燃煤锅炉低氮燃烧改造技术原理及方案

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1.1NOx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1.1NOx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。1.1NOx生成类型•热力型氮：空气中氮在高温下氧化产生ONOONNNONONONO22222222212NOONONOON在高温下总生成式为1.1NOx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。1.1NOx生成类型•燃料型氮：由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。煤燃烧中的氮化学还原挥发分氮原煤氮HCN残余焦炭氮N2NO碳黑氮NH3焦炭氮N2O一次热解二次热解氧化还原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!1.1NOx生成类型空气中的氮NOxN2烃生成物中结合的氮杂环氮氰（HCN，CN）氰氧化物（OCN，HNCO）氨类（NH3，NH2，NH，N）N2N2OHNOx烃生成物CH,CH2燃料氮的转化再燃还原性气氛氧化性气氛NOx生成和破坏的化学途径1.1NOx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020406080100空气分级NOx脱除效率％空气分级低NOx燃烧器再燃SNCRSCR30～40％15～20％30～50％40～70％80%各种脱硝技术的脱硝效率SNCR控制NOx燃尽风主燃区空气分级控制NOx低NOx燃烧器燃料再燃控制NOxSCR控制NOx氨的喷射系统氨的输送系统氨的储存系统SCR的催化剂系统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性的影响。2.2低氧燃烧技术9:36:1010:02:5010:29:3010:56:1011:22:50012345678910100200300400500600700800O2NOx试验时间NOx(mg/mg3,@6%O2)氧量(%)2#炉氧量对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/O22.2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α1，降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平。使燃料中的N在还原性气氛中转化成NOx的量减少，而且将已生成的NOx部分还原，使NOx排放量减少。在燃尽风喷口附近的第二燃烧区内，喷入的空气与第一燃烧区内生成的烟气混合，剩余燃料在α1的富氧条件下完成燃烧过程。2.3分级配风技术“火上风”喷口一次风煤粉和二次风α:0.8~0.9α:1.1~1.2轴向空气分级燃烧2.3分级配风技术01002003004005006001.31.21.110.90.8一级燃烧区过量空气系数a1NOx(ppm)(6%O2)N:1.0%N:1.15%N:2.6%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，推迟了二次风与一次风的混合，降低了燃烧中心氧气浓度，使燃烧中心α1，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，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Ф154×4.5改造为Ф273×5，NOx排放下降100mg/m3，但效率略有降低。2.4配煤掺烧技术28.028.529.029.530.030.531.0200250300350400450NOx浓度（ppm，@6%O2）煤中挥发分（％）0.70.80.91.01.11.2200250300350400450NOx浓度（ppm@6%O2)煤中含氮量（％）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0.0100.0200.0300.0400.0500.0020406080100120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3.1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NOx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）DRB－XCL型（B-W公司）3.1低NOx燃烧器（LNB）（4）DRB－4ZTM型（B-W公司）3.1低NOx燃烧器（LNB）（4）DRB－4ZTM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）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）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CFSⅠ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3.2空气分级的燃烧器布置分离布置燃尽风喷口（SOFA）紧靠布置燃尽风喷口（CCOFA）偏转二次风喷口（CFS）一次风喷口风箱二次风门挡板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