无焰燃烧

煤作为一种不清洁的能源，其燃烧所产生的污染物对环境的破坏是相当严峻的，如一氧化碳（CO）、二氧化硫(SO2)，氮氧化物(NOx)、粉尘等，其中NOx是燃煤产生的主要大气污染物，其危害性很大。平均每燃烧一吨煤会产生8~9公斤左右的NOx，且随着工业的发展，NOx排放量将呈上升趋势。若不采取措施加以控制，NOx对我国乃至全球大气环境污染所造成的严重后果将不堪设想。而控制污染气体的排放需要付出昂贵的代价。举个例子来说，有两种方法可以降低NOx的排放量:催化剂选择法和燃烧器内降低NOx的方法。若采用前者，按工业发达国家估计，设备改造成本约20$/KW，一个30万千瓦锅炉的改造费用为600万美元左右；而采用后者只需在结构上加以改进使燃料充分燃烧，不仅费用要比前者低很多，而且可以充分利用资源。因此，深入地研究煤粉燃烧器燃烧原理，开发低污染气体排放的新技术，以达到降低成本、保护环境的目的，无疑是极为重要的。采暖、供热、发电等领域的锅炉全国数量不少十百万台，运用此新型煤粉燃烧器技术对国内工业燃煤锅炉进行改造，符合国家节能减排政策的要求。针对能源领域煤炭资源短缺、浪费严重、燃烧效率低、污染排放大等问题，本文以节能环保为宗旨，开展新型煤粉燃烧器关键技术研究:提高燃烧设备的燃烧效率，降低煤炭使用，节约大量电能和燃料；降低一氧化碳、二氧化碳排放，抑制氮化物、炉渣等的生成，减轻环境污染。达到燃烧效率98%，灰渣全碳含量0.1(无固定碳)，锅炉热效率不低于90.31%。使得该新型煤粉燃烧器在技术、效率、节能、基建成本等方面比现在使用的供热系统有明显的先进性和适用性，是一种节能环保的清洁能源设备，因此，深入开展新型煤粉燃烧器的研究对国民经济的发展和人民生活质量的提高具有重大影响，对缓解我国能源危机及环境保护具有重要意义。1)350~400℃温度区间，此温度区间内发生初步热解反应，包括氢键的破裂、气化和不含共价键分子的转移;2)400~700℃温度区间，尽管受到燃料特性的影响，但不同煤质最主要的热解反应基本都在该区间内发生。这些反应主要包括降解反应，这使得键能最小的化学键破裂，生成分子团。由于从氢化芳族和脂肪族化合物提分解出氢分子，因此这些分子团具有高饱和度的芳香族化合物。这些分子团中的小分子由焦炭颗粒中释放出来，并以焦油形式析出。同时，官能团也以CO2、小脂肪族分子化合物、CH4和H20等物质形式释放。3)高于700℃温度区间，该区间内主要为碳基体的凝聚反应、CO和H2的释放。无焰燃烧是低氧稀释条件下的一种温和燃烧模式，其特征是反应速率低、局部放热少、热流分布均匀、炉内温差小、燃烧峰值温度低、噪音极小且NOX生成量小。传统燃烧方式中进入反应区前反应物的浓度高而温度低，无焰燃烧方式中进入反应区前反应物的浓度低而温度高。无焰燃烧过程中，通过把高温预热空气和燃料通过不同喷口喷入燃烧室，形成强烈的烟气回流，并与燃料和空气剧烈棍合，从而延缓了空气和燃料的扩散混合，由于无焰燃烧中反应物浓度降低，反应区域扩大，燃料在高温低氧的气氛下燃烧，反应发生在一个宽广的区域，有时甚至会充满整个炉膛，火焰锋面消失，整个炉膛温度分布均匀，提高了炉膛的容积热负荷，辐射传热增强。不再出现传统燃烧方式中出现的局部高温高氧区，从而将NOX浓度控制在很低的水平。众所周知，影响煤粉燃烧效率和能量转换效率的关键因素是燃烧温度。温度太高，不但大量生成NOx,而且CO2和H2O会大量热解吸热；燃烧室温度与燃烧温度太低，燃烧反应时间增加，会生成大量的未燃碳氢和CO，同时也会增加烟气中的不完全燃烧产物。研究发现，当燃烧室内温度分布均匀，温度梯度较小时可以降低碳氢化合物(CmHn)与一氧化碳(CO)的排放，燃烧产物不会大量裂解，同时又不会大量生成NOx。而传统的燃烧应只发生在火焰面附近，形成局部高温区，造成了NOx的大量生成，也容易出现燃烧不完全的现象。反应区的局部低氧是实现无焰燃烧的技术条件，燃烧“柔和”，反应区氧浓度极低，没有燃烧噪音，燃烧室内温度分布均匀，无局部高温或低温区，既避免了火焰面温度过高所带来的NOx大量生成，又使得反应区域扩展至整个燃烧室，减少了不完全燃烧的可能，提高了整体反应速率。新型无焰燃烧系统可利用余热加热空气，使得整个燃烧系统始终处于合适的燃烧温度，炉膛平均容积热负荷高，最高可节约能量达30%以上，降低设备尺寸以及污染物排放达25%左右。将无焰燃烧技术应用于煤粉的燃烧，控制反应区氧浓度，使煤粒表面不形成扩散火焰，形成类似于气体燃料无焰燃烧的弥散的反应区，使温度分布均匀，燃烧反应柔和，实现低的NOx排放，有利于强化传热、提高煤粉的燃烧效率、减少污染物的排放、缩小设备的尺寸。图1.1超焓燃烧示意图图1.2绝热系统超焓燃烧示意图日本已经开发出采用HTAC技术的煤粉燃烧锅炉，其基本原则:一是控制炉内温度不超过灰软化温度，避免炉内结焦;二是采用孔尺寸较大的蜂巢蓄热体，允许有大量的飞灰通过，二是在蓄热体后的低温烟气中进行除尘，保证飞灰不进入换向阀等机械部件中去。TOSHIYUKISUDA对高温空气无焰燃烧中煤粉的着火延迟特性，燃烬特性，和NOx排放特性进行了研究，实验证明高温空气无焰燃烧有利于煤粉着火延迟时间减少，提高火焰稳定性，并且减少了NOx排放。德国斯图加特大学IVD研究所的GScheffknecht教授开展了煤粉的无焰燃烧试验，实现了煤粉的无焰燃烧，得到煤粉无焰燃烧图片，并证明了煤粉的无焰燃烧在降低NOx生成和提高碳燃尽率上有明显优势。图2.3煤粉无焰氧燃试验流程示意图先进再燃先进再燃是指再燃烧技术与N催化射入技术相结合，是一种更有效的NOx控制技术。这种技术将氨水或尿素作为N催化剂加入到再燃烧区或燃尽区，进一步降低NOx的还原，可减排NOx达85%以上，具有非常好的技术优势。基于贫燃料预混的两项技术：贫燃料预混燃烧室(LPM)和贫燃料预混预蒸发燃烧室(LPP)具有较大的优势和发展前途。贫燃料预混技术的难点为热声振荡、回火、自动点火、贫态吹熄。燃料分级燃烧技术由NOx的分解机理可知:未完全燃烧产物C，CO，Hi和CnHm以及炉内的烃根CHi与已生成NOx相遇时，会还原NO为N2。燃料分级的根本思路为；使喷入主燃区的煤粉占总的入炉煤量的80%~85%，由于该阶段处于过量空气系数a1大于1的情况，这阶让煤中的燃料氮尽可能转化为NO。将15%~'20%左右的再燃燃料喷入锅炉主燃烧区上部位置，在此形成过量空气系数a2小于1的还原性气氛，在还原性气氛下锅炉生成的大量的还原性的离子把前面生成的NO还原。同时，为了保证燃料的充分燃烧，在再燃区上方布置相应的OFA燃尽风，为进一步的助燃提供氧气。影响燃料分级燃烧降低NOx的主要因素有：1)二次燃料的品质对降低NOx影响很大，由于二次燃料的射入位置相对靠近炉膛上部，在炉内的停留时间较短，燃料的燃烧时间自然就被短，所以最好选用容易着火的燃料。另外，二次燃烧含有的氮会降低燃料分级的脱氮效果，所以二次燃料宜选用含氮量较低的燃料。天然气、油和煤粉可以作为二次燃料，但是，从最终的锅炉炉内脱氮和燃料再燃效果来看，天然气效果最好。2)二次燃料的燃料量的选取，所占比重太小则达不到理想的脱氮效果，如果所占比重过大，则会导致燃烧不完全，锅炉热率降低等不经济影响。研究发现，二次燃料的比重一般是占送入炉膛总热量的10%~20%。3)还原区温度越高，二次燃料在炉内停留时间越长，则NOx还原效果越理想。所以，根据这个理论，二次燃料应在主燃烧区燃烧一结束就立马喷入。但是实际再燃燃料不能太靠近主燃区，会导致主燃区的过剩氧进入还原区，降低还原效果，对不同的电站锅炉，最佳的停留时间应有试验确定。还原区内燃料和烟气的最佳停留时间为((0.4~1.5)s之间。4)主燃区生成的NO越少越好，尽管当主燃区生成的NO量越少，再燃区的还原率就越低，但是最终锅炉总的NOx的排放量在下降。主燃区的煤粉燃烧越充分越好，这样可以减少还原区的氧量浓度和燃料浓度，进而提高NOx的还原率和锅炉的燃烧效率。5)在一定的条件下(如一定的温度和停留时间)，各级燃烧区的过量空气系数有一个最佳值，此时锅炉脱氮效果最好。一般主燃烧区过量空气系数(煤粉炉、包括液态排渣炉、旋风炉前室)取1.1，上部燃尽区为1.15~1.2，还原区为0.7~0.9。对于不同的燃烧设备，由于具体条件不同，如煤种、设备型号、二次燃料、环境温度和停留时间等，适合具体设备的最合理的过量空气系数都要通过试验、理论计算或者数值模拟等方法来确定。6)为了保证锅炉的脱氮效果，二次燃料的送入方式和送入位置要精心设计和计算。同样，为了保证再燃燃料的燃尽，燃尽分与主烟气的混合应快速、充分。所以对于燃尽风的送入位置和送入方式也要合理的设计。燃料NOx生成和还原的反应机理图燃烧器布置方案图1PRP燃烧器的布置示意图图2PRP燃烧器的工作原理图2-1炉膛内不同类型NOx的生成量与炉膛温度的关系图2.12燃烧器优化前组装图