國內(nèi)強化燃燒、低NOx直流生物質(zhì)燃燒機的發(fā)展
摘要：我國NO。的排放以燃煤電站鍋爐為主，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低NOx生物質(zhì)燃燒機很有必要。主要介紹了國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低NO。燃燒技術(shù)的基本原理。同時，對幾種低NOx燃燒技術(shù)在電站鍋爐中的應(yīng)用作了簡要介紹。并對低NO。燃燒技術(shù)的應(yīng)用前景作了展望。
目前，環(huán)境污染和能源利用問題在世界范圍內(nèi)已經(jīng)嚴重威脅到人類的生存和發(fā)展，發(fā)電機組燃燒產(chǎn)物中污染物對生態(tài)環(huán)境的污染日益受到人們的密切關(guān)注，降低燃燒裝置污染物的排放量已成為燃燒技術(shù)研究的一項重要任務(wù)。我國煤炭儲量十分豐富，開采量也占有機燃料的首位，目前我國絕大多數(shù)火電廠都以動力煤作為燃料。
隨著火力發(fā)電機組裝機容量迅速增加，其排放的污染物特別是NOx的排放量隨之迅速增加。我國電站鍋爐NOx的排放水平為350~800×10“，NOx的排放普遍超標。多年來的研究表明，燃料在燃燒過程中生成的NOx由于生成路徑和發(fā)生源不同分為三種：熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx。對于燃煤電廠，燃料型NOx是其主要的NOx發(fā)生源。NOx已經(jīng)嚴重威脅人類賴以生存的環(huán)境和人類自身的健康：一方面，NOx是形成酸雨的主要因素之一；另一方面，NOx可以形成光化學(xué)煙霧破壞大氣環(huán)境。因此，降低NOx排放、提高煤炭的利用率對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著重要的意義圈。
燃煤電廠降低NO。排放的方法大致可分為低NOx燃燒技術(shù)和煙氣NOx凈化技術(shù)。但姻氣凈化技術(shù)配套設(shè)備價格昂貴，占電站總投資的20%左右，而且其運行費用也很高圄，制約了其發(fā)展。而低NO。燃燒技術(shù)因具有投資和運行費用低、技術(shù)成熟、減排效果明顯等優(yōu)點，已得到了廣泛的應(yīng)用。
隨著環(huán)保要求的提高，我國對低NOx燃燒技術(shù)的研究不斷深入，近幾年來，通過廠、校間的廣泛合作，取得了理想的成果，并在大型燃煤發(fā)電機組上得到了應(yīng)用聞。本文總結(jié)了多種國內(nèi)具2華北電力技術(shù) NORTH CHINA ELECTRIC POWER有自主知識產(chǎn)權(quán)和工程業(yè)績的低NOx燃燒技術(shù)，以增強對低NOx燃燒技術(shù)降低NOx排放機理的認識。
1 雙通道通用生物質(zhì)主生物質(zhì)燃燒機B -81
1.1基本原理
清華大學(xué)是國內(nèi)早研究生物質(zhì)燃燒機的單位之一，圖1為清華大學(xué)發(fā)明的大速差射流生物質(zhì)燃燒機，具有獨特的構(gòu)思和優(yōu)異的燃燒性能。大速差射流生物質(zhì)燃燒機，顧名思義，就是利用速差很大的射流與受限空間組合成的生物質(zhì)燃燒機。其中一次風作為低速射流，并使用具有一定壓力的蒸汽或空氣作為高速射流，由高、低速氣體相互作用而形成回流區(qū)，利用回流區(qū)卷吸大量熱煙氣以穩(wěn)定生物質(zhì)燃燒。但在使用過程中發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)燃燒機上部有局部結(jié)焦現(xiàn)象，因此它只能作輔助生物質(zhì)燃燒機用于鍋爐點火或峰值時使用。為此，清華大學(xué)在此基礎(chǔ)上又研制了雙一次風通道生物質(zhì)主生物質(zhì)燃燒機，并獲得發(fā)明專利。雙通道通用生物質(zhì)主生物質(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要原理如下：
d)該生物質(zhì)燃燒機與傳統(tǒng)的生物質(zhì)燃燒機不同，它有兩個一次風通道，即在同一個生物質(zhì)燃燒機的上下側(cè)各開一個一次風口，這樣可以保護一次風口，增強燃燒器的燃燒穩(wěn)定性。
Q)兩股一次風以貼壁射流形式進入一個突擴生物質(zhì)燃燒機，產(chǎn)生大量高溫回流煙氣，高溫回流煙氣使一次風粉的燃燒穩(wěn)定性大犬增強，因此，該生物質(zhì)燃燒機可以適用燃燒大部分煤種。
(3)生物質(zhì)著火點的位置可以由腰部風控制，它給低負荷穩(wěn)燃及適應(yīng)煤質(zhì)多變的工況提供了調(diào)節(jié)手段。
半）在下一次風口兩側(cè)各裝一個高速蒸汽射流管，可以根據(jù)不同煤種對著火的不同要求，通過改變高速射流蒸汽的壓力來改變高溫煙氣的回流量，因此對煤種的適應(yīng)性很強。對于極難燃煤種來說高速蒸汽可以大大改善其燃燒穩(wěn)定性。
1.2應(yīng)用情況
1991年8月，該生物質(zhì)燃燒機首先在亮子河電廠220 t/h爐上使用，經(jīng)過1年多運行表明，通過控制腰部風和高速射流流量的大小，可成功控制生物質(zhì)的著火點。改造后鍋爐可實現(xiàn)50% N的脫油調(diào)峰，經(jīng)濟效益顯著。1991年11月，該燃燒器又在富拉爾基發(fā)電總廠670 t/h爐上使用，改造后鍋爐效率提高3.2%，NOx排放量降低17%。之后，該生物質(zhì)燃燒機已被哈爾濱鍋爐廠成功應(yīng)用于410 t/h、670 t/h、1 025 t/h鍋爐上，運行結(jié)果表明，一般均實現(xiàn)了50%左右的無伴油調(diào)峰，鍋爐效率有所提高，NOx排放量降低，經(jīng)濟、社會效盞巨大。
2 可調(diào)生物質(zhì)濃淡低NOx燃燒及低負荷穩(wěn)燃技術(shù)一
浙江大學(xué)熱能工程研究所對燃煤過程中NOx控制開展了大量理論和試驗研究，結(jié)合我國實際情況形成了一套有中國特色的低NOx控制技術(shù)。浙大低NOx控制技術(shù)以爐內(nèi)控制NOx為主，結(jié)合低NO。生物質(zhì)燃燒機、燃料再燃燒技術(shù)、空氣分級燃燒技術(shù)、燃燒優(yōu)化自動控制技術(shù)，針對不同參數(shù)下的技術(shù)應(yīng)用進行了地優(yōu)化整合和改進，研制和開發(fā)了可調(diào)生物質(zhì)濃淡低NOx燃燒及低負荷穩(wěn)燃技術(shù)，并在2004年獲國家科技進步二等獎。
2.1基本原理
可調(diào)生物質(zhì)濃淡低NO。生物質(zhì)燃燒機主要通過生物質(zhì)濃淡分離來實現(xiàn)低NOx燃燒，采用濃淡燃燒技術(shù)，可在生物質(zhì)燃燒機出口局部形成富燃料區(qū)域，抑制NOx的生成。該低NOx生物質(zhì)燃燒機的具體結(jié)構(gòu)
d)該濃淡分離器是利用扇形擋塊對生物質(zhì)華北電力技術(shù)顆粒的慣性導(dǎo)向作用，實現(xiàn)生物質(zhì)氣流的濃縮和分流，達到生物質(zhì)濃淡分離的作用。并且濃淡比連續(xù)可調(diào)，當濃淡比改變時，可以顯著地改變生物質(zhì)著火距離，起到了低負荷時強化著火和燃燒的作用。
Q)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)風大小可以控制鈍體后回流區(qū)的大小，從而改變著火距離，達到保護噴口的的，同時，爐內(nèi)溫度水平降低不大，未影響爐內(nèi)的燃燒。
()分離器將大部分生物質(zhì)分離到濃側(cè)，實現(xiàn)燃燒前期的氧量控制，使得揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)化為氮氣，從而降低揮發(fā)分NOx的生成。
6)低NOx生物質(zhì)燃燒機配合燃料再燃燒技術(shù)、空氣分級燃燒技術(shù)、燃燒優(yōu)化自動控制技術(shù)在保證生物質(zhì)燃燼的同時，有效地降低了NOx的排放。
2.2應(yīng)用情況
目前該技術(shù)已在上海、浙江、北京等全國各地70余臺65 t/h~ 670 t/h不同容量的鍋爐中得到應(yīng)用。鶴壁萬和電廠于1997年將原有生物質(zhì)燃燒機改為濃淡生物質(zhì)燃燒機后，負荷在50%及以上運行時燃燒穩(wěn)定，爐內(nèi)火焰不刷墻，烘燒器區(qū)域基本不結(jié)焦，飛灰和爐渣可燃物含量也沒有增加，煤種適應(yīng)性增強，同時NOx排放量也有較大幅度地減少嘲。馬頭發(fā)電總廠7號爐于1997年對鍋爐下兩層一次風生物質(zhì)燃燒機進行了改造，改造后鍋爐運行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和低負荷穩(wěn)燃能力都有了較大幅度的提高‘塒。巨化熱電廠于1999年對生物質(zhì)燃燒機進行了改造，運行以來，未發(fā)生過一次噴嘴燒損問題。由于爐膛溫度水平提高，也較少發(fā)生因煤質(zhì)或燃燒問題而發(fā)生的事故‘111。表1總結(jié)了該生物質(zhì)燃燒機的應(yīng)用效果。
3“風包粉”系列濃淡生物質(zhì)燃燒技術(shù)口2
“風包粉”系列濃淡生物質(zhì)燃燒技術(shù)是哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對國內(nèi)電力工業(yè)對生物質(zhì)燃燒的需要，明的一套適用于不同爐型、不同煤種的，同時具有、穩(wěn)燃、低污染、防結(jié)渣、防高溫腐蝕性能的系列生物質(zhì)燃燒技術(shù)。濃淡燃燒的基本思想是一次風分成濃淡兩股，利用濃側(cè)生物質(zhì)氣流著火好的特點來提高爐膛穩(wěn)燃性能；濃淡兩股氣流偏離各自燃燒的化學(xué)當量比，抑制了NOx的生成。
3.1 水平濃縮生物質(zhì)燃燒技術(shù)
采用“風包粉”濃淡燃燒技術(shù)是利用濃淡燃燒形成分級燃燒技術(shù)。濃生物質(zhì)氣流是富燃料氣流，含氧量低，造成揮發(fā)分析出區(qū)域缺氧，抑制了該區(qū)域燃料型NO。酌生成。淡生物質(zhì)氣流燃燒區(qū)域由于空氣量較大，使得燃燒溫度較低，抑制了熱力型NO。的生成。 “風包粉”系列生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒機包括水平濃縮生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒機、水平濃淡風生物質(zhì)燃燒器、徑向濃淡旋流生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒機、不等切圓墻式布置直流生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒機幾類。其中，百葉窗式水平濃淡生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒機應(yīng)用為廣泛。
百葉窗式水平濃淡生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒機具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，一次風經(jīng)過安裝在生物質(zhì)生物質(zhì)燃燒機前的生物質(zhì)濃縮器，把一次風粉在水平方向上分成濃淡兩股，兩股氣流以一定的夾角噴入爐膛內(nèi)。其中一股為濃一次風，該風中含有絕大多數(shù)煤粉，這股氣流位于向火側(cè)，形成內(nèi)切圓。另外一股為淡一次風，該股風中以空氣為主，這股氣流位于背火側(cè)，形成外切圓。淡一次風在背火側(cè)噴入，在水冷壁區(qū)形成氧化性氣氛和較低的溫度，可以防止結(jié)渣，避免高溫腐蝕。
3.2應(yīng)用情況
“風包粉”系列濃淡生物質(zhì)燃燒技術(shù)開發(fā)較早，該系列燃燒技術(shù)雖然具有降低NOx排放的性能，但是早期上述應(yīng)用效果都不是以降低NOx排放含量作為考核目標的。隨著國家對節(jié)能減排的重視，現(xiàn)在的工程應(yīng)用中已開始將NOx排放作為考核指標。該技術(shù)與分級送分技術(shù)結(jié)合，已在國內(nèi)多家電廠得到應(yīng)用。北安發(fā)電廠為解決低負荷穩(wěn)燃能力差、水冷壁掛灰、爐內(nèi)結(jié)焦等問題，采用水平濃淡燃燒技術(shù)對生物質(zhì)燃燒機進行了改造。改造后，不投油穩(wěn)燃負荷在40%~45% ECR，水冷壁結(jié)渣現(xiàn)象有所減輕，NOx排放量大為降低。首陽山電廠為了適應(yīng)煤質(zhì)變化的需要，提高鍋爐的低負荷穩(wěn)燃能力，對該廠1號、2號鍋爐做了生物質(zhì)燃燒機改造。改造后，不投油穩(wěn)燃負荷為40%，避免了爐膛水冷壁和屏式過熱器的結(jié)渣，鍋爐效率為91. 5%，NOx排放量僅為364 mg／mi。安陽電廠2000年的生物質(zhì)燃燒機改造表明，在額定負荷下，排煙的NOx可降低到600 mg／mi，飛灰含碳量可降到2. 0%，有效地減輕了水冷壁管的高溫腐蝕，爐內(nèi)結(jié)焦情況得到了有效的改善，也加大了鍋爐對煤種的適應(yīng)性。表2為該燃燒器的應(yīng)用效果。
4 雙尺度低NO。燃燒技術(shù)口9
雙尺度低NO。燃燒系列技術(shù)是針對傳統(tǒng)技術(shù)在爐內(nèi)燃燒方面的不足之處，于2006年由中國國電集團公司重點扶持推廣。該技術(shù)研發(fā)始于80年代中期，先后經(jīng)歷了五個階段。其中每個階段都是雙尺度燃燒發(fā)展的重要組成部分，該技術(shù)是從解決真型爐的實際問題出發(fā)，多年逐步深入完善總結(jié)而成，實踐證明雙尺度燃燒技術(shù)對解決鍋爐存在實際問題更具有針對性。該技術(shù)成果獲省部級科技進步二等獎兩項，專利一項，并在國內(nèi)多臺機組上得到應(yīng)用。
4.1基本原理
雙尺度低NO。燃燒技術(shù)通過爐流組合使在空間尺度上相關(guān)區(qū)域存在特性上的差異化，實現(xiàn)在過程區(qū)域上相關(guān)節(jié)點區(qū)段特性上的差異化，終在爐內(nèi)形成有利于放渣、低NOx、穩(wěn)燃功能的三場特性。該技術(shù)的主要特點是，在爐內(nèi)水平方向上劃分為近壁區(qū)和中心區(qū)兩個區(qū)域；在垂直方向上劃分為兩個燃燒區(qū)段，每個燃燒區(qū)段又分別包含一個氧化區(qū)、一個還原區(qū)和一個燃盡區(qū)，實現(xiàn)分區(qū)燃燒，達到降低NOx生成、防止爐內(nèi)結(jié)渣的目的。
垂直濃淡生物質(zhì)燃燒機是雙尺度低NOx燃燒技術(shù)的重要組成部分，其基本原理如圖5所示。一次風通過生物質(zhì)燃燒機內(nèi)導(dǎo)流板后進行了濃淡分離，形成濃淡兩股生物質(zhì)氖流，由于穩(wěn)燃鈍體是上下兩側(cè)