（工程热物理专业论文）低nox技术经济性及新型低nox控制技术的探索.pdf

摘要 矿物燃料燃烧过程排放出来的氮氧化物的多少是衡量一个电厂是否具有竞 争力的重要指标之一。技术先进性及对环境污染程度和两者相应的成本代价三者 之间相互影响制约。但相比同为烟气污染物的s 0 2 ，n o x 在技术经济及其效果方 面的研究都没有前者来得具体和系统，使得各种降低n o x 技术的应用可行性并 没能被良好地划分。 通过对各种低n o x 控制技术的数据收集、分析和整理，从技术分析和经济 分析两个方面归纳了这些技术各自的工艺特点、技术成熟度，应用业绩、初投资 和运行成本等，较为全面和直观地反映了各个控制技术的优缺点及其适合自身的 应用领域和发展前景。以此良好地指导电厂根据自身的条件进行锅炉n o x 减排 的技术选择，使电厂能以合适的投资达到国家环保要求的标准。 分别从煤质特性、锅炉结构参数、运行方式的影响三个角度对1 2 5 m w 机组 的锅炉运行现状及n o x 的排放现状进行详细汇总和分析，得出各个方面对n o x 排放的影响及其对锅炉效率的影响。 以沉降炉为试验平台研究调节煤粉细度对n o x 排放的影响。挑选不同的煤 种，研究不同煤种在不同煤粉细度下n o x 的排放特性，并且分析了不同煤粉细 度下燃料特性对n o x 的影响。另外，分别论述了磨煤机能耗、煤粉细度、n o x 排放这三者之间的关系，并且分析了磨煤机制备细化煤粉时所增加的电耗成本与 由此减少的n o x 环保收费这两者的综合经济性，最终得出其在电厂应用方面的 可行性。除此，还着重研究一种新型低n o x 燃烧技术可调切圆浓淡燃烧降 低n o x 的效果及相应成本代价。 关键词：n o x 排放可调切圆技术经济性煤粉细度回归分析 a b s t r a c t t h eq u a n t i t yo fn 0 xe m i s s i e df r o mc o a l sb u m i n gp r o c e s si so n eo ft h e1 1 1 0 s t i m p o r t a n ts t a n d a r dt h a ti u d g ei fap o w e rp l a n th a v et h ec o m p e t i t i v ea b i l i t y t h e a d v a n c e dd e g r e eo fc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h ed e g r e eo fi tp o l l m i o na n dt h ec o s to fb o t h o ft h e s et w o t h e ya f f e c te a c ho ft h e ma n dr e s t r i c to n ea n t h e r b u tc o m p a r e dw i t h s m o k ep o n u d o ns 0 2 也er e s e a r c ho fn o x o i lt e c h e c o n o m i cc h a r a c t e ra n di t se f f e c t h a sn e v e rb e e np a r t i c u l a ra n ds y s t e m a t e , m a k et h ea p p l i c a t i o nf e a s i b i f i t yo f1 0 wn o x c o n l r o lt e c h n o l o g yh a sn o tb e e nw e l lc l a s s e d b yt h ew a yo fs e a r c h i n g , a n a l y s i s i n ga n dc l e a n i n g 叩t h el o wn o xc o n t r o l t e c h n o l o g y , s u mu pt h e s et e c h n o l o g y st e c h n i c sc h a r a c t e r , m a t u r ed e g r e e ，a p p l i c a t e d o u t s t a n d i n ga c h i e v e m e n t , o r i g i n a li n v e s t m e n t , f u n c t i o nc o s ta n ds oo i lf r o mt w os i d e s o ft e c h n o l o g ya n a l y s i sa n de c o n o m i ca n a l y s i s r e f f e c tc o m p r e h e n s i v e l ye a c hc o n t r o l t e c h n o l o g y sa d v a n t a g e ，d i s a d v a n t a g e 。t h e i ra p p l i c a t e c lf i e l da n df o r e g r o u n do ft l i e i r d e v e l o p m e n t b yt h i sw a y , i tc 锄w e l lg u i d et h ep o w e rp l a n tf o rt h i st h a tt h e yc a l l c h o o s et h et e e h n o l o g yt o1 0 wt h en o xe m i s s i o na c c o r d i n gt ot h e i rc o n d i t i o n ，m a k e t h e m s e l v e sa c h i e v et h ec o u n t r y se n v i r o l m e n ts t a n d a r db yc o m f o r t a b l ei n v e s t n l e n l t op r o v i d er e f e r e n c ef o rt h a tt h eo o w e rp l a n te a ra d o p tc o n v e n i e n tr e b u i l d m e a s u r e c o m p r e h e n s i v e l ye o u e ta n da n a l y s i s1 2 5 m w b u r n e r sf u n c t i o na c t u a l i t ya n d t h d re m i s s i o na c t o a l l t yo fn o xf r o mt h r e ea s p e c t si n c l u d i n gc h a r a c t e ro fc o a l b o i l e r ss t l u c t u r ep a r a m e t e r , f u n c t i o nm o d e , g e tt h ea f f e c ta n de c o n o m i cd o m i n o e f f e c to fe a c ha s p e c t st ot h en o xe m i s s i o i l ， mt h es t u d y b yd o i n ge x p e r i m e n ti nt h eb e n c hs c a l ef u r u a c e i td e s c r i b et h e i n f l u e n c eo ft h ep a r t i c l eo fc o a lo nt h en o xe m i s s i o i lc h o o s ed i f f e r e n tc o a la n d c o m p a r et h e i rc o m b u s t i o nc h a r a c t e ru n d e rd i f f e r e n tp a r t i c l eo fc o a la n a l y z i n gt h e r e l a t i o n s h i po fn o xe m i s s i o l la n de a c hp a r t i c l eo fc o a l , a n dt h ee f f e c tf r o mf u e l c h a r a c t e r , u s i n gt h es m o k ea n a l y s i sa p p a r a t u st oa c l l i e v et h en o xd i s t r i b u f i n g c h a r a c t e r o nt h ea n t h e rh a n d d i s c u s s e dt h ec o n s u m p t i o no fm i l l i n g 。p a r t i c l eo fc o a l , e x h a u s to fn o x , a n dt h er e l a t i o no ft h e s et h r e e a n da n a l y z e di tm a tw h e np u l v e r i z e d c o a lp r e p a r a t i o ng e n e r a t es m a l l e rc o a lp o w d e r , h o wi st h ec o m p r e h e n s i v ee c o n o m yo f t h et w oa s p e c ti i l c l u d i n gt h ei n e r e m e n to fe l e c t r i cc o n s u m p t i o ni no p e r a t i o na n dt h e c o r r e s p o n d i n gd e c r e a s eo fe x h a u s to fn o x f i n a l l yg e tt h el e a s i b i f i t yo nt h ep o w e r p l a n ta p p l i c a t i o n o nt h eo t h e rh a n d , p a r t i c u l a r l yr e s e a r c ht h er e d u c t i o ne f f e c to fa n e wt y p et e c h n i q u eo ft h ea d j u s f i v et a n g e n t i a lc i r c l e sb i a sc o m b u s t i o nb u r n e r , a n dt h i s t e c h n i q u e sc o s t k e yw o r d s ：n o xe m i s s i o n ，a d j u s t i v et a n g e n t i a lc i r c l e s ，t e c h - e c o n o m i cc h a r a c t e r , p a r t i c l eo fc o a l ，r e g r e s s i o na n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成粜。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一l 一工作的i 一忐对本研究所做的任何贞献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学雠文作者虢彬为签字嘞夕弼年 学位论文版权使用授权书 j - 月，日 j 本学位论文作者完全了解逝鎏盘茔有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采_ 琦j 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做作者躲衍詹为 签字隗黼厂月7 日 翩魏如z 签字日期：少年f 月上7 日 ， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1 引言 在火电机组排放的众多大气污染物中，氮氧化物( n o x ) 虽然占烟气含量的 比重较小，但因其对生态环境危害极大，影响森林和农作物的生长，破坏地球臭 氧层，参与光化学烟雾的形成，因而是重点控制的污染物之一，世界上一些工业 发达国家自7 0 年代起，就对火电机组的n o x 排放作了限制，并随着控制技术的 发展，限制日趋严格。 我国是以燃煤发电为主的发展中国家，经济快速发展对电力的旺盛需求、燃 煤造成的日趋严重的环境污染和治理资金的匮乏在一段时间内则是困扰电力工 业发展的主要难题。 表1 1 列出的是在“八五”期间的我国火电机组分年度n o x 排放总量。 表1 i “八五期间分年度n o x 排放量 根据电力工业发展规划，到2 0 l o 年，装机容量将达到5 4 亿k w ，年耗用原 煤9 6 亿吨，约折合标准煤6 8 2 亿吨。随着新能源的采用和发电用煤技术的提高， 煤电在电力能源消费总量的比例逐年下降。根据有关部门预测，2 0 1 0 、2 0 2 0 及 2 0 3 0 年分别为7 2 6 、6 5 6 和6 5 3 ，2 0 1 肚2 0 3 0 年将下降3 个百分点。尽管 如此，以煤电为主的发电格局仍不会改变，煤炭发电仍然起着主导作用2 】。 按以上预测推算，到2 0 1 0 年，火力发电量将达到2 27 0 0 亿k w h i 发电标准 煤按3 0 0 , ( k w h ) 计】。 表1 22 1 世纪初的电站锅炉n o x 排放量预测【1 】 浙江大学硕士学位论文 从上表可以看出，由于受到发电需求量的带动，使得煤炭的使用量一直节节 攀升，造成n o x 的总排放量也随之不断上井；而另一方面，发电用煤几乎包括 所有煤种，但不同的煤种特性差异大，目前由于能源处于一个相对紧张的状态， 对发电用煤的煤种和煤质的选择余地很少，而且大多要求燃用品质较差的劣质 煤，使得锅炉燃烧的实际煤种往往与设计煤种的指标差别很大，导致燃料的利用 率降低。在不能洁净燃烧且燃烧效率受影响的条件下，某种程度上又增加了尾部 烟气氮氧化物的排放量。 1 2 研究的相关背景 由以上预测可见，尽管估计到随着我国火力发电技术的进步，大容量机组在 总装机容量中所占比例逐年增大，发电煤耗不断下降；低n o x 燃烧器广泛使用， 其性能不断提高，单位发电量的n o x 排放逐年减少等因素，但因发电量的快速 增长。到2 0 1 0 年全国火电机组的n o x 排放量将增加到5 9 4 7 4 万吨。因此，控 制n o x 排放成为电力工业发展面 临的一大难题。而且，随着生活水平的提高， 越来越重视生活的环境质量，环保要求也在不断地提高，这就迫使燃煤电厂必须 在降低污染物排放上采取措施，否则将要面临巨额罚款，甚至是停产的窘境。因 此，从燃煤电厂角度考虑，必须大力推进开发低n o x 燃烧技术。 火电机组n o x 排放总量快速增长且难于逆转的主要原因是： ( 1 ) 我国是一次能源消费以煤炭为主的国家，煤炭在一次能源中所占的比例高 达7 0 左右，而且在已探明的一次能源储备中，煤炭仍是主要能源，见表1 3 。 我国一次能源的构成，决定了发电能源以煤为主的格局。长期以来，火电机组的 装机容量保持在7 5 ，火力发电量保持在8 0 左右。在火电机组的燃料中，煤 炭占9 5 。这种状况在今后的十几年内不会有大的变化。这种发电能源格局决定 了我国电站锅炉的n o x 排放难于大幅度降低。 表1 31 9 9 1 2 0 0 3 年我国一次能源消费及结构 ( 2 ) 低n o x 技术措施中，有燃烧器区域降低n o x ，炉内还原燃烧降低n o x ， 以及尾部烟气净化处理降低n o x 。在降低n o x 排放效果方面。尾部烟气净化降 低n o x 的除n 率最高，但相应的投资费用及运行成本也最为昂贵；燃烧器区域 降低n o x 和炉膛还原降低n o x ，虽然改造费用较低，但除n 效果也相对较弱。 而我国是一个发展中国家，经济实力还不雄厚，在相当长的一段时间内，控制 n o x 排放只能走燃烧技术改造措施之路，这就决定了火电机组的n o x 平均排放 水平不可能有大幅度的降低。， 2 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 我国火电主力机组仍为亚临界参数，占总装机容量约4 0 的超高压参数机 组在2 0 1 0 年前难于大量退出现役，燃煤超临界大型发电机组虽然具有提高可用 能的品位，热效率高，同样发电量下可节约大量煤炭，减少大气污染的优点，但 国内超临界技术处于起步阶段，尚无实践经验；一些辅机和耐高温材料虽然在试 验室进行大量研制工作，但还需进口；自动化系统与装置的匡产化率仍不高。所 以超l 晦界参数以上机组的广泛使用仍有待时日，这就决定了火电机组的总发电用 煤量在相当一段时间内不可能有大幅度的降低例。 ( 4 ) 一些燃煤发电新技术，都具有达到煤的洁净燃烧和高效率的特点。如大型 循环硫化床燃烧( c f b c ) 、整体煤气化联合循环( i g c c ) 、增压硫化床燃烧联合 循环( p f 吲，一c c ) 、常规煤粉电站+ 第二代洗涤器、低n o x 燃烧及磁流体( m h d ) 发电技术等。这些技术能较好地解决能源领域的一系列重大问题，如能源供需与 消费结构、生态环境保护及高效、低能耗电站等。这些技术在国内基本上仍处于 空白状态，尽管已经加大了开发研制、引进的力度，但大量使用还需较长的时间， 是今后火力发电的主要发展方向1 4 1 基于以上几点原因，如何在现有的条件下发展新颖更具创新的低n o x 技术 便显得尤为重要。 国内外研究控制常规燃煤电厂n o x 排放技术已有多年，目前开发出的技术 大致可分为两大类：一类是尾部加装烟气脱氮装置，其优点是可将氮氧化物的排 放降至2 0 0 m g m 3 以下，但初投资高、运行费用昂贵，只在德国、日本等少数工 业化国家得到应用。另一类是通过燃烧技术的改进来降低n o x 排放量，这类措 施相对简单，投资、运行费用低，是当前采用最广泛的经济有效措施，也是各工 业国下大力气不断完善的措施。 在工业发达国家现有的各种降低n o x 燃烧排放技术，主要分为三类圈： 第一类是指对运行和燃烧技术的改进。包括降低过量空气系数( l e a ) 、降 低空气预热温度( r a p ) 、部分燃烧器退出运行( b o o s ) 、浓淡燃烧( b b f ) 和 烟气再循环( f g r ) 等，这些措施的特点是对燃烧系统不做大范围的改动，方法 简单，是适用于老厂改造的经济措施。缺点是n o x 降幅小，一般不超过3 0 。 第二类是指空气分级低n o x 燃烧器，主要目的是降低燃烧器一次区域内的 氧浓度，相应降低温度峰值。目前这一措施使用最为广泛，其典型形式有以 a b b - c e 为主的用于切圆燃烧的低n o x 同轴燃烧系统( l n c f s ) 、偏转二次风 ( c f si 和c f s ) 和b a b c o c k 墙式燃烧双调风燃烧器，其n o x 的降低幅度 大约在3 0 一5 0 ，其绝对排放量可达到6 0 0 m g m 3 。 第三类是在炉内还原已经在燃烧器区域或炉膛内生成的n o x ，包括同时采 用空气分级和燃料分级的低n o x 燃烧器( 三级燃烧方式) 和炉膛内再燃法 ( i f n r ) ，可使n o x 排放降至3 0 0 - 4 0 0 m g m 3 。再燃技术是由德国在2 0 世纪8 0 年代末首先提出，称为i f n r 技术( i n - f u r n a c en o xr e d u c t i o n ) ，可将n o x 排放 量控制在2 0 0 m g m 3 以下。该技术很快引起欧洲、北美和日本的普遍关注，逐步 得以产业化。日本三菱重工在新建大型电站锅炉通过燃烧改进和采用i f n r 方法， 将n o x 排放减少5 0 以上嘲。美国能源与环境研究公司( e e r ) 使用i f n r 技术 使n o x 的降低率为5 8 一7 7 。 我国在引进、消化吸收国外先进技术的基础上，也通过试验室研究、半工业 性试验和大规模示范，自行开发了适合中国煤质、制粉系统的低n o x 燃烧技术。 主要集中在三个方面： 第一，空气分级燃烧方式。国家电站燃烧工程技术研究中心承担的“九五” 3 浙江大学硕士学位论文 国家科技攻关计划“整体分级低n o x 燃烧技术”，于2 0 0 0 年1 月通过技术鉴定， 应用于6 0 0 m w 机组的锅炉改造，可降低n o x 的排放约3 8 ，使n o x 排放从 6 5 0 m g m - 5 下降到4 0 0 m g m s 。 第二。新型燃烧器。中国新型燃烧器的研究重点是稳定燃烧。这些燃烧器和 燃烧技术对降低n o x 生成也具有一定的作用。分别有船形体煤粉燃烧器、浓淡 燃烧技术、富集型煤粉直流燃烧器、多级浓缩直流煤粉燃烧器、多功能旋流燃烧 器，新型低n o x 圆型旋流燃烧器等等，基本上可以达到约降低n o x 生成量5 0 的标准。 一一 一一 一、 第三，其他低n o x 方法。国内近年来也从其他的角度出发研究低n o x 技术， 如煤粉预燃室，通过燃料在预燃室内富燃料状态下部分燃烧，在预燃室内温度不 太高的、贫氧的一次火焰区内析出挥发分来减少n o x 的形成；又如利用超细煤 粉挥发分容易释放的原理 7 1 来燃烧或再燃烧以降低n o x 的排放，或是研究利用 生物质的燃料挥发份高，含氮量少，作为再燃燃料瞄来还原炉内n o x 。 1 3 研究的原因及意义 无论是国外还是国内，都在研究低n o x 技术方面取得了巨大的进展，但是， 这些技术中真正投入广泛实用的却不多，其主要原因就是某些技术的工程应用代 价过高。对于电厂，如果根据自身的条件选择合适自身的改造方案，则需要明确 地了解每种技术改造措施的原理、改造难度、成本等等，然后在此基础上做出最 佳选择，因此，对低n o x 技术做全面详细的经济技术分析是非常有必要的。由 此不仅可以给电厂的技术改造提供参考，而且还可以为科研人员在对n o x 技术 进行深入研发提供方向，即成本优化。 影响n o x 排放的因素有很多，有煤质特性方面、锅炉参数方面以及锅炉运 行方式方面。每个方面还包含了许多子因素，这些子因素之间相互影响，相互耦 合，对n o x 共同作用。而所有低n o x 技术措施只是由环境对n o x 排放量的要 求而做出的相关发明和改进，而并没有从影响n o x 排放的因素出发，来研究这 些因素和它们之间的关系。迄今为止，国内外只是较多得通过神经网络的计算机 试验研究来对电厂的锅炉进行系统的数据统计和整理，分析各个方面对n o x 生 成的影响。所以，基于现场试验，研究各个因素对氮氧化物排放的影响，可以使 人们更好得掌握氮氧化物在燃烧过程中的生成、分布、氧化还原特性，丰富其理 论知识，还能为低n o x 技术的开展提供现实依据，指导电厂进行适合自身条件 的相关改造。 此外，目前国内采用的低n o x 燃烧技术主要是低过量空气系数、空气分级 燃烧技术和浓淡燃烧技术p 。1 。这些技术设法建立低过量空气区域，控制燃烧温 度，抑制n o x 的生成。这些低n o x 燃烧技术燃用烟煤、褐煤时可达到现行的国 家排放标准，但在燃用低挥发分的无烟煤、贫煤和劣质烟煤时还远远不能达标 1 “j 。因为燃用低挥发分的劣质煤时，要考虑其着火的稳定及燃尽，在组织燃烧 时通常需要保证炉内的燃烧温度、在高温区提供足够的氧、增加煤粉在高温区的 停留时间等强化燃烧的措施，这些措施和现有的浓淡燃烧技术、空气分级燃烧技 术等低n o x 燃烧技术所要求的条件相矛盾| i 引，限制了这些低n o x 技术的应用。 国内外一些学者试图通过不同地再燃燃料进行再燃试验来达到减小飞灰的目的， 但效果有限。 从燃尽原理上讲，降低飞灰最直接的方法便是将燃烧的煤粉进行细化，即提 高煤粉的细度，使磨煤机磨制更细的煤粉，这样煤粉可以使着火提前，燃烧得更 4 浙江大学硕士学位论文 充分，增加锅炉效率，减少排污。国内外对超细煤粉的研究主要集中在再燃技术 f i 刖方面，而对于提高煤粉细度进行直接燃烧，研究其对降低n o x 排放的效果方 面，国内外对其研究较为缺乏，之所以如此，考虑的因素主要集中在两大方面， 一方面，电厂磨煤机依靠细粉分离器挡板的改变来调节煤粉细度，但是在实际运 行中，细粉分离器挡板不易调节，使之要在此基础上进行变工况试验难度较大； 另一方面，而长期以来，人们一直把锅炉效率当作锅炉运行的主要经济指标，发 电厂锅炉的经济运行总是围绕着如何降低飞灰、炉渣含碳量、磨煤机电耗，以提 高锅炉运行高效性来进行，而忽视了其他方面对发电成本的影响：n o x 作为电 厂的主要污染源之一在电厂环保成本上所占越来越大的份额，而提高煤粉细度可 以减少n o x 的排放，但煤粉细度又和磨煤机能耗紧密相关，磨制更细的煤粉需 要消耗更多的电能，而磨煤机能耗作为厂用电的一部分，对于电厂运行效益有着 巨大地影响。所以，研究调节煤粉细度在锅炉上以直燃的方式降低n o x 排放的 技术经济可行性是非常必要的，同时，也是对超细煤粉在电厂锅炉的应用的一个 良好补充。 另外，燃烧器的不同燃烧方式对于炉内空气动力场的布局有着巨大的影响， 由此衍生的n o x 排放的变化也相当显著，因此，在现有的燃烧器运行方式基础 上，探索新的运行方式，以期能够更为有效地降低锅炉氮氧化物的排放，以丰富 低n o x 技术措施。 5 浙江大学硕士学位论文 1 4 研究的主要内容及方法 在低n o x 技术经济性研究方面，本文拟通过对资料的收集、整理、归类， 来系统得划分各种低n o x 的初投资、运行成本、改造难度等技术经济参数。本 文还拟对众多1 2 5 m w 机组进行n o x 排放情况的统计，并对每个机组的各项参 数对n o x 排放的影响进行分析，研究它们之间的耦合关系及其对n o x 排放的综 合影响，以得出在今后一段时间内，何种低n o x 控制技术在工程应用上性价比 最高。并在此基础上，进彳亍低n o x 控制技术的改良和创新探索，拟通过两个方 面进行试验研究。 其一，通过电厂锅炉试验，对可调切圆降低n o x 的效果进行检测，并对此 新技术做出经济报告评估，以得到实际改造的可行性结果。 其二，在变煤粉细度经济性试验方面，本文拟按照挥发分含量、燃料含n 量等燃煤特性选用贫煤、烟煤、褐煤三种煤质共七个煤样，每种煤样分别通过小 型钢球磨煤机不同时间的研磨，制取不同细度的煤粉，然后在沉降炉上进行煤粉 燃烧实验，分析燃煤特性在不同煤粉细度下对n o x 排放的影响。 本文试验研究的主要方法： 从试验室沉降炉角度出发，分析挥发分、燃料含n 量、h ，c 比、0 n 比、灰分、水分等燃煤特性与燃料n 转化率关联性。 从电厂锅炉试验出发，一方面，研究煤粉细度这一技术改良降低n o x 排放的技术经济可行性；另一方面，研究可调切圆低n o x 燃烧器这一技术 创新降低n o x 排放的技术经济可行性。 6 浙江大学硕士学位论文 参考文献 【1 】李红，王玮，鲍林发中国n o x 污染状况及相关问题探讨中国环境科学 研究院 、 【2 】齐海江王字齐我国发电能源结构分析科技与管理2 0 0 4 年第2 期 【3 】俞珠峰洁净煤技术发展及应用化学工业出版社 4 】郑楚光洁净煤技术华中理工大学出版社 【5 】毕玉森控制电厂锅炉n o x 排放的对策和建议中国电力2 0 0 4 年6 月； 6 】易红宏，宁平，陈亚雄氮氧化物废气的治理技术明环境科学动态1 9 9 8 ( 4 ) ：1 7 2 0 【7 】金晶，张忠孝，钟海卿，李瑞阳山东大学学报( 工学报) 第3 4 卷第5 期2 0 0 4 年l o 月 【8 】李戈，池作和，斯东坡，潘维，蒋啸，周昊，岑可法生物质废弃物 再燃降低n o x 排放的试验研究热力发电2 0 0 4 ( 0 2 ) 【9 】毕玉森低氮氧化物燃烧技术的发展状况 j 热力发电2 0 0 0 ( 2 ) ：2 曲 【1 0 】刘振琪低n o x 煤粉燃烧器在我国的应用实绩r j 锅炉技术1 9 9 8 ( 9 ) ： 1 4 艺1 【1 1 】肖理生，曾汉才，金峰分级燃烧最佳一次风空气系数的实验研究田动 力工程2 0 0 1 ( 1 ) ：1 0 4 2 - 1 0 4 5 【1 2 吴少华，李争起，孙绍增等低n o x 排放的“风包粉”浓淡煤粉燃烧技术 啊机械工程学报2 0 0 2 ，3 8 ( 1 ) ：1 0 8 1 1 1 【1 3 】张建中试论低挥发分燃煤电厂n o x 排放物的达标难度和前景 j 】电站系 统工程1 9 9 8 ，1 4 ( 2 ) ：3 5 - 3 9 【1 4 吴少华，刘辉采用超细煤粉再燃技术降低氮氧化物排放阴中国电 力2 0 0 3 ，3 6 ( 2 ) 7 浙江大学硕士学位论文 第二章低n 0 x 燃烧技术经济比较 2 1 前言 、 众所周知，控制污染气体的排放需要付出昂贵的代价，一个现代电厂的发电 成本在相当程度上取决于污染气体排放控制技术费用的高低，例如，若采用催化 剂选择法降低n o x 的排放量，按工业发达国家估价，设备改造成本约2 0 $ l ( w ， 一个3 0 万千瓦锅炉的改造费约达6 0 0 万美元，而采用在燃烧器内降低n o x 技术， 其费用则要少得多。 因此，深入地研究污染气体形成机理，研究并开发低成本，有效地降低污染 气体排放的新技术，无疑是极为重要的。电厂在能源利用中，矿物燃料燃烧过程 排放出来的污染气体二氧化硫( s 0 2 ) 和氮氧化物( n o x ) 是人们研究的重要对 象，但对于二氧化硫排放控制的研究已经做得较为具体和系统，而对于氮氧化物 排放控制的研究还比较欠缺和不足，尤其是低n o x 排放控制技术的技术经济分 析方面。 所以，本章节的主题是研究各个低n o x 燃烧控制技术的技术可行性和经济 可行性及其之间的相互比较，使之可以较为全面的反映各种n o x 燃烧控制技术 的应用现状和前景。并且为企业技术选择和政府制定政策提供现实依据。 2 2 低n 0 x 燃烧技术发展现状 目前，世界上燃煤电站采用的低n o x 燃烧工艺多种多样，近数百种之多。 在这些低n o x 工艺中，有的技术较为成熟，已经达到工业应用的水平，有的尚 处于试验示范阶段。低n o x 燃烧控制技术总体归纳可分为三大类：常规煤粉锅 炉低n o x 燃烧技术、循环流化床燃烧技术和水煤浆技术。而常规煤粉锅炉低n o x 燃烧技术，根据对n o x 燃烧生成的阶段性处理，又可分为三类：l 、抑制低n o x 的生成技术，即燃烧器区域降低n 0 x ；2 、对于己生成的n o x 进行炉内还原， 降低n o x 含量；3 、如在运用前两种方法还不能达到排放要求的前提下，进而对 尾部烟气进行再处理的尾部脱硝技术。下面就对以上技术分别进行大致的介绍。 根据综上所述，把这些低n o x 燃烧控制技术罗列成表格以清晰明了地显示 其所属范畴。 表2 1 低n o x 控制原理比较1 燃烧系统 常规煤粉锅 炉 所属位置( 目的)可运用的主要技术所用原理n o x 减捧量 2 炉膛上部 ( 对于燃烧器已 生成的n o x ，进 行再还原) 炉内的风分级( 火上风) 燃料分级 改进火上风+ u q b 天然气再燃+ l n b 1 5 3 0 4 0 - 5 0 7 0 6 5 8 浙江大学硕士学位论文 降低燃烧温度的峰值；减少反应区中的氧或氮含量；增加一氧化碳或烃根含量： 化学方法降低n o x 低过量空气系数( l e a ) 都适用 降低投入运行的燃烧器数目 士中型 ( b o o s ) 一 阶段分级大中型 低n o x 燃烧器浓淡燃烧都适用 自身再循环中小型 炉内的风分级( 火上风)都适用 燃料分级大中型 烟气再循环 大中型 选择性催化还原( s c r )都适用 选择性非催化还原( s n c r ) 都适用 电子束烟气治理技术都适用 光催化氧化法都适用 管道喷射法都适用 流化床燃烧中小型 水煤浆燃烧 大型 一 i _ l n _ _ i 一 - _ - 注：影响程度l 高 一中等 一因设施而异 2 3 控制技术的技术经济评估 每一项n o x 控制技术都有不同的机理、发展历史、以及因此而确定的商业 地位。任何一种技术的选择，都必须在在确定每一项控制技术的技术和经济可行 性的工程研究之后。这包括每一项技术是如何实施以及它相对应的成本费用：如 果不能良好地调整燃烧系统的空气流动，或是风管的温度不正确，或是管道太短 以至于不能充分得进行混合等等，那么对于技术的选择就会受到限制。这些问题 可以解决，但是可能需要进行大规模改造以达到突现其经济价值的目的。 由于燃烧改进技术本身的特性，它必须仔细地与锅炉的设计和运行综合起来 考虑，下述一些技术问题对锅炉运行的影响必须注意：改造结果的偏差，火上风 9 i一一一一一一 浙江大学硕士学位论文 的设计，再燃烧燃料喷射装置，燃烧效率，火焰稳定性及监视性，燃烧和蒸汽温 度的控制，水冷壁的腐蚀、结渣以及安全性等等。现我们仍旧按燃烧系统的分类 来分别进行经济和技术方面的分析。 2 3 。1 改造工程量及难度 ( 一) 常规煤粉锅炉1 2 。3 1 ( 1 ) 燃烧器改进 一 一般地说，低n o x 燃烧器对锅炉的改动最小，低n o x 燃烧器可以设计得纳 入原有燃烧器的空间和风室。它显示了最广泛的应用前景，因此是目前开发的研 究的“热点”。不过，有两个问题要引起注意： 原有的燃烧器空间是否大到足以允许煤嘴，调风器或燃烧器喉部的改变， 而不改变燃烧器出1 ：3 的炉内水冷壁。为降低风压损失而增加流通截面、从而导致 燃烧器出口截面加大的做法，将大大增加锅炉改装工作量。 炉膛的深度是否足够满足较长的低n o x 火焰? 因为火焰冲击炉墙会导致 结焦、腐蚀和燃烧效率降低。 ( 2 ) 燃烧系统改进 火上风 火上风系统的设计要考虑诸如停留时间、碳燃尽率和火上风的位置，这对改 进的火上风系统更显得重要。改进的与普通的火上风设计，主要不同在于火上风 与供风系统的分开。因为改进的火上风需要大量的燃烧空气( 一直到5 0 ) 。为 了精确地控制分级风量，分开供风系统( 包括管道、流动控制阀和风室) 是必要 的。 火上风若应用于改型现有的锅炉。从对锅炉改动最少角度考虑，让多层燃烧 器中最上排的燃烧器不提供燃料只提供空气，作为“火上风”，而下排的燃烧器 则在富燃料状态下运行。对新设计的锅炉和有选择性的改型锅炉，火上风布置在 最上排燃烧器的上面，燃烧器和主燃烧区在富燃料状态下运行。 一些研究表明，为了最大地降低n o x ，最佳的火上风位置是在离开最上排燃 烧器燃气停留时间o 8 s 的地方。此外，为达到碳燃烧完全，燃气在火上风上面 停留时间最少需要0 5 s 。但是，实际上多数的火上风位置被锅炉的构造和主要的 结构部件( 如支柱) 所限制。一般地说，火上风1 ：3 位于两个支柱之间，并在最上 排燃烧器的上面约一个燃烧器间距的地方。所有的分级风都装有可在控制室中操 纵的气动调节阀。此外，还必须确保火上风的使用不影响燃烧稳定性和锅炉运行 性能。 荐燃烧 这里只对煤作为再燃烧燃料进行分析。对火上风的许多考虑同样也适用于再 燃烧。再燃烧燃料喷射孔和火上风之间的停留时间也就是再燃区域长度是由这两 者所决定的。而再燃区域的长度对降低n o x 的排放量有很大的影响。 实验结果表明1 4 j ：再燃区的长度对降低n o x 的排放量有很大影响。再燃过程 中增大再燃区的长度，可以增加停留时间，使n o x 的还原反应充分进行，有利 于提高脱硝效率；但当燃尽风喷入位置一定时，这势必会使再燃燃料喷口靠近主 燃烧区，从而减少主燃料在主燃烧区的停留时间，这不仅会降低燃尽率，而且会 使过多的氧量进入再燃区消耗再燃燃料分解形成的c i - i i 等还原性基团，从而减弱 n o x 被还原的效果。因此，再燃过程中再燃燃料和燃尽风的喷入点存在着最佳 位置，它们共同决定了最佳的再燃区域长度。在实际再燃过程中，再燃区域长度 浙江大学硕士学位论文 通常会受到不同程度的控制，对于不同的燃烧设备和燃烧状态，应根据具体情况 确定合适的再燃区长度，从而优化再燃过程。 另外，再燃区域的长度合适时，再燃燃料的喷入位置对脱硝效率也有重要的 影响。若再燃燃料的喷入位置选择的不合适，就需要增大再燃区域的长度来获得 较高的脱硝效率。再燃燃料通常的喷入位置应该温度比较高，n o x 浓度比较大， 可以形成较好的还原性气氛，以有利于在燃燃料与n o x 充分燃烧。 在炉膛总体结构方面，对于有三排以上燃烧器的炉子，有一种假设认为，较 低的那排燃烧器始终在空燃比( o 8 一1 o ) 下运行，而再燃烧区的空燃比在0 6 , - , 0 7 。 在这样条件下运行的优点在于，在较低的燃烧器负荷时可能保持燃烧器点火稳 定。 如果炉子的燃烧器少于三排，则必须另外安装燃料喷射口。炉内分级风可以 加在一次风的上面，这样有助于防止水冷壁可能的腐蚀，并且对再燃烧过程有好 处。火上风在燃料喷射口上面使燃烧完全。实际上，火上风的位置受锅炉结构的 限制。最难的情况是只有两排燃烧器，对这种情况必须要有新的燃烧系统，并且 要有再燃烧燃料喷口和火上风口。 ( 3 ) 尾都烟气脱硝改进1 5 - 7 1 选择性催化还原( s c r ) 在s c r 法中，对催化剂的要求是活性高、寿命长、经济性好和不产生二次 污染。但由于烟气中含有s 0 2 、尘粒和水雾，对催化反应和催化剂均不利，故要 求在脱硝前先对烟气除尘和脱硫，或者是选用不易受肮脏烟气污染影响的催化 剂。同时要使催化剂具有一定的活性，必须有较高的烟温。 选择性非催化还原( s n c r ) 选择性催化还原流程：在烟气高温区加入氨或尿素( c o ( n h 2 ) 2 ) ，不用催 化剂就可迅速地与n o x 反应生成n 2 和h 2 0 。采用该法的关键是使还原剂与烟气 又好又快地混合，并且具有充分的反应时间( 约0 2 s ) 以及在( 9 0 0 1 0 5 0 ) 的 温度区喷入还原剂。 ( 二) 流化床燃烧系统嗍 从目前国内已运行的循环流化床锅炉来看，普遍存在着受热面磨损快、给煤、 回料不畅、冷渣器故障等多方面问题，这些问题不可能在短时间内全部解决，今 后还有很多工作要做。而煤粉锅炉技术早已成熟，3 0 0m w 煤粉炉发展也有数十 年历史，国产技术己完全成熟，各项性能与国际先进水平基本相当。因此，循环 流化床锅炉可靠性和长期连续带负荷能力比煤粉炉差。 在循环流化床锅炉的大型化方面，国外也还面临很多技术问题，我国还刚刚 处于引进的起步阶段，还有较长时间的消化吸收过程，没有投运的经验，要真正 开发研制出国产2 0 0 3 0 0m w 以至于更大容量的c f b 锅炉，还有以下很多问题值 得进一步探索和研究：a 机组容量增大后带来的锅炉放大问题；b 关键部件如 外置式换热器等设计，布置、运行等问题；c 进一步降低污染物如：s 0 2 ，n o x 的排放问题；d 煤种的适应性问题；e 进一步提高运行水平的问题：f 配套 辅机设备的问题。 ( 三) 水煤浆燃烧系统 其改造难度主要体现在煤料的来源上，由于水煤浆对于原料的要求较高，而 现阶段各地的电厂绝大多数并不能保证煤质的稳定性和优质性，有时候往往需要 燃烧劣质煤，在纯改造层面上，难度不大，但也存在大型化技术不成熟的问题。 2 3 2 对其他方面的影响及副作用 浙江大学硕士学位论文 ( 一) 常规煤粉锅炉 ( 1 ) 燃烧器 低过量空气系数 在运行调整中，n o x 排放的一般控制原则是降低锅炉温度水平、采用较小 的空气过量系数、抑制燃料与空气的混合等，而这些方法往往会造成锅炉的干烟 气损失、固体未完全燃烧损失和气体未完全燃烧损失的增加，而使锅炉的燃烧效 率下降，而且易引起锅炉还原气氛，降低灰熔点引起结渣和腐蚀。 烟气再循环 一一 它是将炉膛尾部烟气抽出，掺入一次风中，一次风因烟气掺混后使其氧浓度 降低，同时低温烟气使火焰温度也降低，这样使氮氧化物的生成受到抑制。但烟 气再循环在我国电站的使用中降低n o x 的效果并不明显，还引起燃烧不稳定， 甚至灭火等问题。需要采用高温烟气循环，才能既抑制氮氧化物的生成，又提高 煤粉燃烧的稳定性。而且需要安装再循环烟道和风机，要求具有一定的场地条件， 在老厂改造时会受到限制。并且再循环风机的维护费用相当高，日本已经明确表 示不再使用烟气再循环法降低n o x 。 煤粉浓淡分离燃烧技术 即将一次风输送的煤粉用离心分离法分离为浓度不同的浓、淡粉风流。空气 燃料比低的浓粉对抑制氮氧化合物生成有利。空气燃烧比高的淡粉风流可起稀释 含氮氧化物的烟气的作用。但从整个锅炉燃烧过程来看，煤粉空气混合越均匀， 燃烧效果越好，将煤粉浓淡分离就对炉内后期的煤粉与空气混合不利，会使飞灰 含碳量增加，效率降低。此外，在煤种不同，负荷不同的条件下，煤粉浓、淡程 度无法控制。 ( 2 ) 燃烧系统( 炉内还原) 燃料再燃 。 燃料再燃分为天然气再燃技术和细煤粉再燃技术。 对于天然气再燃技术，虽然燃烧时由于能产生大量的烃类而又不含有氮类物 质，同时又易与烟气充分混合和反应，是普遍认为较理想的再燃燃料。但是天然 气的成本相比煤来的更贵，且储藏、运输等等技术和安全保证都要比煤来得高， 所以在能源相对欠缺的中国东部，用天然气进行再燃改造技术的运用还是受到限 制。 对于煤粉再燃技术，即向锅炉内燃烬区再送入一