課程論文-燃燒節(jié)能減排技術發(fā)展概況

1、燃燒節(jié)能減排技術發(fā)展概況摘要：本文簡要介紹了目前全球能源消耗的情況以及燃料燃燒后對環(huán)境造成的污染狀況，說明了燃燒的機理和主要參數的計算公式，介紹了火電廠低NOx燃燒技術、鍋爐節(jié)能技術以及高溫空氣燃燒技術、富氧燃燒技術、脈沖燃燒技術等燃燒節(jié)能新技術的發(fā)展情況。關鍵詞：燃燒 節(jié)能 減排1. 燃料燃燒與污染概況1.1 能源消耗情況 能源是當今世界經濟發(fā)展的重要基礎。如何節(jié)約日趨緊張的非再生能源石油、煤炭以及降低石油、煤炭開發(fā)利用對人類生存環(huán)境造成的嚴重污染，已成為中國乃至全球急待解決的問題。我國能源需求不斷增長，資源短缺現象逐漸嶄露。2003年我國能源消費總量16.78億t標準煤，比上年增長10.1

2、%，其中，原油消費量2.52億t，增長12%；全年原油進口量9112.63萬t，同比增長31.1%；出口原油813.33萬t，同比增長12.84%。 電力與新能源發(fā)電總裝機容量規(guī)劃2000年2010年2020年總裝機容量/萬kW32780587709510096000水電裝機容量/萬kW79301500025000所占比例(%)2425.526煤電裝機容量/萬kW237004000060000所占比例(%)736862.5氣電裝機容量/萬kw70020005000所占比例(%)23.45核電裝機容量/萬kW210117036004000所占比例(%)0.624新能源(風、太陽、生物質、地熱等)

3、裝機容量/萬kW24060015002000所占比例(%)0.7121.2 燃燒與污染1.2.1 燃燒排放與溫室效應 地球大氣有類似玻璃溫室的溫室效應，其作用的加劇是當今全球變暖的主導因素。太陽表面溫度約為6000K，輻射的最強波段為可見光部分地球表面溫度為288K，地表輻射波段為紅外部分。一般將前者稱為太陽波輻射或短波輻射，后者稱紅外輻射或長波幅射。大部分太陽短波輻射可以通過大氣層到達地面，使地球表面溫度升高，與此同時大氣能強烈地吸收地面放出的長波輻射，僅散矢少量熱輻射到宇宙空間去。由于大氣吸收熱量多，散失少，使地球氣溫升高形成了大氣酌“溫室效應”。隨著氣溫的升高和地面長波輻射的增強散失到宇

4、宙空間去的熱量也隨之增多。最終，地球接受到的太陽輻射熱量和地球散失的長波輻射熱量會達到平衡。形成地球上的平衡溫度，即目前地球的平均氣溫。大氣由許多氣體組成，其中氯、氧占了總體積的99、但主要影響溫室效應的卻是眾多的微量氣體，這些氣體可以讓太陽短波輻射自由通過，即吸收地面發(fā)出的長波輻射。因此當它們在大氣中的濃度增加時，就會加劇“溫室效應”，引起地球表面和大氣層下沿溫度升高，這些氣體就被稱為“溫室氣體”，它們主要有二氧化碳、臭氧、甲烷、抵里昂、一氧化二氛等。 對地球適于居住的環(huán)境產生最直接影響的莫過于大氣中的二氫化碳含量。CO2太多地球就會像金星那樣變成一個溫室，CO2太少地球就會像土星一樣寒冷。

5、從大約萬年前開始的農業(yè)革命直到工業(yè)革命以前大氣中的CO2含量極為穩(wěn)定?？墒枪I(yè)革命一開始，由于燒煤，和后來燃燒其它礦物照料，實際CO2的排放量超過了自然界對CO2固定和吸收的自然速率大氣中的CO2含量便開始上升。在工業(yè)革命開始到1959年這段時間里大氣中的CO2濃度增加了13。而后從1959年直到1993年，大氣中的CO2又增加了13。僅在34年里，大氣中的CO2濃度的上升幅度就與前兩個世紀上升的幅度一洋大。如果濃度繼續(xù)上升，可以肯定共結果將會給社會和經濟帶來破壞性的氣候變化。1.2.2 燃燒排放與酸雨污染 天然降水的本底pH值為5.55，一般將pH值小于5.6的降水叫酸雨，可能引起雨酸化的物

6、質有硫化物類、氯化物類及氯化物類，在三類物質中，形成酸雨的主要物質是SO2和NOx，它們形成的酸雨占總酸雨量的90以上。這兩類物質的90都是燃燒礦物燃料造成的。中國酸雨以硫酸為主，硝酸的含量不到硫酸的110，帶有大氣SO2污染的明顯特征，這與中國的以煤為主的能源結構是有關的。70年代初，酸雨沉陷在世界上仍是局部性問題，但目前已發(fā)展成為全球面臨的主要環(huán)境問題之一，與全球變暖和美氧層破壞一樣，受到人門的普遍關注。進入80年代后，酸雨的危害更加嚴重，并且擴展到了世界范圍。原先多發(fā)生在北歐國家的酸雨已擴展到中歐和東歐而且程度也更嚴重。據歐洲大氣化學監(jiān)測網僅20年連續(xù)監(jiān)測結果表明，歐洲雨水的酸度每年增加

7、10，斯堪的納維亞半島南部、瑞典、丹麥、波蘭、德國、捷克斯洛伐克等國和地區(qū)酸雨的pH位多為4.o-4.5。在北美地區(qū)，酸雨也成為棘手問題，pH值為34的酸雨已司空見慣，美國已有15個州的酸雨pH值在48以下，加拿大酸雨受害面積已達(130一150)km z。酸雨的危害已擴大到發(fā)展中國家，其中一些地區(qū)的土壤酸化程度已經能夠使森林遭到破壞。2. 燃燒原理簡介2.1 燃燒現象 燃燒是物質因劇烈氧化而發(fā)光、發(fā)熱的現象，這種現象又稱為“火”。 燃燒是一種綜合的物理和化學過程。 燃燒過程總體體現為：濃縮反應物加熱、反應物轉化為氣相(蒸發(fā)、升華)、在氣相中氧化劑和燃料的混合、氣相中氧化劑和燃料的加熱。燃燒過

8、程階段劃分為著火階段和燃燒階段。著火階段：緩慢氧化釋放熱量提高可燃物溫度和累積活化分子；燃燒階段：快速反應形成火焰。2.2 燃燒反應計算2.2.1 空氣需要量的計算 （1） 各可燃成分的化學反應式（2）1m3燃氣完全燃燒的理論氧量 （3）1m3燃氣燃燒的理論空氣需要量 實際空氣消耗量Ln n值稱為“空氣消耗系數” ，當n>1時，被稱為“空氣過剩系數”或“過量空氣系數”或“過?？諝庀禂怠?。（4）過量空氣系數 過量空氣系數=實際空氣消耗量/理論空氣需要量；過量空氣系數=21/(21 -煙氣中氧量）；某設備漏風系數系數=出口過量空氣系數-進口過量空氣系數。2.2.2 燃燒產物的生成量和成分（

9、1） 完全燃燒時，燃燒產物：CO2，SO2，H2O，N2，O2，（其中O2是當n>1時才會有的）。燃燒產物的生產量，當n1時稱“實際燃燒產物生成量”（Vn），當n1時稱“理論燃燒產物生成量”（V0）。 （2） 實際燃燒產物生成量Vn 2.2.3 理論燃燒溫度的計算 屬于熱量的收入有：燃料的化學熱，即燃料發(fā)熱量Q低；空氣帶入的物理熱Q空Ln·c空·t空；燃料帶入的物理熱Q燃c燃·t燃。屬于熱量的支出有：燃燒產物含有的物理熱 Q產Vn·c產·t產。 燃燒產物的溫度理論燃燒溫度 2.2.4 燃燒反應速度 基元氣相反應物的化學反應速度 aA+bB

10、gG+hH 按照質量作用定律，反應速度和反應物濃度cA和cB的關系 不同反應物的反應速度間的關系 當溫度不變時，化學反應的反應速率是與該瞬間各反應物濃度的乘積成正比例的：其中，k: 反應速率常數，與反應物的濃度無關，取決于反應的溫度以及反應物的物理化學性質。對于復雜反應，最終產物因由幾步反應完成，不能用化學反應方程式來判斷反應物濃度對反應速率的影響關系。3. 主要的燃燒節(jié)能減排技術及其發(fā)展概況3.1 火電廠低NOx燃燒技術3.1.1 NOx排放現狀隨著能源消費的增長，我國氮氧化物排放量持續(xù)增長。1995年，中國氮氧化物排放大約是1090萬噸，2004年增長到1860萬噸，年增長率6.1%。20

11、05年的初步統計結果是1995萬噸。按照燃煤電廠目前的排放情況，只控制了SO2的排放，而不采取有效的煙氣脫硝技術控制 NOx 的排放，2010 年以后的 5-10 年，NOx 排放總量將會超過SO2，成為電力行業(yè)的第一大酸性氣體污染排放物。從歐洲、北美的教訓來看，控制酸沉降最初重視二氧化硫控制而輕視氮氧化物控制，而氮氧化物排放的增長和其高氧化性可能抵消二氧化硫控制的效果。火電NOx排放總量預測（若不加控制）3.1.2燃料NOx的生成機理 由于煤的燃燒過程由揮發(fā)份燃燒和焦炭燃燒兩個階段組成，故燃料型的形成也由氣相氮的氧化（揮發(fā)份）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）兩部分組成。 煤粉爐內燃燒時NOx的生

12、成 鍋爐爐內NOx的生成與爐溫的關系熱力型NOx/揮發(fā)分NOx/焦炭NOx 燃燒過程減少NOx生成的方法1、在空氣過剩的條件下，降低煙氣的峰值溫度，以減少熱力NOx，如采用降低預熱空氣溫度和煙氣再循環(huán)等手段；2、使用含氮量低的燃料，如煤改油，煤改氣和洗煤、選煤、混煤等方法；3、減少燃料周圍的氧濃度。包括：減少爐內過剩空氣系數；或減少一次風量和減少揮發(fā)分燃盡前燃料與二次風的摻混，以減少著火區(qū)的氧濃度，如空氣分級和低過量空氣系數燃燒技術；4、延長在低氧濃度條件下的停留時間，降低燃料N轉化成NOx的比例，而且使已生成的NOx經過均相或多相反應而被還原分解；5、形成富燃氣氛，使燃料和燃料氮生成Chi，

13、NH3和HCN，它們可將NOx還原分解，或轉化為N2。 3.1.3火電廠NOx控制技術3.1.3.1 燃燒運行低NOx調整1、低氧燃燒（低過剩空氣系數運行） 傳統燃燒強化燃燒，通常要求燃料和充足的燃燒空氣快速良好的混合，迅速著火、燃燒，產生高溫，有利于燃盡。低氧燃燒使燃燒過程在盡可能接近理論空氣量的條件下進行。減少了氧氣的供給會延遲焦炭的燃盡，造成火炬拉長，峰值溫度低。加上這種長火焰對外輻射散熱的面積大，整體溫度低，也減少了熱力型NOx。低氧燃燒簡單易行，無需設備改造，合適的低氧燃燒由于減少了排煙熱損失，可以提高經濟性。2、優(yōu)化配風方式（如倒寶塔型） 按照空氣分級燃燒降低NOx排放的原理，在相

14、同負荷保持總空氣量不變的條件下，減少下層燃燒區(qū)域的氧量，同時增加上層燃燒區(qū)域的氧量，適當地分配空氣，可以使得主燃燒區(qū)域為缺氧氣氛，這樣可以減少氮元素被氧化為 NOx的可能性，即減少燃料型 NOx的生成 ；而上部燃燒區(qū)域為富氧氣氛，降低了此區(qū)域的溫度，進一步減少熱力型NOx的生成，這樣就抑制了總的 NOx生成量。同理，通過使多層燃燒器鍋爐中燃燒器的負荷向下層偏置，營造下部富燃，上部貧燃的燃燒氣氛，也可減少NOx的產生。優(yōu)化配風和燃料偏置可以減低20左右的NOx。3、優(yōu)化燃料與空氣的分布 從控制熱力型和燃料型NOx的角度出發(fā)，避免產生局部高溫、高氧區(qū)，是減少NOx排放的重要方法。同時，準確的風量測

15、量和風門開度控制也是實現低NOx燃燒的關鍵，飛灰未燃盡碳和高CO通常是由于對各個燃燒器的燃料和風量分配不均勻造成的。平衡煤粉管的煤粉流量以及墻燃爐中平衡各個燃燒器的二次風量能夠減少燃料和風量分配不均勻，減少由于部分燃燒器貧氧富燃引起的CO和未燃盡碳損失、另一部分燃燒器高氧貧燃引起的NOx排放增大，同時也給予運行人員以更大的低NOx燃燒調整的余地。優(yōu)化燃料和空氣的分布的方法可以獲得10左右的NOx降低。 從燃燒角度來講結渣由于燃燒器性能不好和二次風的分布不均造成，強還原性氣氛導致低灰熔點灰渣，灰渣粘性強將使結渣加劇，對于易結渣煤，燃燒器必須快速著火，縮短煤粉富集區(qū)域，防止拉長的火焰對爐墻的沖刷，

16、并且降低氮氧化物。4、降低火焰溫度紅外燃燒器 燃氣與氧化劑預混后通入多孔陶瓷介質內部，然后進行表面燃燒。多孔陶瓷介質內壁冷，外壁熱，熱流主要通過輻射和對流方式放出。由于火焰?zhèn)鞯蕉嗫滋沾山橘|表面，由大量的熱傳遞出去，溫度顯著降低，因而大大減少了熱力型NOx。5、部分燃燒器退出運行 這種方法適用于燃燒器多層布置的電站鍋爐。具體做法是停止最上層或幾層燃燒器的燃料供應，只送空氣。這樣，所有的燃料從下面的燃燒器送入爐內，下面的燃燒器區(qū)實現富燃料燃燒，上層送入的空氣形成分級送風。6、考慮NOx排放的最優(yōu)化運行專家系統測試不同運行方式（過量空氣系數、配風方式（風門開度）、燃燒器傾角、燃燒器/磨煤機投入方式）

17、對熱效率、NOx排放濃度、結渣情況的影響，建立單變量的數據庫；用神經網絡專家系統關聯鍋爐運行方式和熱效率、NOx排放濃度、結渣情況等參數；專家系統開發(fā)和測試后，用一個優(yōu)化算法來決定基于優(yōu)化目標和強加的約束條件的優(yōu)化方案。（1）人工神經網絡在NOx控制中的應用（2）人工神經網絡與遺傳算法相結合的低NOx燃燒優(yōu)化技術 燃煤鍋爐氮氧化物的排放特性非常復雜，很難采用簡單的公式進行估算，往往需采用實爐測試方法加以確定，但現場實爐測試工作量大，測試工況往往有限，各參數對鍋爐NOx排放特性都存在影響，且互相疊加，導致數據分析困難。由于無法根據測試結果獲得估算公式和具體的計算模型，不能將試驗結果進一步推廣。而

18、鍋爐燃用煤種和操作參數千變萬化，不可能保證在試驗工況下運行，從而無法根據試驗工況預測擬操作工況下的NOx排放特性，不利于大型燃煤鍋爐通過燃燒調整降低NOx排放。 采用神經網絡技術進行NOx排放特性建模，三層BP網絡，利用DCS采集到的鍋爐的鍋爐運行參數作為網絡輸入。NOx作為輸出。 采用遺傳算法進行鍋爐燃燒優(yōu)化。遺傳算法是受生物進化學說和遺傳學說啟發(fā)而發(fā)展起來的基于適者生存思想的一種較通用的問題求解方法，作為一種隨機優(yōu)化技術在解優(yōu)化難題中顯示了優(yōu)于傳統優(yōu)化算法的性能，可歸納為：遺傳算法運算的是解集的編碼，而不是解集本身；遺傳算法的搜索始于解的一個種群，而不是單個解；遺傳算法只使用報酬信息（適值

19、函數），而不使用導數或其他輔助知識；遺傳算法只采用概率的，而不是確定的狀態(tài)轉移規(guī)則。遺傳算法目前在優(yōu)化領域得到了廣泛的應用，顯示了其在優(yōu)化方面的巨大能力。通過尋優(yōu)調整燃燒，NOx排放濃度下降20左右3.2鍋爐燃燒節(jié)能技術3.2.1 優(yōu)化燃燒 改善燃燒節(jié)能技術包括高效燃燒器、燃料添、合理調節(jié)送風量、采用二次回風系統等。高效能燃燒器有自然引風式擴散燃燒器、鼓風式燃燒器、大氣式燃燒器、無焰式燃燒器等。在燃料中加入添加劑是一種新型的節(jié)能燃燒技術，它改善了鍋爐燃燒狀況、提高熱效率、減少環(huán)境污染。燃料在鍋爐內燃燒，燃燒的過程不同，燃燒的情況也不同，合理調節(jié)風量可以達到優(yōu)化燃燒、提高熱效率的目的。 3.2.

20、2 加強保溫 加強鍋爐保溫主要是采用新型高效保溫材料，提高爐體保溫效果，減少散熱損失。減少排煙熱損失的方法有：減少爐膛過量空氣系數和堵塞各煙道的 漏風量以降低排煙溫度；增加空氣預熱器、余熱鍋爐等有效的節(jié)能設備。 3.2.3 控制系統改造 按照鍋爐負荷要求，實時調節(jié)給煤量、給水量、鼓風量和引風量，使鍋爐處在良好的運行狀態(tài)下。對于供暖鍋爐，控制系統改造的內容是在保持足夠室溫的前提下，根據戶外溫度的變化，適時調節(jié)鍋爐的輸入熱量，達到舒適、節(jié)能、環(huán)保的目的。3.3 燃燒節(jié)能新技術3.3.1 高溫空氣燃燒(HTAC)技術 高溫空氣燃燒(HTAC)技術,歐洲稱為無焰燃燒(Blameless combust

21、ion)技術,是20世紀90年代以來國際燃燒領域開發(fā)并得到大力推廣應用的一項全新型燃燒技術，具有大幅度節(jié)能和大幅度降低煙氣中NOx排放的雙重優(yōu)越性。 高溫空氣燃燒(HTAC)的節(jié)能原理： 高溫空氣燃燒技術特征：采用高效蓄熱式余熱回收技術、助燃空氣預熱溫度超過燃料自燃點溫度、燃料在燃燒區(qū)高溫低氧燃燒。高溫空氣燃燒技術的優(yōu)勢：高效節(jié)能、低污染、燃燒穩(wěn)定性好、燃燒區(qū)擴大、對燃料的適應性擴大、延長爐膛的使用壽命、便于燃燒控制、高溫空氣燃燒器結構緊湊等。高溫空氣氣化技術的優(yōu)勢：可獲得中熱值的燃氣、燃氣中焦油含量少、對燃料的適應范圍擴大、環(huán)境污染小、結構簡單緊湊、氣化效率高經濟性好。 在國外，高溫空氣燃燒

22、技術已經應用于各種熱工窯爐中，如陶瓷和新型建材燒成爐、熔煉爐、熱處理爐、玻璃熔化爐、干燥爐、金屬加熱爐，新型高溫鍋爐，垃圾高溫焚燒和燃氣化爐。3.3.2 富氧燃燒技術 富氧燃燒采用比空氣中氧含量高的空氣來助燃，富氧的極限就是使用純氧。富氧燃燒作為一種新型節(jié)能技術用于工業(yè)鍋爐已經有近四十年的歷史。富氧燃燒節(jié)能特性： 火焰溫度大幅度提高；氮氣濃度大大降低，能源消耗大幅度降低；煙氣量大幅度減低；設備尺寸縮小。3.3.3 脈沖燃燒技術 脈沖燃燒控制技術采用的是一種間斷燃燒的方式,使用脈寬調制技術,通過調節(jié)燃燒時間的占空比(通斷比)實現窯爐的溫度控制。脈沖燃燒是一種新型的高效節(jié)能的低污染技術。脈沖燃燒技

23、術主要優(yōu)點：系統簡單可靠、可提高窯內溫度場的均勻性，減少NOx的生成、噴咀的負荷調節(jié)比大，熱工效率高，大大降低了能耗。脈沖燃燒控制技術的噴咀必須滿足如下要求：能適應多種燃燒介質、滿足工業(yè)窯爐高溫燒成要求、適應低壓燃料燒成和適應熱風助燃、噴咀出口流速高(V200 m/s) 、具有可靠的自動點火、火焰監(jiān)測、熄火保護等功能 。 脈沖燃燒技術與傳統燃燒技術的比較：主要對比指標脈沖燃燒技術傳統燃燒技術每天耗氣量/t1.62.5每年耗氣金額（按330d/萬元）200.64313.50產品質量合格率98%以上92%需要調控操作人員/人13燃燒控制系統造價/萬元40503.3.4 氣體燃燒器 高速氣體燃燒器的技術特點：精確組織燃燒，燃燒效率99.9%；寬運行工況:熱負荷調節(jié)比1:20，空氣系數0.510；采用分級燃燒，有害氣體(NOx)排放符合國家環(huán)保標準；具有煙氣引射回流功能，可以將廢煙氣從爐后引回重新投人爐內；全金屬結構，連續(xù)使用壽命3年。低熱值煤氣燃燒器的