空氣分級(jí)燃燒技術(shù)在燃燒器低NO_x改造中的應(yīng)用_圖文

1、空氣分級(jí)燃燒技術(shù)在燃燒器低N O x 改造中的應(yīng)用才雷1,滕生平1,祖興利1,章明川2,范衛(wèi)東2(1.大唐國(guó)際北京高井熱電廠,北京100041;2.上海交通大學(xué),上海200240摘要:空氣分級(jí)燃燒技術(shù)是降低鍋爐N O x 排放的主要燃燒控制手段,將這種技術(shù)應(yīng)用到燃燒器的改造中可以起到降低N O x 排放的作用,為此介紹北京高井熱電廠6號(hào)鍋爐的低N O x 燃燒器改造以及試運(yùn)情況。關(guān)鍵詞:空氣分級(jí)燃燒技術(shù);燃燒器改造;N O x 排放;數(shù)值模擬中圖分類號(hào):T K 16、T K 223.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1003-9171(200611-0033-03Application of Ai

2、r Staged Combustion Technology inTransformation of Burner to Reduce Exhaust of NO xCai Lei 1,T eng Sheng-ping 1,Zu Xing -li 1,Zhang M ing -chuan 2,Fan Wei-dong2(1.Dat ang Internat ional Beijing Gaojing T hermal Power Plant ,Beijing 100041,China;2.Shanghai Jiaot ong U niversit y,Shanhai 200240,ChinaA

3、bstract :Air st aged combustion t echnology is the main control met hod of combustion t o reduce t he NO x emission of boiler.When being applied to t he t ransformation of burner,t he method can reduce the exhaust of NO x.T his paper int roduces the t ransformat ion process of t he burner of N o.6bo

4、iler for reducing NO x ex haust ,and the commissioning in Beijing Gaojing T hermal Pow er Plant .Key words :air staged combustion t echnolog y;t he t ransformat ion of burner;t he exhaust of N Ox ;numerical simulat ion1抑制NO x 生成的空氣分級(jí)燃燒技術(shù) 空氣分級(jí)燃燒法是美國(guó)在20世紀(jì)50年代首先發(fā)展起來的,它是目前使用最為普遍的低NO x 燃燒技術(shù)。空氣分級(jí)燃燒的基本原理是,

5、將燃料的燃燒過程分階段完成。這種空氣分級(jí)燃燒技術(shù)在燃燒器的設(shè)計(jì)中采用,可以得到低NO x 燃燒器。根據(jù)NO x 生成機(jī)理的研究,煤粉爐內(nèi)NO x 生成占主要地位的是燃料型NO x ,而且燃料型NO x 主要在揮發(fā)分燃燒階段生成,還包括占次要位置的熱力型NO x 和快速型NO x 。為降低NO x 的生成,一般的做法是在燃燒器出口附近的著火區(qū)形成一個(gè)貧氧富燃料區(qū)域,推遲二次風(fēng)的混入過程,使揮發(fā)分在還原性氣氛中燃燒,抑制了燃料NO x 的生成。由于二次風(fēng)延遲與燃料的混合,燃料速度降低,使火焰溫度降低,故也抑制了熱力NO x的生成。如圖1所示,實(shí)際有4個(gè)區(qū)域1。區(qū)域4的主要反應(yīng)如下:NH +NO N

6、 2+OH(1CN+NO N 2+CO(2CO+NOC+NO CO+12N 2(41.揮發(fā)分燃燒區(qū);2.還原成分生成區(qū);3.焦炭燃燒區(qū);4.NO 減少區(qū)圖1旋流燃燒器空氣分級(jí)示意圖2原燃燒器概述高井熱電廠6號(hào)鍋爐為前蘇聯(lián)制造的430t /h 單汽包自然循環(huán)固態(tài)排渣鍋爐,燃燒器設(shè)計(jì)為雙蝸殼式煤粉燃燒器,共12只,分上下兩排布置在前墻,每排6只。燃燒器由二次風(fēng)蝸殼、一次風(fēng)管以及中心管組成,屬雙蝸殼旋流式。燃燒器是為專門燃用無(wú)煙煤而設(shè)計(jì)的,一次風(fēng)和二次風(fēng)的旋轉(zhuǎn)方向相同,它的旋流強(qiáng)度大、氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)烈,產(chǎn)生中心負(fù)壓回流區(qū),形成的內(nèi)卷吸作用吸引熱煙氣 回流到火焰根部,熱煙氣對(duì)煤粉氣流的著火和火焰的穩(wěn)定有著

7、極為重要的作用。3燃燒器改造思路將一、二次風(fēng)由較早的強(qiáng)烈混合,改為在第一階段形成較強(qiáng)的還原性氣氛,以此來實(shí)現(xiàn)前期煤粉低過量空氣燃燒抑制NO x 的生成,然后在第二階段補(bǔ)充給外二次風(fēng)使燃料充分燃燒。結(jié)構(gòu)上的變化是在擴(kuò)徑后的原二次風(fēng)通道中間加一個(gè)環(huán)形管,把原二次風(fēng)通道變成了兩個(gè)通道。與原二次風(fēng)蝸殼相通的稱之為外二次風(fēng)通道,該通道氣流仍為原二次風(fēng)形式。緊鄰一次風(fēng)通道的稱之為內(nèi)二次風(fēng)通道,它的進(jìn)風(fēng)來自環(huán)境溫度下的空氣,壓頭靠爐內(nèi)負(fù)壓抽吸形成,從風(fēng)道爐外端部吸入。它將一次風(fēng)環(huán)形管道與外二次風(fēng)環(huán)形管道(原二次風(fēng)之間拉開一圈環(huán)形間隔,推遲一、二次風(fēng)的混合符合空氣分級(jí)燃燒原理,有利于抑制NO x 的生成。內(nèi)二

8、次風(fēng)風(fēng)速比外二次風(fēng)低,在一、二次風(fēng)形成了一個(gè)弱旋流強(qiáng)度的隔離區(qū),使其混合強(qiáng)度減弱。內(nèi)二次風(fēng)的入口設(shè)置了可調(diào)節(jié)的環(huán)形擋板門,可以控制內(nèi)二次風(fēng)的供給量,從而控制噴口處的燃燒溫度和煤粉的著火距離,防止燒毀噴嘴。在低負(fù)荷時(shí)關(guān)閉吸入的內(nèi)二次風(fēng)的檔板,這樣起到了一次風(fēng)和原二次風(fēng)的隔絕作用,弱化了強(qiáng)烈混合,在高負(fù)荷時(shí)打開內(nèi)二次風(fēng)檔板,補(bǔ)給了二次風(fēng)量。內(nèi)二次風(fēng)補(bǔ)給量由于受通流面積和壓差決定,形成的風(fēng)速比外二次風(fēng)低得多,于是在一、二次風(fēng)之間形成了一個(gè)弱旋流強(qiáng)度的隔離區(qū),同時(shí)現(xiàn)在的混合程度也弱于原一、二次風(fēng)的混合。另外,原一次風(fēng)噴口周圍形成強(qiáng)烈負(fù)壓回流區(qū),火焰回流容易造成噴嘴燒毀,而內(nèi)二次風(fēng)在一定程度上能破壞回流

9、,并冷卻一次風(fēng)噴口。4改造的方案落實(shí)(1主要參數(shù)計(jì)算見表1。 圖2改造后的燃燒器結(jié)構(gòu)表1計(jì)算步驟參數(shù)計(jì)算公式結(jié)果總空氣量V /(m 3s -1V 0a B j 89.72內(nèi)二次風(fēng)率r n2選取0.06內(nèi)二次風(fēng)量V n2/(m 3k g -1Vr n25內(nèi)二次風(fēng)環(huán)道內(nèi)徑d n21/mm 已知520內(nèi)二次風(fēng)環(huán)道面積A n2/m 2V n2ZW n20.119內(nèi)二次風(fēng)環(huán)道外徑d n22/mm 4A n2+(d n212650內(nèi)二次風(fēng)錐角 n2/(°選取26擴(kuò)口長(zhǎng)度l k /mm300內(nèi)二次風(fēng)擴(kuò)口直徑d n2k /mm 2tg( n2/2l k +d n22794校正系數(shù)K 選取0阻力系數(shù)

10、n2(1+K (1+tg 2 4內(nèi)二次風(fēng)密度!n2/(k g m-3已知 1.285內(nèi)二次風(fēng)阻力P n2/Pa n2!2w 2n2231.42爐膛負(fù)壓(全壓P lt /Pa 運(yùn)行調(diào)整4060空氣動(dòng)壓P n2d /PaP lt -P n28.58校正后的內(nèi)二次風(fēng)速w n2/(m s -12p n2d!n2 3.65內(nèi)二次風(fēng)切向速度w n2t /(m s-1w n2s in3(2經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的燃燒器見圖2。5數(shù)值模擬研究及改造后試驗(yàn)結(jié)果為了提前摸清6號(hào)鍋爐的燃燒器改造效果,在對(duì)爐內(nèi)煤粉燃燒和氮氧化合物生成建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,利用CFD -FLUENT 軟件對(duì)單只燃燒器進(jìn)行了熱態(tài)的數(shù)值模擬研究2。

11、數(shù)值模擬工作主要是比較燃燒器改進(jìn)前后的氣固兩相射流特性和燃燒性能,以此來評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)NO x 排放特性的改善。在一次風(fēng)率同為30%的工況下,流場(chǎng)分布表明:改進(jìn)型低氮燃燒器(圖4比原雙蝸殼旋流式燃燒器(圖3的射流擴(kuò)展角有較大幅度的減小,射流擴(kuò)展角減小導(dǎo)致回流區(qū)的減小;同時(shí)各工況未出現(xiàn)一次風(fēng)一離開噴口即混入二次風(fēng)中的情況,而是各股風(fēng)保持獨(dú)立一定距離后才漸混合,表明改造后的燃燒器推遲了一、二次風(fēng)的混合。燃燒器改造前后熱力及環(huán)保試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。從數(shù)值模擬可以看到,火焰的長(zhǎng)度與形狀與改造前都有了變化,火焰變得細(xì)長(zhǎng),它的行程對(duì)改變火焰中心有較大影響。由于燃盡過程的推遲,從而提高了火焰的中心位置。熱力試驗(yàn)

12、表明上部爐膛溫 圖3改前燃燒 器出口流場(chǎng)圖4改后燃燒器出口流場(chǎng)表2燃燒器改造前后熱力試驗(yàn)結(jié)果項(xiàng)目改造前改造后比較鍋爐負(fù)荷/(t h -1371390+9過熱蒸汽壓力/M Pa 9.39.30過熱蒸汽溫度/537540+3給水溫度/216220+4爐膛溫度/14481573+125排煙溫度/左146157+11右150157+7飛灰可燃物/%2.52 2.58+0.06修正后未完全燃燒損失/%0.790.83+0.04修正后鍋爐效率/%92.6392.32-0.31排煙含氧量/% 6.89 6.9過剩空氣系數(shù)1.4881.49NO x 折算后排放濃度/(mg m -31164.92704.7度比

13、過去提升了125,過熱器出口煙溫提高了54(平均值,排煙溫度提高了9(修正后。修正后的排煙損失比改造前增大了0.29%,這是引起鍋爐沒有達(dá)到改造前燃燒效率的主要原因。由于火焰形狀的變化,煤粉的燃盡性也受到影響,熱力試驗(yàn)表明飛灰可燃物比改造前有增加,修正后的機(jī)械未完全燃燒熱損失也比改造前增加了0.04%,這一點(diǎn)與空氣分級(jí)燃燒技術(shù)改進(jìn)后所帶來的負(fù)作用是相吻合的。鍋爐整體效率由改造前的92.63%下降為92.32%,下降0.31%。盡管鍋爐效率在改為低氮燃燒器后有所下降,但是本鍋爐的設(shè)計(jì)效率為90.2%,實(shí)際運(yùn)行的鍋爐效率仍優(yōu)于原設(shè)計(jì)值,已達(dá)到了低氮燃燒器改造的基本要求。6結(jié)論6號(hào)鍋爐燃燒器改造后的

14、常規(guī)熱力試驗(yàn)表明,該爐在燃煤特性和運(yùn)行條件基本不變的條件下,NO x 的排放降低幅度比較明顯,但是鍋爐效率略有降低,這與數(shù)值模擬的預(yù)報(bào)是相符合的。該廠5號(hào)鍋爐采用的荷蘭STORK 公司的低NO x 燃燒器后也出現(xiàn)了排煙溫度升高的現(xiàn)象,可以認(rèn)為這種利用空氣分級(jí)燃燒原理改進(jìn)的燃燒器,由于火焰加長(zhǎng),燃燒中心上移,存在著排煙溫度升高的趨勢(shì),并伴隨著機(jī)械不完全燃燒損失的增加。由此得出:為降低NO x 排放而進(jìn)行的燃燒器改造,減少了大氣污染,同時(shí)也可能會(huì)犧牲鍋爐燃燒效率的結(jié)論。作為后續(xù)的相關(guān)工作,建議考慮以下幾個(gè)方面的問題:(1對(duì)于目前排煙溫度的升高以及飛灰可燃物的增加,可以通過控制一次風(fēng)和二次風(fēng)的速度,調(diào)整一、二次風(fēng)混合的距離,以達(dá)到NO x 和排煙溫度兩者兼顧的工況;另外通過調(diào)整爐膛后墻三次風(fēng)的風(fēng)量與風(fēng)速,也能夠起到壓低火焰中心的作用;同時(shí)雙磨的投運(yùn)也將從溫度上抑制熱力型NO x 的生成。(2在一次風(fēng)率確定后,二次風(fēng)率也基本確定,可以在二次風(fēng)內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)、外二次風(fēng)量大小的分配調(diào)節(jié)。通過對(duì)內(nèi)二次風(fēng)的進(jìn)風(fēng)環(huán)形調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)能夠起到的調(diào)節(jié)風(fēng)量作用,進(jìn)行開度調(diào)整與鍋爐運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系的試驗(yàn)。(3鍋爐運(yùn)行