（热能工程专业论文）旋流式燃烧器对冲布置的锅炉炉内nox生成机理及控制的研究.pdf

摘要 在我国，火力发电占主要地位，随着电力工业的发展，煤耗带来的污染物排 放问题日趋严重，政府开始对n o x 排放量进行控制，并制定了相关的排放标准。 本文针对一台3 3 0 m w 旋流式燃烧器对冲布置的电站锅炉，结合电厂锅炉的实际 运行情况，从试验的角度研究了不同配风方式下氮氧化物的排放情况，从数值模 拟的角度，分析了炉内温度场、氧浓度场以及氮氧化物浓度场的分布，并从理论 上，分析了火力发电机组煤粉燃烧时，氮氧化物的生成机理、主要影响因素及其 控制方法。 试验方面，根据预先确定的负荷工况和配风方式，在电厂机组稳定工作条件 下，分别在不同负荷、不同配风方式下，测试烟气中n o x 和s 0 2 的排放浓度。 记录、分析、整理数据，根据测试数据，研究配风方式及s 0 2 排放浓度对n o x 排放浓度的影响。 数值模拟计算是计算机辅助优化数值试验的重要环节之一，也是本文的侧重 点。本文运用f l u e n t6 0 模拟计算软件，结合电厂的实际运行工况，对锅炉炉 内的燃烧过程及氮氧化物的生成机理进行了模拟计算研究，并与实测数据进行了 比较。 本文对模拟炉内燃烧过程所采用的方法和模型进行了总结，分析其适用范围 及其优缺点，在此基础上，找出最适合旋流式燃烧器对冲布置的燃烧锅炉的方法 和模型。如速度一压力耦合采用s i m p l e 方法，湍流采用r n gk s 模型，燃 烧模型采用挥发分反应模型，辐射换热采用d o 模型，n o x 生成过程的模拟采 用“后处理 方法等等。 关键词：旋流燃烧器对冲布置的锅炉，旋流燃烧器，数值模拟，燃烧，n o x a b s t r a c t i nc h i n a ，c o a l f i r e dp o w e rp l a n t sp r e d o m i n a t ei n p o w e rp l a n t s w i t h t h e d e v e l o p m e n to fp o w e ri n d u s t r y ，p r o b l e m so fp o l l u t a n te m i s s i o n c a u s e db yc o a l c o n s u m p t i o nb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s 。g o v e r n m e n tb e g i n st oc o n t r o le m i s s i o n o fn i t r o g e no x i d e ( n o x ) a n de s t a b l i s hr e l a t i v ee m i s s i o ns t a n d a r d n l i s p a p e r , c o m b i n i n g w i t ht h e r u n n i n gc o n d i t i o n s o fp o w e rp h n t ，s t u d i e sa3 3 0 m w s w i r l e d - o p p o s e du t i l i t yb o i l e r b yt h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d i s t r i b u t i o n so f t e m p e r a t u r e ，o x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dn i t r o g e no x i d e s ( n o x ) 锄呛s t u d i e d f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fn o x ，m a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dc o n t r o lm e a s u r e so f n o xa r e t h e o r e f i c a h ys t u d i e d ，t o o a c c o r d i n gt o t h ep r e d e f i n e dl o a d sa n da i r d i s t r i b u t i o n ，u n d e rt h es t e a d yo p e r a t i n gc o n d i t i o n ，n o x s c he m i s s i o nc o n c e n t r a t i o n s a 碍t e s t e da n dr e c o r d e d b a s e do nt h e s er e c o r d e dd a t a 。e f f e c t so fa i rd i s t r i b u t i o na n d s o zc o n c e n t r a t i o no i ln o xe m i s s i o nc o n c e n t r a t i o na f es t u d i e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni so n ed o m i n a t i n gp a r to fc a ta n dt h i sp a p e re m p h a s i z e s p a r t i c u l a r l yo ni t a p p l y i n gf l u e l v r6 0s o f t w a r ea n da c c o r d i n gw i t ht h eo p e r a t i n g c o n d i t i o no fp o w e rp l a n t ，c o m b u s t i o n p r o c e s sa n dn o xf o r m a t i o n o fa3 3 0 m w s w i r l - o p p o s e db o i l e ra s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e d c o m p a r i s o na n da n a l y s i so f c a l c u l a t e dd a t aa n dt e s t e dd a t ai sd o n e m sp a p e rs u m m a r i z e st h em e t h o d sa n dm o d e l sa p p l i e di nt h es i m u l a t i o no f c o m b u s t i o np r o c e s s ，a n a l y s e st h ea p p l i c a b i l i t ya n dt h em e r i t sa n dd r a w b a c k so ft h e m e t h o d sa n dm o d e l s b a s e do nt h e s ea n a l y s e s ，b e s tm e t h o d sa n dm o d e l sf i tf o rs w i r l - o p p o s e db o i l e r s a r ea p p l i e d s i m p l em e t h o di s e m p l o y e di nf l o wf i e mp r e d i c t i o n ，r n gk - - s m e t h o di nt u r b u l e n tf l o w u s e sv o l a t i l i z a t i o nr e a c tm o d e la sc o m b u s t i o nm o d e l ，d 0 m o d e la sr a d i a n th e a tt r a n s f e rm o d e l “p o s tt r e a t m e n t m e t h o di sa d o p t e dt os i m u l a t e n o x f o r m a t i o n ，e t c k e y w o r d s ：s w i d - - o p p o s e db o i l e r , s w i r lb u m e r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o m b u s t i o n ，n o x 图 目录 图1 ，1 1 氮氧化物的排放量和发生源，。二2 图1 1 2 世界化石燃料燃烧排放的氮氧化物2 图1 3 1d r b x c l 燃烧器8 图l 。3 2e i - d r b 燃烧器9 图1 3 3p ：懈d r b 燃烧器：o 1 0 图2 - 1 1n o x 生成量与温度的关系- - “山i ： 1 4 图2 1 - 2 燃料氮的分解示意图- l 一j j ：1 5 图2 - 1 3n h 3 氧化途径。1 5 图2 - 1 _ 4h c n 的还原途径o j 1 6 图2 1 - 5 燃料比对c r 的影响j ：j ：。2 0 图2 1 石过量空气系数对c r 的影响j ：i j ：；：j 2 0 图2 - l _ 7 温度对c r 的影响：0 ：i 2 0 图2 - 1 8 费尼莫尔反应机理j 一2 1 图3 1 1 锅炉本体尺寸示意图：j ：j 。2 7 图3 1 2 燃烧器示意图- j ：j j j ：2 9 图3 1 3 燃烧器布置及气流旋转方向 ：j o ：j ：2 9 图3 2 1 旋流分级火焰：f 3 1 图3 2 2 流体微元的受力分析示意图：3 2 图3 3 1 燃烧区域网格分布。3 4 图3 3 2 燃烧器轴向截面上的网格分布：3 4 图3 4 la 层燃烧器中心截面速度矢量图和速度等势线图4 6 图3 4 2a a 截面速度矢量图和速度等势线图：4 6 图3 4 3b b 截面速度矢量图和速度等势线图：4 6 ， _ 图3 4 4c c 截面速度矢量图和速度等势线图4 7 图3 4 5d d 截面速度矢量图和速度等势线图4 7 图3 4 6e e 截面速度矢量图和速度等势线图4 7 图3 _ 4 7 炉膛中心截面速度适量图和速度等势图4 8 图3 _ 4 - 8 气体流线图4 8 图3 4 - 9 燃烧器中心线上的速度分布曲线4 9 图3 4 l o 炉高2 8 m 横截面中心线上速度分布曲线4 9 图3 4 1 1 热态时a a 截面速度矢量图和速度等势线5 l 图3 4 1 2 热态时b b 截面速度矢量图和速度等势线5 1 图3 - 4 - 1 5 热态时c c 截面速度矢量图和速度等势线5 1 图3 4 1 4 热态时d d 截面速度矢量图和速度等势线5 2 图3 4 1 5 热态时e e 截面速度矢量图和速度等势线5 2 图3 4 1 6 热态时f f 截面速度矢量图和速度等势线5 2 图3 4 1 7 热态时炉膛中心截面速度适量和等势圈5 3 图婢1 8 煤粉颗粒轨迹5 3 图3 4 1 9 热态时燃烧器中心线上的速度分布曲线5 4 图3 4 2 0 热态时c - c 截面中心线上的速度分布曲线5 4 图4 2 1h c n 反应示意图6 4 图禾2 - 2n h 3 反应示意图：6 4 图4 3 1炉膛中心纵截面的温度场分布7 0 图禾3 2 炉膛中心纵截面0 2 分布7 1 图禾3 3 炉膛中心纵截而n o x 分布7 2 图4 3 4 燃烧区横截面的温度分布图7 4 图4 3 5 燃烧区横截面的0 2 分布图7 5 图秘6 燃烧区横截砸的n o x 体积浓度分布7 6 图年3 7c 。c 截面的温度分布图：7 7 图4 3 8c c 截面的0 2 分布图，7 8 图4 3 9c - c 截面的n o x 分布7 9 图4 3 1 0 炉膛出口截丽温度分布网8 0 图禾3 1 1 炉膛出口截面0 2 分布8 l 图4 3 1 2 炉膛出口n o x 分布8 2 圈4 3 1 3 炉膛纵截面中心线上温度、0 2 浓度以及n o x 浓度8 4 图4 3 1 4 b 层燃烧器轴线横截面中心线上温度、0 2 浓度以，及n o x 浓度8 5 图4 3 1 5c - c 横截面中心线上温度、0 2 浓度以及n o x 浓度8 6 图5 1 13 3 0 m w 时不同开皮下n o x 变化9 l 图5 1 22 8 0 m w 时不同开度下n o x 变化9 1 图5 1 32 6 5 m w 时不同开度下n o x 变化9 l 图5 1 _ 42 6 0 m w 时不同开度下n o x 变化9 2 圈5 - 1 52 2 0 m w 时不同开皮下n o x 变化9 2 圈5 - 1 61 8 0 m w 时不同开度一f n o x 变化9 2 图5 3 - 1n o x 的测试值与模拟计算值9 5 图昏3 13 3 0 m w 时s 0 2 排放浓度与n o x 排放浓度的关系1 0 6 图6 3 。22 8 0 m w 时s 0 2 排放浓度与n o x 排放浓度的关系1 0 6 图6 3 32 2 0 m w 时s 0 2 排放浓度与n o x 排放浓度的关系1 0 6 图6 - 3 41 8 0 m w 时s 0 2 排放浓度与n o x 排放浓度的关系1 0 7 图昏3 - 5a n o x a s 0 2 比值1 0 7 表1 - i 1 表1 3 1 表3 - 1 1 表3 1 2 表3 - 1 3 表3 1 - 4 表3 2 1 袭3 3 1 表3 4 1 表3 4 2 表3 4 - 3 表4 2 1 发4 2 。2 表4 2 3 袋5 一1 1 波5 - 1 。2 袭5 。1 3 袈5 1 _ 4 表5 ，1 _ 5 表5 1 - 6 表5 。1 7 ：表5 3 1 表6 - 3 。i 表昏3 2 表每3 3 表6 4 1 表6 3 3 表6 3 4 表6 3 5 表目录 每吨煤炭燃烧各种污染物排放量3 燃烧器分类7 燃烧器和磨煤机投运参数2 9 燃烧器设计参数2 9 锅炉主要设计参数3 0 燃料成分及特性3 0 旋流强度3 l 直角坐标系下三维湍流流动微分方程式各项意义3 7 内二次风轴向叶片的相关参数4 3 外二：次风轴向叶片的相关参数。4 4 计算数据4 4 挥发分元素的质量数及质量分数、摩尔数及摩尔分数6 6 计算数据6 7 主要数据6 8 3 3 0 m w 时不同风门开度时测试点的0 2 ，过量空气系数a 及n o x 排放浓度8 8 2 8 0 m w 时不同风门开度时测试点的0 2 ，过量空气系数a 及n o x 排放浓度8 9 2 6 5 m w 时不同风门开度n , j - n 试点的0 2 ，过量空气系数a 及n o x 排放浓度- j 8 9 2 6 0 m w 时不同风门开度时测试点的0 2 过量空气系数q 及n o x 排放浓度8 9 2 2 0 m w 时不同风门开度时测试点的0 2 。过量空气系数n 及n o x 排放浓度9 0 1 8 0 m w 时不同风门开皮时测试点的0 2 ，过量空气系数a 及n o x 排放浓度9 0 标准状况下n o x 体积浓度j 9 0 n o x 的测试值与模拟计算值( 标准状况。0 2 6 ) 9 9 各负荷工况条件下测试的s 0 2 和n o x 的排放浓度1 0 5 与序号1 数据的差值的绝对值1 0 5 a n o x a s 0 2 比值1 0 5 3 3 0 m w 时的排污费1 0 9 2 8 0 m w 时总排污费1 0 9 2 2 0 m w 时的总排污费1 0 9 1 8 0 m w 时总排污费1 1 0 声明 本人郑重声明： 学位论文“旋流式燃烧器对冲布置的锅炉炉内n o x 生成机理及控制的研究 是在导师魏敦崧教授和任建兴教授的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 文中所引用的文献、他人研究成果以及对本文研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集 体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 黼摊：辑彳 2 0 0 4 年3 月 同济大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着社会和经济的发展，能源的利用所越来越受到人们的重视，而能源利用带来的社会 问题也日益威胁着人类的健康和生态环境，环境污染就是其一。由于化石燃料消耗的不断增 加和人口的激增，在人口密集的城市周边和工业地区已经发生了严重的环境污染问题著名 的大气污染案例有：1 9 3 0 年比利时m u s e 溪谷发生的大气污染、美国宾夕法尼亚州d o n o r a 市发生的大气污染，英国伦敦发生的大气污染等。这些都在不断地告诫人们：在享受能源带 来的物质利益的同时，也不得不照单全收其所带来的负面效应。这也促使人们意识到大气污 染问题的严重性以及寻找控制此污染问题的重要性。而大气的主要污染源之一就是氮氧化物。 氮氧化物是化石燃料与空气在高温燃烧时产生的，主要包括一氧化氮( n 0 ) 、二氧化氮( n 0 2 ) 和氧化二氮( n 2 0 ) 。 氮氧化物的危害性很大，主要表现在：1 ) 对人体健康有直接危害：大气中n o x 浓度的 增加会刺激人体呼吸系统、中枢神经系统，导致肺气肿、麻痹和痉挛；光化学反应使n 0 2 分 解为n o 和0 3 ，而臭氧对人体健康亦十分有害。2 ) 参与形成光化学烟雾，不仅能形成酸雨 进而造成环境污染，而且其生成的臭氧和氮氧化合物对植物危害性亦很大，研究表明：当臭 氧浓度超过0 1 p p m 时便对植物产生危害，使植物生长缓慢，叶面损伤；当n 0 2 浓度达l p p m 时，某些植物便会受害。据调查，美国光化学烟雾对农业和林业的危害曾波及2 7 个州。1 9 5 2 年美国洛杉矶发生光化学烟雾，附近农作物一夜之问严重受害：6 5 万公顷的森林，2 9 严重 受害，3 3 中等受害，其余3 8 也受轻度损害。3 ) 氮氧化物和硫氧化物等陵性气体导致的 酸雨，不仅对生物环境，而且对人工建筑物都有很大的负面影响。酸性的雨水可使树木枯死， 土壤酸化，使土壤中含有的钙、钾等植物成长所必须的成分溶出，抑制土壤微生物的活动。 另外它还能降低混凝土的强度，引起金属的腐蚀，危及人工建筑物等。因此众多生态学者 认为，污染不仅严重地威胁着我们的生活，甚至还可能威胁到人类社会的存在。4 ) 氧化二氮 ( n 2 0 ) 是一种温室气体。会破坏臭氧层。 由此可见氮氧化物排放问题是人类面临的亟待解 决的严重问题。 近几年来，世界各国政府对环境污染问题给与了充分重视，并相继制定了关于环境保护 的法律法规。但是除了制定严格的法律法规外，还有许多技术问题有待解决，因为许多污染 产生的根源都是因为技术原因而不能被有效地控制或消除。因此，要彻底解决环境污染问题， 同济大学博士学位论文第一章绪论 就必须对造成环境污染的物质和过程进行研究。目前，对于硫氧化物的研究已经比较清晰， 二氧化硫排放的控制在近些年已经取得了极大提高，而对于氮氧化物的生成和控制机理的研 究相对硫氧化物要困难的多，至今仍有许多问题没有研究出来。 研究人员在对污染物的工业发生源和自然发生源研究过程中发现，工业产生的污染物占 了绝大部分，而化石燃料燃烧过程产生的n o x 排放量占全球总生成量的一半以上。全世界氮 氧化物的发生源及其排放量( ) 如下图1 - 1 1 所示。近5 0 年来世界化石燃料燃烧排放的氮 氧化物量如图1 1 2 所示【i 】。 翁万吨3 0 1 0 o 口化石燃料 囱土壤 臼植物和动物废弃物燃料 豳雷 日平流层 口自然发生源 固工业发! t 源 圈1 一l 一1 氮氧化物的排放量和发生源 一j - ，- ，一，t 一 咐谢蠡慨施m 积 1 9 5 01 9 6 0 1 9 7 0 1 9 8 0 9 9 02 0 0 0 图1 1 - 2 世界化石燃料燃烧排放的氢氧化物 我国作为世界能源利用大国之一，随着市场经济的不断深入和发展。工业化的程度不断 提高。化石燃料的消耗是非常巨大的，随之而来的是严重的环境污染问题。我国能源资源并 非十分丰富，人均能源占有量仅为世界人均资源量的l 2 ，是美国人均资源占有量的1 1 1 0 。在 2 同济大学博士学位论文第一章绪论 我国能源结构中，煤炭占了主要地位，从1 9 8 0 年以来煤炭在能源消耗总量中一直在7 5 以上， 石油和天然气分别约占2 0 和5o a 。因此煤炭是我国主要利用的能源。而煤炭消耗过大引起 的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放问题亦日趋严峻，再加上我国对这方面的研究起步较 晚，技术还不能达到世界顶级水平，这就决定了我国煤炭燃烧产生的二氧化硫和氮氧化物的 排放量较高：上世纪末我国二氧化硫的排放量占亚洲二氧化硫总排放量的6 9 ，而氮氧化物 则占亚洲氮氧化物总排放量的4 9 【l 】，这意味着我国对于酸性气体排放的控制和研究面临着 严峻的考验。随着环保意识的增加，政府和人们重视程度的提高，对于环境治理和保护的投 入也不断提高研究亦不断深化。近十多年来我国环境保护和治理工作己取得了不小的进展。 煤燃烧过程中释放大量的有害物质，火力电厂每吨煤炭排放的各种污染物数量见表 i - i i ，可见火力发电是n o x 的主要发生源。随着我国电力行业的发展，尽管大容量机组在 总装机容量中的比例不断增加，发电煤耗也不断下降以及单位发电量n o x 的排放也在逐年减 少，但是由于发电量的迅速发展，2 0 0 0 年燃煤发电厂n o x 排放为2 9 0 万吨，预计2 0 1 0 年加 ， 上汽车等燃油产生的n o x ，我国的n o x 总排放量可能超过1 0 0 0 万吨。所以，研究n o x 的生 成机理、探索控制n o x 排放量的途径和方法，用以降低火力发电厂的n o x 排放，对于我国 的环境保护和国民经济的发展是十分重要的。 表卜1 一i 每吨煤炭燃烧各种污染物排放量k g t i 污染物二氧化碳碳氢化合物 氮氧化物二氧化硫灰渣烟尘 l i 数量 0 3 50 0 9 l9 0 8 1 6 7 2 s 1 0 0 0 a c 1 0 0 0 a ( i - c ) i 注：s 为含硫率，a 为含灰率c 为除尘率 1 2 低氮氧化物燃烧技术的发展 低氮氧化物燃烧技术可分成燃烧前、燃烧中和燃烧后处理三大技术。燃烧前脱氮主要足 把燃料转化成低氮燃料。燃烧中脱氮主要是指改变炉内燃烧条件以减少n o x 生成的方法，燃 烧后脱氮主要是指烟气脱销技术等。其中炉内降低n o x 的措施包括低n o x 燃烧器( l n b ) 法、 选择性催化还原( s c r ) 法、非催化选择性还原( s n c r ) 法、空气分级燃烧法、燃料分级燃烧法 等。这些措施可以单独使用也可以与燃烧后的选择催化还原( 简称s c r ) 一、非催化还原 ( 简称s n c r ) 【塌、烟气脱销等技术结合使用以降低整体成本。 3 同济火学博学位论文第一窜绪论 1 2 1 低n o x 燃烧过程的研究 关于氮氧化物的研究。最早开始于二次世界大战结束之后，而对于燃烧过程n o x 的研究 及其技术的应用，则开始于上世纪五十年代中后期。首先是c e 公司和s c e 公司开始对n o x 的排放进行测试，在此后的一段时间内n o x 的研究主要集中在内燃机n o x 的预测和控制上， c e 公司已经可以通过装设燃尽装置分级燃烧或烟气再循环的方法实现低n o x 燃烧。到了六 十年代后期s c e 公司在燃烧器的设计中应用了分级燃烧技术，并在燃烧器上方加入火上风 ( o e a ) 来实现分级燃烧。七十年代早期研究人员通过大量的模型实验米研究燃烧器参数对 n o x 排放的影响。主要包括燃料入射的方式、燃烧空气的漩流数、燃烧空气的速度、燃烧器 喷口的缩放角度、燃烧器出口缩放的类型以及携带煤粉的一次风总量等。1 9 7 3 年。再燃聆1 概 念引入剑n o x 的研究中，w e n d t 等人通过加入二次燃料米降低n o x ，当他们使用甲烷作为二 次燃料时，实验表明：在火焰后侧加入二次燃料，当过量空气系数为0 9 时，再燃区域的n o x 生成量可以降低5 0 ；随后又采用气体燃料中掺混n h 3 作为二次燃料，结果亦表明：再燃燃 烧方式对二j ：降低n o x 效果足非常明姓的。1 9 7 8 年p e r s h i n g 和w e n d t 测定了在燃烧奖围婚部 煳煤时排放的n o x 中热力型n o x 、擢发分n o x 和焦炭n o x 的比例，结果表明：总n o x 中 仪有2 0 是热力型n o x ，燃料型n o x = i 三要来自予挥发分n o x ，且挥发分n o x 主耍依赖于当 地的化学当量比，而焦炭氮的氧化与氧气浓度或燃烧器结构关系并不是很密切。这段时间n o x 技术的发展主要集中在通过改善燃烧来l 洚低n o x 排放。有实验还表明通过控制空气与燃料的 比例和火焰温度，延迟在近燃烧器区域内燃料与空气的混合，这些措施都对降低热力型n o x 的排放是非常有效的。对燃料型n o x 的影响并不大；此外，通过使用烟气再循环( f g r ) 1 6 l 和火上风( o f a ) 7 1 技术对降低n o x 的排放也是很有效的。随后，低n o x 燃烧器中的双调 风燃烧器开始在壁燃炉中使用、o f a 技术也应用到切向燃烧锅炉中。实测结粜表明改进的双 调风燃烧器能使n o x 排放降低5 0 ，而火上风技术在o f a 量为总空气量的2 0 时，可以降 低2 5 的n o x 排放。在以上技术发展的同时，烟气脱硝技术也在不断发展：七十年代中期 出现了无催化剂还原法( s n c r ) 和催化还原法( s c r ) 【2 。s n c r 技术是在合适的温度范 围内向燃烧区域喷入含氮的化学物质( 如：氨水、尿素或者三聚氰酸) ，每种物质在自己适合 的温度范围内可以与n o 反应生成氮气和水。当喷射温度过高时，这些物质就会生成n o x 。 l y o n 和l o n g w e l 在实验室研究了温度对n i - 1 3 一n o x 反应的影响。当n n o x = 1 7 时，温度在 1 6 5 0 - 1 8 0 0 。f 范围内，s n c r 脱硝率可达到9 0 。相同的结果也在使厢尿素作为还原剂时得 到，只是温度区问相对使用氨水高出1 0 0 。f 。目西，s c r 技术已欲腥成热，此订法在美国口1 4 同济大学博士学位论文 第一章绪论 得到广泛使用：主要采用喷入氨、c o 或碳氢化合物的s c r 方法。最近又发展使用碳直接来 还原的方法 7 1 ，此方法的原理是碳还原n o x 使之转换为n 2 。但由于c 与o 有很强的结合力。 因此怎样使c 与n o x 的结合力大于与0 的结合力足此方法成败的关键，这也成了人们研究 的重点。又有研究表明，金属镍嗍比其它金属更能满足这一要求，并且钾镍合金、镍铜合金 也具有此催化作用。研究还表明，当温度在2 5 0 c 时，使用这两种合金均能降低c o 和n 2 0 的生成量，且效果比使用金属镍的要好。目前，又出现一种新型的s c r 技术，它是在s 0 2 洗涤器前，向气流中直接加入臭氧嘲。由于臭氧具有很强的氧化性，故其可以把n o 和n 0 2 氧化成n 2 晚，用水吸收则变成硝酸，硝酸可以和碱性洗涤液反应掉。在石灰石和石灰洗涤器 中，反应产物为硝酸钙。此方法可使n o x 排放量降低9 8 以上。而瑞典主要采用的低氮氧化 物燃烧技术是：旋转对冲燃烧空气7 1 方法( 简称r o f a ) 和旋转混合方法m ( 简称r o t a m i x ) ， 或者把这两个技术结合起来使用，并且已证明，当同时采用这两种技术时，可以降低n 0 x 排 放量的7 5 ；若再增加一个s c r 技术，剩余的n o x 还可再降低5 0 。三者联合起来，则可 以同时降低n o x 、c o ，加强未燃碳的燃烧并提高锅炉效率。 1 2 2n o x 生成和控制机理的研究 8 0 年代，n o x 的研究和应用进入一个比较缓慢的阶段，各国学者的研究内容主要集巾在 n o x 的生成和控制机理上，而应用技术主要转向对n o x 的固定排放源进行控制同时人们 t | 一 开始研究并开发低n o x 燃烧器。为了更好的理解燃料氮的转化过程，p a r t r i d g e 和【丑u r e n d e a u 【刃 通过研究扁平火焰燃烧器，总结出来包括5 8 个反应的动力反应机理，其中包括了n o 、n 2 0 、 h c n 、n h 3 和n 2 等组分的生成和控制的动力反应关系式，在过量空气系数为0 6 、1 0 和1 4 时，计算值和实测值是一致的。不同煤种的n o x 排放特性和不同燃烧器对n o x 擗放的影响 也是研究的重点所在。人们发现，燃料种类和热力燃烧环境对n o x 排放有很大的影响；研究 还发现煤粉的粒度变化也会影响n o x 的排放，并且当煤粉研磨的粒径比较小时，n o x 排放 是较低的。到了8 0 年代中期b r i g h a my o u n g 大学研究人员提出一个煤粉燃烧器n o x 排放预 测模型，其中包括了湍流的影响。这个模型能够预测过量空气系数、粒子尺寸和水分的变化 对n o x 排放的影响，这是综合动力学和燃烧特性的燃烧模型的开始。 9 0 年代研究集中在对煤粉燃烧火焰中n o x 排放的预测，开始利用神经网络来分析n o x 排放，这个神经网络的数据库是针对9 个切向燃烧锅炉进行的6 9 种测试的基础上建立的，利 用此神经网络估算的n o x 排放与实测数据之问的误差在5 0 p p m ，与最有效的回归方程之闯 5 同济大学博士学亿论文 第一章绪论 的误差在士1 7 5 p p = 。同时c h u n g 1 0 等人在研究实际火焰中提出了一个结合物理和化学两方面 重要因索的模拟模型，这个模型中包括了改进煤中燃料氮的转化子模型，这个子模型对燃料 型n 0 x 形成过程中的燃料氮和挥发分的影响给予了合理的预测。 1 2 3 设备改造实现低n o x 燃烧 从设备改造方面做得较好为r i m 公司的分级低n o x 技术。此技术涉及到重新设计并改 造已有燃烧器以平衡各台燃烧器间的二次风和烟气。烟气的平衡可以保证最小需氧量，安装 在燃烧器j 二的火焰稳定器可以帮助稳定燃烧过程和低过量氧气。另外还可以安装n o x 防回火 系统。这种系统向高n o x 区喷水雾，n o x 回火系统可以使n o x 排放量降低3 0 。采用r i m 公司的分层低n o x 技术，h o u y 电厂的一台炉子使n o x 排量降低5 2 ，再安装n o x 回火系 统。又使n o x 排量降低2 5 ，即总降低6 4 。 1 2 4s ( h 对n o x 影响的研究 另外，很多学者已就炉内s 0 2 对n o x 的影响开始了研究 1 l , l 五1 3 1 ，因此炉内s o 棚n o x 联合 脱除技术的发展也很迅速。主要有：改进的石灰石( 石灰) 一石膏法【1 4 ，1 5 】、再生式脱除s o d n o x 法14 - 1 5 l 、t i n o x n o xs o r t ) 法n 6 1 、半胱氨酸合铁i i 溶液吸收还原法脱除烟气中 s o z n o x + j ：j - ：z t 忉、s 0 2 氧化结合选择性催p a 还f 9 , ( s c r ) n o x 的一体化方法、电予束法t 1 5 1 、 脉冲电聚等离子体脱硫脱氮技术蝎，1 9 1 、活化粉煤灰吸收剂管道喷射脱硫脱氮技术2 以及烟道 气循环法( f g r ) 6 1 等。 1 3 旋流燃烧器发展现状 1 3 1 旋流燃烧器2 l 】 旋流燃烧器的出口气流是旋转射流，这是通过各种型式的旋流发生器实现的。气流在喷 入燃烧室前作旋转运动，由于离心力的作用，在离开燃烧器时，不仅具有轴向速度，还具有 切向速度，形成旋转射流。 一般地，按结构形式不同，旋流燃烧器分为蜗壳式、轴向叶片式、切向叶片式三大类： 按二次风的供鼹方式以及一次风煤粉混合物浓度的不同，旋流燃烧器分为普通型、分级燃 烧型和浓缩型三类( 见下表1 3 1 ) 。 6 同济大学博士学位论文 第一章绪论 所有这些早期的旋流燃烧器组织燃烧的思路基本上是一致的：利用二次风包裹一次风强 烈旋转，在喷口外形成高温、富氧、强湍动的着火优势区域。这不但强化了着火。也因为强 烈的燃烧和混合提高了燃烧速度从而间接地强化了燃尽。但这种燃烧方式却有利予n o x 的生 成，其排放量均在9 5 0 m g m 3 以上。自1 9 7 2 年美国b & w 公n t t ：发出了双调风旋流煤粉燃烧 器( d r b ) 以来。旋流燃烧器开始进入了新型低n o x 燃烧器阶段。 表1 - 3 i 燃烧器分类 类型燃烧器特征例子 二次风通过燃烧器集中送入炉内。 普通型 蜗壳式、轴向叶片式、切向叶片式 一次风和煤粉没有经过浓缩 二次风通过燃烧器分为两级或以上送入炉 分级燃烧型双通道外混式、双调风燃烧器、s m 型 内，一次风和煤粉没有经过浓缩 一次风和煤粉经过浓缩后进入炉膛，以改善 浓缩型p a x 型、w r 型、径向浓淡旋流燃烧器 者火及稳燃 与直流燃烧器相比，旋流燃烧器具有以下特点： 1 由于旋流燃烧气流具有旋转运动，因此其卷吸率高、射程短，这一方面减少了火焰的 碰撞，沿炉膛深度方向的热负荷比较均匀，炉膛的结渣和腐蚀较轻。另一方面易形成高温回 流区，燃烧稳定： “ 2 旋流燃烧器的一、二次风的混合早且强烈，这虽然使未燃尽炭的损欠少，但辑j 对于直 流燃烧器，其n o x 的生成量相对较高，可以通过增加燃烧器之问的距离和分级配风米降低 n o x 的生成量。b & w 公司开发的双调风旋流燃烧器以及我国开发的径向浓淡旋流燃烧器降 低n o x 生成量的效果很显著； 3 旋流燃烧器可以采用前后墙布置，因此炉膛出口以及水平烟道内的温差较小。 1 3 2 旋流燃烧器的发展阎 旋流燃烧器的研究开始于本世纪7 0 年代，主要是美国b & w 公司和德国b a b c o c k 公司生 产的低n o x 旋流燃烧器。 1 3 2 1 美国b & w 公司的低n o x 燃烧器 1 ) d r b 第一代低n o x 旋流燃烧器 7 同济大学博士学位论文第一章绪论 1 9 7 2 年b & w 公司开发了第一代低n o x 旋流燃烧器双调风煤粉燃烧器( d r b d u a lr e g i s t e rb u r n e r ) ，1 9 7 4 年该型燃烧器获得美国专利。在这种燃烧器中，一次风 管的外围设置了两个分别控制内外二次风的调风器。内调风器由可调轴向叶片组成，其作用 是促进点火和稳定火焰：外调风器由可调切向叶片组成，其作用是在火焰下游供风以完成燃 烧。旋流外二次风吸引的热烟气回流也能改善火焰的稳定性。有的d r b 的次风管装有文丘 管，有的则装有锥形扩散器，目的是为了使一次风风粉混合物得到良好的分散，以形成一个 核心为富燃料、四周为富氧的稳定火焰，且在核心下游实现完全混合。由于燃烧器的外二次 风有一定的厚度和动量，火焰核心的还原性气氛要穿过二次风是很困难的，因此在满足稳定 高效而清沽燃烧的同时，还能有效地防止炉膛的结渣和高温腐蚀。d r b 燃烧器一般可减少 n o x 排放篮5 0 6 0 。中国华能南通电厂3 5 0 m w 机组就是此种燃烧器，在其满负荷运行时 进行的实i | ! l 结果表明，其n o x 排放量5 鲫最低可达4 4 7 m g m 3 ，一般维持在6 0 0m g ：m 3 左右。 2 ) d r b - x c i 广一第二代低n o x 旋流燃烧器 1 9 8 5 年，b & w 公司开发出第二代低n o x 煤粉燃烧器d r b 一_ x c l ，义称为双调风轴 向托制低n o x 旋流燃烧器( 图1 3 。1 ) 【5 9 1 。这种燃烧器具备以下特点：单只燃烧器能独立地 控制风量，降低n o x 的效采明盟优于d r b 燃烧器，结构更加可靠。一次风风粉混合物经过 位于一次风管中的锥形扩散器后与空气得以分离。在笛通近壁处形成一个商浓度：| 3 i l 粉：吓，而 中问为寓氧的低煤粉浓度区。一次风喷口端部装有一个齿性稳燃环，其作用是增加出口处高 浓度煤粉环的局部湍流强度以加速传热、着火和挥发分析出，从而形成高温富燃料挥发分析 出区。这就使得煤粉尽可能多地以挥发分的形式燃烧，同时使绝大部分燃料氮在燃烧过程的 早期得以释放出来，只有少量的燃料氮仍残留在焦炭中。由于在内外二次风的出口处都装有 扩口，阻止了二次风过早地与火焰核心混合。限制了火焰核心的氧浓度，因而燃烧初期的n o x 8 傩形 高温媲描捧发势析出垦 连屏匡 玎d z = 坼匡毒 氧化区 图1 - 3 - 1d r b - - x c l 燃烧器 同济大学博士学位论文 第一章绪论 生成量得以降低。同时，由于= 次风的混入受到限制，挥发分部分氧化后会生成还原性物质，1 这就形成了还原区，进而还原已生成的n o x 。此燃烧器的内调风器由可调轴向