空气分级对降低煤粉工业锅炉氮氧化物排放的实验研究

研究与开发 空气分级对降低煤粉工业锅炉氮氧化物排放 的实验研究 文章编号： 1 0 0 4 - 8 7 7 4 ( 2 0 1 4 ) 0 6 - 0 0 0 1 - 0 5 空气分级对降低煤粉工业锅炉氮氧化物 排放的实验研究 李高亮 。 ， 王乃继 。 ， 肖翠微 ， 张鑫 ， 王永英 。 ， 刘振宇 2 ，。 ( 1 煤炭科学技术研究院有限公司 节能工程技术研究分院，北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 煤炭资源高效开采与洁净利用 国家重点实验室 ， 北京 1 0 0 0 1 3 ； 3 国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室 ， 北京 1 0 0 0 1 3 ) 摘要： 为考察空气分级对工业煤粉锅炉氮氧化物排放及炉内燃烧过程的影响， 对 2 0 t h 第 一 作 者 李 高 高 高效煤粉双锅筒室燃工业锅炉进行研究。采用基础工况和空气分级燃烧的对 比实验， 考察空气 r 1 9 8 8 一 、 勇T 堂 分级效果， 分析各因素对 N O 的影响， 并研究 C O与 N O 的排放规律。结果表明： 分级燃烧在一硕士 ，研 究 方 向 ： 煤 级燃烧区生成还原气体， 且增大了火焰尺寸使温度更加均匀， 降低了氮氧化物的排放； 低负荷时韶浩海臌 可减少氮氧化物比例 1 5 3 5 ， 高负荷时可减少氮氧化物比例 2 0 左右。空气分级形成的 还原性气氛会带来结渣问题， 在降低 N O 的同时应保证 C O排放在合理区间。 关键词 ： 空气分级 ； 一级燃烧 区 ； 过量空气 系数 ； 还原气 氛 ； 结渣 中图分类号 ： T l ( 2 2 4 1 1 文献标识码 ： A Ex p e r i m e n t a l S t u d y o n Lo w- n i t r o g e n Effe c t o f Ai r Cl a s s i f i c a t i o n t o Pu l v e r i z e d Co a l Fi r e d I nd u s t r i a l Bo i l e r L I G 。 一 l i a n g ， ， WA N G N a i - j i 。 ， X I A O C u i w e i ， Z HA N G X i n ， ， WANG Yo n g - y i n g L I U Zh e n y u ( 1 E n e r g y S a v i r , g E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y B r a n c h ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ； 2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Hi g h E ffic i e n t Mi n i n g a n d C l e a n Ut i l i z a t i o n o f C o a l Re s c u r c e s ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ； 3 Na t i o n a l E n e r gy T e c h n o l o gy a n d E q u i p me n t L a b o r a t o r y o f C o a l Ut i l i z a t i o n a n d Emi s s i o n C o n t r o l ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S -t u d y t h e e ff e c t o f t h e a i r c l a s s i f i c a t i o n o n c o mb u s t i o n p r o c e s s a n d n i t r o g e n o x i d e e mi s s i o n s t o p u l v e r i z e d c o a l fi r e d i n d u s t r i a l b o i l e r f u r n a c e o n t h e 2 0 t h S Z S p u l v e ri z e d c o a l fi r e d i n d u s t r i al b o i l e r B y c o mp a r i n g b a s i c c o n d i t i o n wi t h a i r s t a g e d c o mb u s t i o n ，i n v e s t i g a t e d t h e e ff e c t o f a i r c l a s s i fi c a t i o n a n d a n aly s e d t h e i n fl u e n e e o f e a c h hc t o m a n d t h e e mi s s i o n r u l e s o f C O a n d NO T h e r e s u l t s s h o w t h a t a r e d u c i n g a t mo s p h e r e f o r me d i n t h e p rima z o n e ，w h i c h i n c r e a s e d t h e fla me s i z e a n d ma d e t h e t e mp e r a t u r e mo r e u n i f o rm t h e n i t r o g e n o x i d e e mi s s i o n s mo re l o w e r T h e r e d u c e d n i t r o g e n o x i d e r a - t i o i s a b o u t 1 5 一3 5 u n d e r l o w l o a d o p e r a t i o n，an d i s a r o u n d 2 0 u n d e r h i g h - l o a d o p e r a t i o n At t h e s a n l e t i me ，e n - s u r e t h e CO a n d NO i n a r e a s o n a b l e i nt e r v a l t o a v o i d s l a g g i ng p r o b l em Ke ywo r d s ：a i r c l a s s i fi c a t i o n； t h efi r s tc o m b u s t i o n z o n e； e x c e s s a i r c o e ffi c i e n t ；r e d u c i n g a t mo s p h e r e ；s l a g g i n g O 引言 随着温室效应、 酸性 降水 以及臭氧层破坏等环 境问题日益突出， 作为主要根由物之一的氮氧化物， 对其治理正逐渐引起政府和人们的重视。煤炭 占我 基金项目： 煤炭科学研究总院技术创新基金( 2 0 1 1 C x 0 3 ) ； 煤 炭科学研究总院技术创新基金( 2 0 1 4 C X 0 3 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 1 1 - 1 0 国能源利用 的 7 0 ， 锅炉是燃煤 的主要设备L 1 。 电站锅炉规模大 ， 可采用烟气脱硝技术 ， 而工业锅炉 规模小， 适宜采用成本较低的低氮燃烧技术_ 4 J 。 低氮燃烧技术主要通过抑制氮氧化物的生成和 还原已生成 的氮氧化 物两种方法来实 现 J 。抑制 法是采用控制氧量、 温度等反应条件 ， 降低氮氧化物 的生成， 该方法包括低氧燃烧、 烟气再循环及浓淡分 离法等 ； 还原法主要通 过分级 的方法 ， 在主燃 区 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 工业锅炉 2 0 1 4年第 6期( 总第 1 4 8期) 的前端或后段形成还原气氛区域 ， 还原生成的氮氧 化物， 该方法包括空气分级燃烧法和燃料分级燃烧 法等 j 。空气分 级燃烧 是 目前 国 内外 普遍采用 的、 比较成熟的低 N O 燃烧技术 。通过降低氧量 制造还原性气氛 ， 控 制煤在前期挥发分 的挥发燃烧 及焦炭的燃烧过程 ， 降低挥发分 N向 N O的转化及 焦炭 N的转化 ， 从而达到降低 N O 的 目的 j 。 分级燃烧原理 已为人们所熟知 ， 但在煤粉工业 锅炉上的应用研究不足。本文针对一台 2 0 t h高 效煤粉工业锅炉进行实验 ， 考察 空气分级燃烧对氮 氧化物排放浓度的影响 ， 实验数 据可为实际工业设 计和应用提供基础参考。 l 实验装置及方案 一 次 1 1 研究对象 研究对象为位于神华集团补连塔煤矿区锅炉房 内的 3 高效煤粉工业锅炉， 该炉是煤科总院开发的 额定负荷 2 0 t h 、 采用双锥燃烧器 、 固态排渣 的工业 煤粉卧式锅 炉。空气分级燃烧 配风系统分为一次 风 、 二次风和三次风 。一次风输送煤粉 ， 所 占总风量 的比例约为 5 ； 二次风从燃烧器的前端通入 ， 经旋 流叶片进入预燃室 ， 与一次风粉混合在预燃室内组 织燃烧 ， 形成一级燃烧 区， 后经预燃 室后锥进入炉 膛 ； 三次风经由预燃室后锥喷 口与炉膛结合处下部 进入炉膛 ， 形成二级燃烧区， 二次风和三次风由同一 鼓风机提供 。图 1 为实验装置及测点示意图。 1 2 实验用煤种煤质分析 实验煤种采用神华煤 ， 煤质分析见表 1 。 图 1 实验装置及测点示意图 表 1 实验用煤种工业分析和元素分析 气测 点2 理论空气量计算公式 ： V o=0 0 8 8 9( C +0 3 7 5 S )+0 2 6 5 H 一 0 0 3 3 30 =6 7 2 所以每 k g煤粉所需空气量为 6 7 2 m ( 标态 ) 。 1 3实验方案及测量方法 实验在保证安全生产运行 同时 ， 着重考察采用 空气分级低氮燃烧技术前后， 多种因素对氮氧化物 排放浓度的影响。 1 3 1 实验方案 考虑温度水平对氮氧化物的影响 ， 以及 实际生 产过程中对负荷高低的不同要求， 对 a 和 b两种工 况进行实验 ( 如表 2 ) 。 对两种工况进行不分级的基础工况燃烧 ， 即风 量全部经一次风 、 二次风通人锅炉组织燃烧 ， 控制 表 2 工况参数 给料量 蒸汽流量 占额定负荷比例 ( k g h 。 ) ( t h ) 二次风阀开度调节二次风量 ， 观察并记 录各测点风 速、 炉尾温度及烟气数据， 计算分析总过量空气系 数 、 炉尾温度对氮氧化物浓度 的影响。 控制三次风阀调节三次风量 ， 对两种工况进行 空气分级燃烧 ， 同时记录各测点风速 、 炉尾温度及烟 气数据。对比基础工况与空气分级工况， 计算分析 总过量空气系数 、 一级燃烧区过量空气系数 。 及炉 尾温度对氮氧化物浓度的影响。 1 3 2实验检测方法 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 空气分级对降低煤粉工业锅炉氮氧化物排放 的实验研究 3 测量仪器： 皮托管风速仪、 t e s t o 3 5 0烟气分析仪 ( 德国德图) 、 K M9 z ； 0烟气分析仪 ( 英 国凯恩 ) 、 烟气 在线检测系统 ( 日本岛津 ) 。 风量检测 ： 测点 1 选取母管测得母管风速 ， 测点 2选取三次风管测得三次风速 。风量检测采用皮托 管和 te s t o 差压仪测量， 该仪器测得压差转化为风 速 ， 再 由管径计算得 出实际风量。其 中一次风管直 径为 1 5 0 m m， 母管直径为 8 0 0 m m， 三次风管直径为 3 5 0 mm， 母管风量喊去三次风量为二次风量。 烟气成分检测 ： 测点 1选取在除尘器与引风机 连接管道处 ， 管道上打孔将探针插人抽取烟气测得 数据。实验所用仪器为 K M 9 4 0型便携式 烟气分析 仪和 t e s t o 3 5 0烟气分析仪 ， 进行对 比校核 ， 以保证实 验数据的可靠性。测点 2选取烟囱中部， 采用在线 监测系统 ， 对烟气进行实时监测 ， 与两烟分仪数据对 比校核 ， 以进一步保证实验数据的可靠性。 、 b li C ) Z 营 t ； a 0 炉膛温度检测： 温度测点选取在炉膛尾部。检测 所 用 热 电 偶 为 1 3 0 型 热 电 偶 K 型 1 - 管 材 料 C r 2 5 N i 2 0 ， 产 自北京 自动化仪表二厂 ， 长度 1 1 7 m。 2实验 结果与分析 2 1 总过量空气 系数 对氮氧化物浓度的影响 不分级燃烧 时， 所有风量均 由一次风和二次风 经燃烧器进入炉膛组织燃烧。工况 a过量空气系数 在 0 92 1 ， 氮氧 化物浓度 随氧量 的增 加不断升 高， 该浓度区间为 1 9 0 2 9 0 m g m ， 当 1 6时氮 氧化物升高趋缓； 工况 b过量空气系数测量区间较 短 ， 在 0 91 3之间时氮氧化物随氧量的增加不断 升高 ， 区间在 2 9 03 7 0 m g I n 。过量空气系数 的增 加 ， 增大炉内燃烧所需氧量 的同时也带走 了更多的 热量 ， 使炉温降低 ， 所 以过量空气系数到一定值 N O 上升速度变缓。图 2为 与 N O 浓度关系图。 1 0 0 1 O 5 1 1 O 1 1 5 1 2 O 1 2 5 总过量空气系数a 图2 与 N O 浓度关系 2 2一级燃烧区 对氮氧化物浓度的影响 ( 1 ) 工 况 a 从 图 3可以看 出， 工况 a采用空气分级燃烧技 术后 ， 氮氧化物 的减排效果 明显 。总过量空气系数 O =1 3 5， 一级燃烧 区过量 空气系数 O =0 9 ， N O 降低 比例 2 3 ； 总过量空气系数 =1 4 5， 一级燃烧 区过量空气系数 c c 1 =0 8 8 ， N O 降低 比例 3 5 ； 总 过量空气系数 仅=1 6 5 ， 一级燃烧 区过量空气 系数 0 c =1 1 ， N O 降低 比例 1 5 。 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 过 量 空 气 系 数 a 图3 不分级与空气分级 N O 排放对比图 从图 4可 以看 出总过量空气系数 =1 3 5 、 = 1 4 5和 =1 6三个工况下 ， 相同总过量 空气 系数 时氮氧化物随一级燃烧区 。 升高而升高。在 O = 1 6时 ， 随一级燃烧区的氧量减少 N O 下 降趋势 明显 ， 1 4时 ， C O2 6 0 m g m ； 工况 b时供料波 动大 ， 燃烧较不稳定 ， 产生的 C O起伏较大 ， 过量空 气系数 O t 1 2时 ， C O3 4 0 m g m 。 在氧量充足的情况下 ， 煤粉在炉内完全燃烧 ， 较 少 C O排 出。缺氧的情况下 ， 煤粉不完全燃烧 ， 会产 生大量的 C O等还原性气体， 导致一级燃烧区和二 级燃烧区煤粉的灰熔点下降， 高温时在此区域结渣， 影响水冷壁受热 面的吸热 ， 带来安全生产 隐患。采 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 空气分级对降低煤粉工业锅炉氮氧化物排放的实验研究 5 用空气分级燃烧技术降低 N O 排放 的同时 ， 应控制 C O排放浓度。 看 仙 g Z O 1 0 0 0 20 0 0 3 0 0 0 40 0 0 5 0 0 0 C O ( mg 。 m。 ) 鲁 曲 蛊 0 Z 图 8 C O与 N O 关 系 3 结论 空气分级在煤粉工业锅炉上 的应用 ， 对 N O 减 排具有一定 的作斥l 。通过分析总过量空气 系数 、 一 级燃烧 区过量空气系数 及炉尾温度对 N O 的影 响 ， 考察空气分级效果 ， 并研究 C O与 N O 的排放规 律。得出如下结论： ( 1 ) N O 随总过量空气系数 O t 的增加 而增加 ， 当低负荷 1 6时 N O 排放趋于平缓 ； 高负荷时在 0 91 3间 N O 不断增加。过量空气系数 的增加 ， 增大炉内燃烧所需氧 量的同时也带走 了更 多的热 量， 到一定值时 N O 上升速度变缓。 ( 2 ) 采用空气分级低氮燃烧技术 ， 低负荷可降 低氮氧化物 1 5 3 5 ， 高负荷可降低氮氧化物约 2 0 。总过量空气 系数不变 ， 一级燃烧 区的氧量越 少氮氧化物排放浓度越低。 ( 3 ) 采用空气分级低氮燃烧技术 ， 延缓 了燃烧 进程 ， 增大了火焰几何尺寸 ， 使炉 内温度更加均匀 ， 从而降低氮氧化物的生成。 ( 4 ) 在低负荷和高负荷两种工况 下 ， N O 均 随 C O的增加呈一定的下降趋势。考虑还原气氛会带 来结渣问题 ， 在降低 N O 的同时应保证 C O排放在 合理区间。强 参考文献 1 马广大 大气污染控制工程 M 北京 ： 中国电力出版 0 l 0 0 0 2 0 0 0 30 0 0 40 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 70 0 0 8 0 0 0 C O ( mg m。 ) 社 ， 2 0 0 8 ： 3 4 2 胡永峰， 白永峰 S C R法烟气脱硝技术