| 低NOx旋流生物質燃燒機的研究進展 |
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鄭州達冠節能環保設備有限公司
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低NOx旋流生物質燃燒機的研究進展 摘要：隨著分級燃燒和高濃度煤粉燃燒技術的不斷進步，低NO。旋流生物質燃燒機得到了不斷發展和完善。本文對國內外典型的低NO。旋流生物質燃燒機的研究進展做了總體回顧，總結了低NO。旋流生物質燃燒機的發展趨勢。 1引言 燃煤鍋爐排煙中NO。除了形成酸雨，破壞生態環境外，還會形成光化學煙霧，直接危害人類健康，因此工業發達國家自上世紀70年代起就開始研究降低NO。排放量的各種途徑。目前采用的NO。控制措施有改善燃燒技術、煙氣凈化技術和燃料脫氮技術。燃料脫氮很困難，各國對此技術剛剛開始研究。煙氣凈化目前仍在試驗階段，在處理粉塵濃度較高的煙氣時，催化劑的再生工藝及循環水系統的設計還存在不少問題。因此，降低NO。的有效途徑是改善燃燒。常見的低NO。燃燒技術主要有低NO，生物質燃燒機技術、空氣分級燃燒技術、燃料分級技術和煙氣再循環技術。其中最實用的是便用低NO，生物質燃燒機。在燃煤鍋爐中，旋流生物質燃燒機的應用更為廣泛。傳統旋流生物質燃燒機的特點是一次風煤粉氣流以直流或旋流的方式進入爐膛，二次風從煤粉氣流的外側強烈旋轉進入爐膛。射流的強烈旋轉使兩股氣流進入爐膛后立即強烈混合，卷吸大量易著火的高溫煙氣，在著火端形成氧氣過量的燃燒區域，而且火焰短，放熱集中，易出現局部的火焰峰值區，NO。排放量高。 經研究發現改善燃燒降低NO。主要有以下兩個途徑：一是形成貧氧區域，最大限度地限制NO。的生成量；二是在富燃料燃燒下選擇最佳的停留時間和溫度，以使“N”最大限度地轉化成“N2”，但又不影響燃燒損失。為實現這兩種途徑，低NO。生物質燃燒機一般采用分級燃燒技術和高濃度燃燒技術。20世紀50年代，美國首次開發了空氣分級燃燒技術，通過調整生物質燃燒機及其附近的區域或是整個爐膛區域內空氣和燃料的混合狀態，在保證總體過量系數不變的基礎上，使燃料經歷“富燃料燃燒”和“富氧燃盡”兩個階段，以實現總體NO，排放量大幅下降。高濃度燃燒技術是多年來眾多研究者對煤粉濃度與著火及燃燒過程關系研究的結果：在一定的煤粉細度和空氣溫度條件下，一定的煤粉濃度范圍內，隨著煤粉濃度的提高，煤粉著火熱減少，著火溫庋會降低，著火時間縮短燃燒穩定性變好，N0。排放量降低。隨著燃燒技術的發展進步，環保要求的嚴格，燃用劣質煤的增加，各國的低NO。旋流生物質燃燒機處于不斷發展和完善之中。 2.1 DRB燃燒型 美國B &W公司于1971年研制了雙調風煤粉生物質燃燒機。圖1是其典型的DRB生物質燃燒機。該生物質燃燒機一次風管內有文丘里裝置，使一次風粉流中的煤粉分布均勻。一次風管外有可調的內二次風和外二次風管，風管中設有軸向可動葉片，用于改變內、外二次風的比例和旋流強度，以調節一二次風的混合。雙調風生物質燃燒機主要通過控制煤粉與空氣的混合，延遲燃燒過程，降低燃燒強度和火焰最高溫度來降低NO。的生成量。當它燃用煙煤時，一次風量約為20%，內二次風量約為20%～25‰其余空氣為外二次風，并以較高的旋流強度送入爐膛，一方面保證燃料燃盡；另一方面在火焰周圍成氧化性氣氛，對防止結渣和高溫腐蝕十分有利。運行實踐證明，采用DRB生物質燃燒機進行空氣分級燃燒后，距噴口1.2m處的火焰溫度由1600℃降至1400 0C, NO。排放濃度降低39%。圖2是DRB生物質燃燒機和該公司普通旋流生物質燃燒機NO。排放量的比較。 2 2 EI-DRB生物質燃燒機 DRB生物質燃燒機主要適用于燃燒揮發分>25%的煙J煤，為了能夠適用于燃燒貧煤，B &W公司又開發了EI- DRB生物質燃燒機（增強型雙調風生物質燃燒爐）。它的基本結構和原理跟DRB生物質燃燒爐相同，區別是在一次風管中設有導向器和均流裝置，能保證一次風出口煤粉分布較均勻；二次風采用大風箱結構。 2 3 CF/SF生物質燃燒爐 美國FW公司1979年推出CF/ SF（控制流量／分離火焰）低NO。切向旋流生物質燃燒爐，主要特點是將一次風煤粉氣流分為四股，盡可能減少煤粉和空氣的早期混合，內外二次風也可調節。我國山東鄒縣電廠2臺600MW機組鍋爐應用該生物質燃燒爐，鍋爐最大NO。排放量為737m~m3。 2 4 PAX生物質燃燒爐 PAX型生物質燃燒爐是加拿大B&W公司在雙調風旋流生物質燃燒爐的基礎上，增設了PAX裝置（一次風置換裝置）。它由內外環形通道、旋流葉片、可動葉片、入口彎管、出口擴錐、乏氣抽出管等紐成，與直吹式制粉系統配套使用；當一次風粉氣流通過生物質燃燒爐入口彎頭時，由于離心力的作用，被分為兩股，彎頭內側為淡風粉氣流，將其作為三次風在生物質燃燒爐周圍另開的三次風口噴入爐膛；彎頭外側為濃風粉氣流，進入生物質燃燒爐與從二次風箱引入的溫度為310～371℃的一部分熱風相混合后作為一次風噴，入爐f在一次風噴口處裝有多層盤式穩焰器；二次風通過軸向葉片形成旋轉氣流進入爐內。有研究發現，在二次風不分級時，PAX生物質燃燒爐和El DRB生物質燃燒爐效果相同，在二次風分級時，PAX比El DRB有更好的調節性能。PAX生物質燃燒爐開發應用的實例有力地說明了采取高濃度煤粉燃燒技術對于燃燒低揮發分鍋爐降低NO。并強化穩燃的重要性。 2.5 XCL生物質燃燒爐 為了方便鍋爐改型，在DRB和HT NR燃燒器上，Babcock Wilcox公司于1986年又開發了XCL型生物質燃燒爐。XCL型生物質燃燒爐采用套閥調節內、外氣流區，在內、外氣流區采用可調節旋流度。其NO。排放比雙調風生物質燃燒爐約低25%。XCL生物質燃燒爐最重要的優點是它可以通過選用合適的葉輪使火焰形狀適應爐型，對深度有限的爐窯（如單置墻式爐），可讓火焰長度減短。 德國電站煤粉鍋爐多燃用劣質J煤，其波態排渣爐的NO。排放量非常高，對德國來說降低這種鍋爐的NO。排放量是一個很緊迫的課題。為降低NO。的排放，德國Steinmuller公司開發了SM生物質燃燒爐，Babcock公司開發了WS和DS生物質燃燒爐。 3.1 SM生物質燃燒爐 SM生物質燃燒爐的特點是一次風和煤粉不旋轉，二次風通過軸向葉片形成旋流。一、二次風量占燃燒所需總空氣量的80%～90%，在生物質燃燒爐噴口處形成燃料區，其余空氣從生物質燃燒爐噴口周邊一定距離處對稱布置的四個二級空氣噴口以直流的形式送入爐膛，此二級燃燒空氣的作用類似于爐膛空氣分級燃燒的OFA，這兩種措施使得NO。排放量低。據報道，它的NO。排放量比一般生物質燃燒爐低22%～32%。由于它的高濃度燃燒性能，適合作為劣質煤和無煙煤生物質燃燒爐。 3.2 WS型生物質燃燒爐 WS型低NO。生物質燃燒爐是德國Bab cock公司的第二代產品。它的結構如圖3所示。和DRB型燃燒器類似，所不同的是它增加了中心風，往爐膛供入少量的較低溫度的空氣，有利于火焰溫度的降低；此外它的外二次風不旋轉，因而可進一步推遲它與富燃料火焰的混合時間，從而減少著火區NO，的生成量。一般NO。排放量為6501TI~1T13。對安裝在一臺800MWe燥粉爐上的WS生物質燃燒爐的測試表明，在單獨使用這種生物質燃燒爐時，鍋爐的NO。排放值可以減少40%以上，而對爐膛的腐蝕、傳熱和燃料的燃盡沒有明顯的影響。在一臺700M We的鍋爐上測試值為：在爐膛沒有OFA日寸，NO。的排放濃度低于800mg/Nmj，飛灰含碳量低于5%。 3.3 DS型生物質燃燒爐 在WS型的基礎上，Babcock公司1995年又開發了第三代產品-DS型生物質燃燒爐，如圖4所示。它充分考慮了NO。減少生成和可能出現的燃燒不良等問題，具有如下結構特點：采用截面積較大的中心風管，減緩了中心風速，保證回流區的穩定；增大一次風射流的周界長度和一次風粉氣流同高溫煙氣的接觸面積，提高了煤粉的著火穩定性；在一次風道內安裝了旋流導向葉片，使一次風產生旋流，并將噴嘴端部設計成外擴型；煤粉噴嘴出口加裝了齒環形穩燃器；在外二次風的通道中則采用各自的擴張形噴口，以使內、外二次風不會提前混合；內外二次風道為切向進風渦殼式結構，保證生物質燃燒爐出口斷面空氣分布均勻，增加了優化燃燒所具備的旋流強度。DS型低NO。生物質燃燒爐可實現NO。低于450mg/m3的排放櫟準。這是目前采用空氣分級燃燒技術降低NO。幅度最高的生物質燃燒爐。而且，它既可用于前后墻 型生物質燃燒爐和DS型生物質燃燒爐NO，排放值的比較對沖燃燒方式，也可用于切圓燃燒方式，對于燃用優質煤和劣質煤均適用。圖5是WS型生物質燃燒爐和DS型生物質燃燒爐NO。排放值的比較。由圖可以看出，DS型生物質燃燒爐在高過量空氣系數下，NO。排放值較WS型生物質燃燒爐有大幅下降。 該生物質燃燒爐的二次風道分為內外兩個風道，由調風器和內葉輪控制二次風的進入；熱三次風由中心管引入；一次風粉混合物流經內外筒形成的環型通道切向進入爐膛，環型通道末端向內收縮使煤粉向中心集中，從而形成局部濃縮燃燒。這祥在著火區就形成局部的富燃料區，從而達到降低NO。的目的。 4.2 IHI- FW臥式分離器旋流生物質燃燒爐[日 這種生物質燃燒爐是在IHI雙旋流生物質燃燒爐的基礎上加了一個臥式旋風分離器。從磨煤機來的一次風粉流先導入旋風分離器，分離器的導流板可處于高、低負荷的位置。燃用劣質煤或低負荷燃燒時，導流板置于低負荷位置，被分離出的高濃度風粉流被送入燃燒器中心的低負荷噴嘴（高濃度噴嘴），在出口著火區形成高濃度燃燒。被分離出的低濃度風粉流從另一低濃度風粉管由高濃度噴口周圍的低濃度噴口進入爐膛與高濃度火焰形成濃淡燃燒。燃用優質煤或高負荷燃燒日寸，導流板置于高負荷位置，一次風粉流可不經分離器直接進入低濃度噴嘴進行正常燃燒。這種臥式分離器的作用相當于濃縮器。這種燃燒器具有優良的降低NO。的能力和低負荷穩燃性能。日本苫東厚真電廠600MW燃煤鍋爐使用這種生物質燃燒爐后，其最低穩燃負荷達到15‰在100%～15%負荷范圍，NO。排放量<165mg/L,飛灰可燃物含量也很低，燃燒性能非常好。 4 3 HT-NR型生物質燃燒爐 為進一步降低N0。以及改善飛灰中的未燃炭，在雙調風生物質燃燒爐的基礎上，日本Baboock- Hitachi推出了HT-NR型生物質燃燒爐，如圖6所示。燃料在A區低空燃比條件下釋放出揮發分，產生大量的NO。；在下游B區形成烴根生成區；在C區快速形成的烴根使NO。還原為N 2；在D區實現充分燃燒。HT NR的原理即火焰內高溫還原NO。。與雙調風生物質燃燒爐不同的是，它在噴嘴出口處裝有陶瓷火焰穩定環，從而在噴口附近形成回流區，使煤粉離開燃料噴嘴后迅速著火，加速了脫揮發分期間的燃燒速率。它還采用滑動套閥進行風分級，在控制火焰形狀方面較為有效。HT-NR生物質燃燒爐NO。排放水平比雙調風生物質燃燒爐的還低30%～50%。實驗還表明，在火焰穩定環前采用圓錐形擴壓器更有利于陣低NO。。 4 4 NR2生物質燃燒爐 日立在HT-NR生物質燃燒爐的基礎上，獨立研制低NO。NR生物質燃燒爐，再進一步發展為日立NR2生物質燃燒爐。結構上的改變主要是NR2在中心油槍處設置濃度調節器，可以更進一步地提高燃燒火焰富燃燒區的煤粉濃度。此外在噴口外圍增加了燃燒空氣分離器，強化了外圍空氣的分離效果，擴大了火焰的脫NO。區域。在爐膛出口02含量為3%～3.5%，過量空氣系數為0.9時，NO。排放量為145mg/ L。 波蘭的低NO。旋流生物質燃燒爐的研究也取得一定進展，在NSZ型生物質燃燒爐基礎上開發了NSW型生物質燃燒爐。其設計原理同樣也是分級燃燒和濃淡燃燒技術的應用。 5中國 我國從20世紀80年代初開始研究低NO。煤粉生物質燃燒爐，并取得了重要成果，開發出了一系列低NO。生物質燃燒爐，不過多為直流生物質燃燒爐。在低NO。旋流生物質燃燒爐方面取得的重要成果是開發了徑向濃淡旋流煤粉生物質燃燒爐。 為了綜合解決我國煤粉燃燒過程中存在的燃燒效率低、穩燃性能差、NO。排放高、爐膛水冷壁結渣和高溫腐蝕等問題哈爾濱工業大學提出并開發了徑向濃淡旋流煤粉生物質燃燒爐。其結構原理如圖7所示。在生物質燃燒爐一次風通道中加入煤粉濃縮器，使一玖風粉混合物分成濃淡兩相。濃煤粉氣流靠近中心經過濃一次風通道噴入爐膛，淡煤粉氣流從濃一次風通道外側的淡一次風通道噴入爐膛。同時，二次風也分成了兩部分：一部分經過旋流二次風通道以旋流的形式進入爐膛；另一部分經過直流二次風通道以直流的形式進入，改變直流二次風擋板的開度，可以調節二次風旋流強度。旋流器為軸向彎曲葉片。運行表明，相對于改造前采用的普通型和雙通道外混式生物質燃燒爐，燃燒效率提高。爐膛低負荷能力提高，煤種適應性好，解決了改造前存在的高溫腐蝕問題，NO。排放量大幅度下降，鍋爐點火啟動快，節油明顯。該技術水平達到國際先進水平，可應用到任何容量的煤粉燃燒鍋爐上。NO。排放濃度為600mg/Nm3以下，鍋爐最低穩燃負荷可達50%。 |
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