2 低氮燃烧的调整技术2.1 基本原理2.2 低氧燃烧技术2.3 分级配风技术2.4 配煤掺烧技术,2.1 基本原理,低氮燃烧的基本原则：控制燃烧温度以减少“热力”型NOx的生成，和（或）减少燃料氮与燃烧空气中氧的混合，通过形成富燃区域将燃料NOx还原成N2，以减少“燃料”型NOx，在煤热解完成后，再将二次风分级送入以完成焦炭燃烧。安全稳定燃烧和减排NOx恰好构成了一对矛盾，现行各种低NOx燃烧方法对炉内火焰稳定性和燃料的完全燃烧程度都有明显不利的影响，因此选择合理的NOx控制措施必须兼顾燃烧经济性和安全
5、性的影响。,2.2 低氧燃烧技术,氧量对NOx排放的影响,2.2 低氧燃烧技术,氧量对NOx和热效率的影响（660MW),130mg/m3/O2,2.2 低氧燃烧技术,某300MW贫煤锅炉氧量对NOx和热损失影响,2.2 低氧燃烧技术,低氧燃烧技术存在的问题：飞灰可燃物升高 锅炉热效率有可能下降 结渣、高温腐蚀、高温氧化等不利因素增加 壁温有可能超温 汽温可能超温或欠温,2.2 低氧燃烧技术,如何实现低氧燃烧：采用更细的煤粉细度 保证均匀的风粉分配 合理的配煤掺烧方案实现方法：通过燃烧优化试验，在经济性、安全性和低NOx排放之间取得平衡，得到经济运行氧量曲线。,2.3 分级配风技术,（1）轴向
6、空气分级燃烧 在燃烧器上方一定位置处开设一层或多层燃尽风喷口，将助燃空气沿炉膛轴向分级送入炉内。在第一阶段，将供入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的70%75%左右，燃料先在贫氧条件下燃烧。此时第一燃烧区内过剩空气系数1的富氧条件下完成燃烧过程。,2.3 分级配风技术,:0.80.9,:1.11.2,轴向空气分级燃烧,2.3 分级配风技术,2.3 分级配风技术,（2）径向空气分级燃烧 将二次风射流轴线向水冷壁偏转一定角度，形成一次风煤粉气流在内，二次风在外的径向分级燃烧。此时，沿炉膛水平径向把煤粉的燃烧区域分成位于炉膛中心的贫氧区和水冷壁附近的富氧区。由于二次风射流向水冷壁偏转，推迟了二次风与一
7、次风的混合，降低了燃烧中心氧气浓度，使燃烧中心1，煤粉在缺氧条件下燃烧，抑制了NOx 的生成。由于在水冷壁附近形成氧化性气氛，可防止或减轻水冷壁的高温腐蚀和结焦。同时,在一次风和炉膛水冷壁之间形成一层风膜,达到风包粉的效果,同样起到了防止炉内防结渣的目的。,2.3 分级配风技术,径向空气分级燃烧,2.3 分级配风技术,通过燃烧优化试验方法，在炉膛轴向形成下部富燃料、贫氧；上部富氧、贫燃料的燃烧方式。燃烬风调整 周界风调整 二次风配风调整 关于三次风,2.3 分级配风技术,低负荷工况的燃烬风调整结果,2.3 分级配风技术,2.3 分级配风技术,周界风提供煤粉燃烧初期所需的氧量，以及用于保护燃烧器
8、，改变周界风相当于改变二次风沿炉膛轴向的分配。减少周界风量，燃烧器区域的氧化性气氛变弱，还原性气氛增强，燃烧器区生成的NOx量降低。周界风调整要考虑煤粉的着火距离和燃烧器的安全。,2.3 分级配风技术,周界风调整试验结果,结论：适当关小周界风,2.3 分级配风技术,300MW贫煤锅炉配风试验结果,2.3 分级配风技术,增加运行磨煤机，即增加三次风量，相当于形成分级燃烧，在某种程度上对降低NOx是有利的，但对飞灰可燃物和锅炉热效率有不利影响。,2.3 分级配风技术,也有学者认为三次风的存在导致了相当数量的NOx生成，对降低NOx不利，主要是三次风细粉中的燃料氮在大过剩空气系数下氧化造成，并得到一
9、些试验证明。因此，三次风是否有利于降低NOx，需要根据锅炉的实际情况，如煤种、三次风带粉量、三次风处的过量空气系数等，通过试验确定。,2.3 分级配风技术,磨煤机停运时，提高并投入三次风冷却风，相当于增加了燃烬风，则对降低NOx是有利的；某300MW机组锅炉的三次风冷却风管从1544.5改造为2735，NOx排放下降100mg/m3，但效率略有降低。,2.4 配煤掺烧技术,不同煤种的NOx排放,燃用高挥发分，低氮分的煤有利于降低锅炉NOx的排放。,2.4 配煤掺烧技术,神华煤中优混煤掺烧比例（）,NOx(mg/m3),2.4 配煤掺烧技术,烟煤占25%时的NOx排放较低,3 低氮燃烧改造 3.
10、1 低NOx燃烧器 3.2 空气分级的燃烧器布置 3.3 烟煤锅炉低氮燃烧系统改造实例 3.4 无烟煤锅炉低氮燃烧改造要点,3 低氮燃烧改造,煤中氮析出机理研究表明：烟煤中挥发分氮占主要比例，控制烟煤NOx的生成主要是控制挥发分氮。烟煤挥发分氮的析出速度很快，因此主要是要控制烟煤的着火初期NOx析出。控制烟煤NOx，空气分级是非常有效的措施。,3 低氮燃烧改造,烟煤锅炉低氮燃烧系统改造包括两个方面:选用低NOx燃烧器 在燃烧器布置上强化空气分级,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,技术关键：借燃烧器不同结构控制煤粉着火并组织好“分段”燃烧。（1）热回流型燃烧器，如WR型燃烧器、双通道大速差燃烧器
11、等；（2）浓淡偏差型燃烧器，如PM燃烧器等；（3）浓淡偏差热回流型燃烧器，如稳燃罩燃烧器；（4）双调风旋流燃烧器（5）烟气再循环低NOx燃烧器,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（1）热回流型燃烧器,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（2）浓淡偏差型燃烧器 包括上下浓淡型和水平浓淡型,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（2）浓淡偏差型PM燃烧器（三菱公司）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（2）浓淡偏差型立式旋风分离燃烧器（FW公司，W型炉）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（2）浓淡偏差型撞击式（浙大）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（2）浓淡偏差型带稳燃挡板（清华）,3.1 低NO
12、x燃烧器（LNB）,（2）浓淡偏差型多重富集型MELNB（清华）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,几种燃烧器的计算机模拟结果：,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）双调风旋流燃烧器,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）DRBXCL型（B-W公司）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）DRB4ZTM型（B-W公司）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）DRB4ZTM型（B-W公司）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）CF/SF型（FW公司）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）CF/SF型（FW公司）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）VF/SF型（FW公司）,
13、3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）NR系列燃烧器（BHK公司）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）NR系列燃烧器（BHK公司）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）LNASB低NOx燃烧器（三井巴布科克公司）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）Opti-FlowTM低NOx燃烧器（ABT公司）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）径向浓淡旋流煤粉燃烧器（秦裕琨等）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（4）可控浓淡分离旋流燃烧器（浙大）,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,低NOx燃烧器特点：,3.1 低NOx燃烧器（LNB）,（5）烟气再循环低NOx燃烧器（三菱公司）,
14、3.2 空气分级的燃烧器布置,强化空气分级燃烧的主要形式：（1）整体炉膛分级燃烧系统即OFA系统，整体炉膛分级燃烧系统以轴向空气分级燃烧为基础。（2）同轴燃烧系统CFS以径向空气分级燃烧技术为基础。（3）低NOx同轴燃烧系统LNCFS，不仅在炉膛轴向，同时在燃烧器区域的炉膛径向实现分级燃烧。（4）TFS2000燃烧系统（CE公司），采用紧靠最上层一次风煤粉喷口的紧凑布置燃尽风（CCOFA）和远离最上层一次风煤粉喷口的多层分离燃尽风（SOFA）的多级OFA与CFS的组合形式。,3.1 空气分级的燃烧器布置,强化空气分级燃烧的主要形式：,3.2 空气分级的燃烧器布置,典型的偏转二次风系统炉内布置,
15、3.2 空气分级的燃烧器布置,典型的偏转二次风系统燃烧器组件,3.2 空气分级的燃烧器布置,TSI2000燃烧系统：融合几种直流燃烧器减排技术措施于一体，可以降低NOx50%70。,控制提前析出挥发份 水平偏置的二次风 两级布置的燃烬风 控制活性分区风量,3.3 烟煤锅炉低氮燃烧系统改造实例,低氮燃烧系统改造可能出现的技术问题：飞灰可燃物含量增大 水冷壁腐蚀 炉内结渣与沾污模式的改变 汽温和壁温变化 烟温偏差增大,3.3 烟煤锅炉低氮燃烧系统改造实例,低氮燃烧系统改造实例：黄埔电厂2300MW直流锅炉,采用带有SOFA风的炉内空气深度分级燃烧系统。考虑风包粉模式 下部燃烧系统的大格局不变（大风
16、箱结构不变）。深度空气分级系统与下部多切圆燃烧系统结合深度脱硝。,3.3 烟煤锅炉低氮燃烧系统改造实例,低氮燃烧系统改造实例：黄埔电厂2300MW直流锅炉,改造设计本着在现有条件下安全可靠的原则，充分利用现有设备，实现大容量燃煤锅炉NOx 排放浓度降低，即从目前的800 多mg/Nm3左右下降到 300400mg/Nm3。锅炉具有高的热效率，飞灰含碳量得到良好的控制，且炉内结渣得到控制，没有高温腐蚀增加等趋势，汽温汽压出力达额定值。改造采用分隔燃尽风（SOFA）的空气分级方案。炉内燃烧布置大格局方面，采用深度空气分级技术，紧靠型燃尽风（CCOFA）与分离燃尽风（SOFA）结合。,3.3 烟煤锅
17、炉低氮燃烧系统改造实例,低氮燃烧系统改造实例：黄埔电厂2300MW直流锅炉,为防止由于炉膛下部由于处于强还原性气氛引起炉膛水冷壁高温腐蚀和结渣事故的发生，下部燃烧器组采用不等切圆的复合型多功能直流系统。不等切圆复合型多功能直流燃烧系统中各二次风的偏转角度各不相同，分离布置燃尽风的水平偏转角度可调。可在炉内的水平方向形成分级燃烧，中心区域为高燃烧强度区，水冷壁周围为具有较高氧浓度，较低温度，低的CO含量和低的颗粒浓度，从而起到防止结渣和高温腐蚀的作用。,3.3 烟煤锅炉低氮燃烧系统改造实例,低氮燃烧系统改造实例：黄埔电厂2300MW直流锅炉,采用SOFA三层布置有利于使SOFA不全投条件下，SO
18、FA的中心标高提高，而且在后部风道面积一定的条件下，SOFA的风速更高，从而达到降低NOx 的效果更好。SOFA风采用三层布置相对于两层布置来说，各SOFA风喷口的高宽比较小，有利于保证SOFA风的刚性，提高SOFA风的穿透性，从而降低NOx和飞灰含碳量。利用数值模拟手段进行了低NOx燃烧技术的设计验证，关键参数优化。,3.3 烟煤锅炉低氮燃烧系统改造实例,低氮燃烧系统改造实例：黄埔电厂2300MW直流锅炉,三维可摆动SOFA燃烧器,3.3 烟煤锅炉低氮燃烧系统改造实例,低氮燃烧系统改造实例：黄埔电厂2300MW直流锅炉,一些主要的关键参数选择：炉膛出口过量空气系数：1.2 CCOFA风率：总
19、风量的510%。SOFA风量：总风量的20左右。SOFA高度：保证煤粉燃尽距离，与主燃区分离布置，间隔距离较远。SOFA上下摆动30度，左右摆动15度。SOFA采用三层布置。下部二次风喷口缩小，采用偏转二次风，偏转角优化。,3.3 烟煤锅炉低氮燃烧系统改造实例,低氮燃烧系统改造实例：黄埔电厂2300MW直流锅炉,改造效果：改造前满负荷下锅炉的NOx排放浓度为850.37 mg/Nm3（三磨运行），而改造后三磨运行的6锅炉的NOx排放浓度为437.5 mg/Nm3，减排48.6；环保cems在线监测结果表明5，6炉的混合烟气NOx排放通常在280400mg/Nm3；改造前后飞灰含碳量基本持平，水
20、冷壁安全性提高后可实现低氧燃烧，锅炉效率有所升高。炉内无明显结渣、高温腐蚀，炉膛水冷壁没有超温现象，炉膛出口烟温偏差30以下，锅炉汽温汽压出力均达设计值。,3.4 无烟煤锅炉低氮燃烧改造要点,无烟煤锅炉特点：NOx排放浓度高,3.4 无烟煤锅炉低氮燃烧改造要点,3.4 无烟煤锅炉低氮燃烧改造要点,无烟煤锅炉特点：飞灰可燃物含量高 燃烧稳定性较弱 煤种复杂 因此，无烟煤锅炉低氮燃烧改造相对于烟煤锅炉来说要困难一些，改造不好容易带来锅炉效率降低和燃烧稳定性变差。,3.4 无烟煤锅炉低氮燃烧改造要点,无烟煤锅炉低氮燃烧改造要点：采用浓淡分离等有助于稳燃的低NOx燃烧器 加装侧边风实现径向空气分级 改造三次风系统，减少三次风带粉量和完善三次风布置 适当增加燃烬风，提高轴向空气分级程度 同时采用提高燃烧效率的措施，如超细煤粉、富氧燃烧、配煤掺烧等,3.4 无烟煤锅炉低氮燃烧改造要点,W型炉将旋风筒燃烧器排气管连接至燃尽风,谢 谢!,
