切向燃煤锅炉新型低氮燃烧器的开发

切向燃煤锅炉新型低氮燃烧器的开发

　1概况10年来芬兰富腾工程公司（以下称“富腾公司”）在燃煤电厂的低氮燃烧器的研发和供货方面十分活跃，包括切向燃烧、前墙燃烧和对墙燃烧锅炉。

　　此外，还提供燃油、燃气锅炉的低氮喷燃器以及用于煤、天然气、油的多燃料喷燃器。最近，富腾公司还与日本BabcockHitachi（以下称“日立公司”）研发一种专门用于褐煤的低氮喷燃器。为富腾公司的喷燃器系列产品，包括了各种类型的低氮燃烧器。

　　前墙喷燃器技术源自日立公司，富腾公司是根据日立公司的许可证供货的。切向燃烧锅炉技术则是以富腾公司自己的研发工作为基础，在日立公司的协作下完成的。

　　2烟煤切向燃烧机组富腾公司开发了一种用于切向燃烧锅炉的新一代低氮燃烧器（RI―ET）并已获得了多个国家的专利。RT-ET（RI为快速着火的缩写）的基本思路是稳定化喷燃器的优点，并使切向燃烧稳定。

　　在喷燃器附近建立1个低于化学计量比的区域通对于常规喷射火焰，要控制NOx和未燃炭的排过单喷嘴实现二级燃烧。这种将主涡流区分级，然放是非常困难的。这是由于着火被延迟（着火点一后与燃尽风（0FA，火上风）混合的单喷嘴分级燃烧技般在喷燃器顶端外的1 ~2m处）以及无法控制一次术对降低NOx排放是非常有效的，同时还兼有旋流燃烧区内燃烧空气混合状况的缘故（见）。

　　切向燃烧锅炉中产生高温火焰的原理RI―ET喷燃器装1个火焰稳定器，用以促使煤粉快速着火，因此有可能在离喷燃器很近的地方形成高温还原区。燃烧空气分成二次风和三次风。

　　二次风有旋流运动，把火焰中的高温燃烧气体带出使其能快速着火；三次风是从一次燃烧区中通过导流筒分出来的，以形成还原火焰。煤粉管中的不均匀分布对NOx水平和未燃炭会产生不利的影响。为避免这种情况，RI―ET喷燃器安装1个文丘里管，煤粉颗粒集中在管的中心。在文丘里管后面，颗粒集中在火焰稳定器附近，通过专门设计的煤粉聚集器可加强着火和火焰稳定性。在着火加强时，即使在低于化学计量比燃烧的工况下飞灰中的残留炭量仍可低于5%见。

　　1996年在日本进行了热功率为23MW的单个喷燃器的试验台试验。试验煤原产地是美国HuterValley燃料率为1.氮含量（干基）为1. 5%煤粉细度为60%<74rtm在试验条件下喷燃器区的化学计量比（SRbnr）在0.8~0.9间变动。使用RI―ET喷嘴，在SRbnr=0.8时，达到的最低NOx排放值为30mg/M（以N2计，下同）。一般来说，在试验台上所达到的NOx值与全尺寸试验的数据是一致的，或者稍高一点。特别是在小炉膛中有可能存在热生成NOx，因此NOx要比在试验台上高。必须指出，在试验台条件下，只可能产生燃料NOx.在使用RI一ET喷燃器时，NOx排放非常低的主要原因是挥发分燃烧区的高温和滞留时间长。

　　2.2切向燃煤锅炉的改造在进行低氮喷嘴的详细设计之前，必须用称为Anlemus的计算机流体动力学模式对锅炉的燃烧性能（温度、2、⑴、NOx、滞留时间、结焦等）进行分析。喷燃器改造之后对锅炉蒸汽参数的影响通过SOL-VO仿真器进行研究。喷燃器的高度和燃尽风（0FA）风口的位置则以上述分析结果为基础来确定。喷燃器的详细设计则由单喷燃器燃烧模式来完成。

　　该电厂属于富腾公司，位于芬兰南部。装有3X315MW机组，采用苏尔寿型锅炉，每台蒸发量为420t/h，汽机由高压缸和低压缸组成（HP18.0MPa，530°C，LP4.2MPa540°C）。喷燃器的改造在3号机组上进行，包括12个带OFA喷嘴的RI―ET低氮燃烧器，原有风箱不变。原有的喷燃器是由CE公司提供的，带有喷燃器倾角功能，而新的RI―ET喷燃器在垂直方向上是固定的。原煤机安装了旋转喷嘴环，用来减少一次风量，磨机没有改进。对电厂的保证值包括NOx排放<170mg/M，飞灰中未燃炭<5%该电厂是捷克最大的燃烟煤电厂，有4台燃料功率为54CMW的锅炉。锅炉为本生锅炉，蒸汽产量切向燃烧系统由4台磨煤机供煤粉。1994年对1号炉进行了喷燃器改造，由于效果显著，其他3台锅炉在1995年~1997年进行了改造。所有锅炉均安装了16个RI―ET喷燃器和OFA风系统。现有的风箱，磨煤机和喷燃器的开孔无需进行改动。在改造中发现磨细后的煤粉细度很差，但由于着火性能得到改善和炉膛尺寸较大可以弥补此缺陷。捷克官方目前要求的NOx排放限值为230mg/M，今后有可能降低到目前中欧国家的共同标准（150mg/M）。富腾公司的保证值为：NOx排放值<150mg/M，飞灰该电厂位于波兰Cracow城，装有4X330MW（420t/h锅炉）机组，同时供热供电。锅炉全部为自然循环汽包炉，由4台磨煤机供煤，切向燃烧。

　　1996年对1号炉进行了改造，由于效果良好，1997年对2号炉进行改造。每台炉改造均包括16个RI―ET喷燃器、4个OFA风系统、新喷燃器的开孔及组件（对受压部件作了改造）、烟气再循环、煤粉管道等。改造后的保证值：NOx排放<160mg/M，飞灰中未燃t5%.该电厂位于波兰华沙，共装11台锅炉（燃料功率180~330MW），同时供热和供电。所有锅炉均为自然循环汽包炉，燃煤为典型的波兰煤。1998年夏天，富腾公司对其中2台燃料功率为33CMW（蒸发量为380t/h和430t/h）的锅炉采用RI―ET喷燃器进行改造。每台锅炉均安装了器和4个OFA风系统，改造还包括新的喷燃器开孔，喷燃器组件的受压部分，烟气再循环系统，新的风箱和煤粉管道。保证值为NOx排放< 160mg/M，飞灰中未燃炭<5%最近，Sieldedd电厂将安装1台新锅炉，燃料功率为180MW（230t/h），该锅炉将安装12台RI―ET喷燃器以及4个OFA系统。新锅炉将于2002年投运。

　　Iasi电厂及Iasi电厂及Suceava电厂位于罗马尼亚。这2个电厂所有机组的容量均相同，各有2台锅炉。锅炉燃料功率为330MW（420t/h蒸汽），自然循环型。这些锅炉原来均燃用褐煤，在锅炉和喷燃器改造后燃煤改为次烟煤。富腾公司负责整个锅炉的改造工作，包括新的RI―ET喷燃器（16个）、新的风箱、新的煤粉管和用于次烟煤的磨煤机。为了保证在燃料由褐煤变为次烟煤后蒸汽温度仍能达到设计值，锅炉还安装了烟气再循环系统。同时，对喷燃器的位置也作了改变，因为所要求的NOx排放值较高，为200mg/M，富腾公司的供货中不包括OFA风系统。

　　行了改造。其中3台锅炉已在2000年底成功投运，最后1台将在2001年春季投运。

　　3NOx和未燃炭试验结果在所有的工程项目中，NOx和未燃炭的保证值均能轻松达到，试验的主要结果参见。带二级燃烧的RI―ET喷嘴所能达到的NOx脱除率为70%~80%，主要取决于磨煤机的种类。在Naantali电厂的3号机组上，带二级燃烧的脱氮效率只有50%，这是由于NOx的原始值较低的缘故。在比较各种不同类型的低氮燃烧系统时，脱氮效率不是主要的，重点是最终的NOx排放水平。应该注意，在Iasi和Suceava电厂的改造中没有安装OFA风系统，这是其NOx排放高于其他电厂的原因。

　　未燃炭质量分数/%改造前后的NOx和未燃炭排放在所有改造锅炉中，正常负荷范围内火焰都是稳定的，其稳定性还取决于喷嘴区的过剩空气系数。

　　同时在锅炉最低负荷时，火焰也很稳定，着火点离开燃料喷嘴的距离很近，因此，即使在低负荷下，NOx和未燃炭的保证值仍能满足。由于锅炉在低负荷下运行时火焰十分稳定，因此使用RI―ET喷燃器可以在不依靠油/燃气的情况下降低锅炉的最低负荷。

　　在Naantali电厂未燃炭含量很低，这是由于使用了活性极高的煤（FR=1.5）和具有稳定的高温火焰的缘故，如在Detmaovice电厂中所看到的，火焰稳定技术还弥补了燃煤细度差的问题。

　　表示了Cracow电厂和Siekierki电厂的最低NOx，此最低值是在锅炉带部分负荷（SRbnr =0.9）的条件下得到的。同时也表示了在满负荷时的NOx数值（SRbnr=1.05）。在满负荷运行时，一般不可能达到SRbnr=0.9，这是由于受到送风机容量的限制。

　　也正由于这个原因不可能将喷燃器运行在二次或三次风旋流状态。在锅炉负荷较低时，可达到很低的NOx排放值，最低达70mg/M. 4结焦由于温度很高和火焰的形状变宽，在设计阶段对防止炉膛结焦给予了特别的关注。为了减少结焦，对炉膛的4个角采用2种方法进行改造。首先各个喷燃器之间的距离增加了，这样可以降低喷燃器区的热释放率，从而使喷燃器区的温度得到降低。

　　另外，对炉膛角的几何形状也作了改变，使得火焰不能冲击到炉墙上。在每个案例的设计中都采用了CFD模式（计算机流体动力学模式），以检查炉膛的温度场和煤粉颗粒轨迹。

　　从所有改造项目中得到的最终结论是：墙式燃烧器及切向燃烧器均能使用高温、宽火焰（低氮）环形喷燃器，不存在结焦和腐蚀的危险。

　　5燃褐煤锅炉的高效燃烧方法（NR 5.1切向燃烧系统欧洲一些燃褐煤锅炉采用了切向燃烧系统，其火焰稳定在中心火球部位而不是在每个喷燃器上。一般来说褐煤所含的水分较高（20%~50%），灰分也高。由于含湿量高，燃褐煤锅炉都安装有专门的干燥和粉磨系统。粉磨设备一般采用锤击或风扇式，干燥系统则不采用空气干燥而采用热烟气（800 ~1000°C）与空气的混合物作为加热介质。热烟气占了大部分，仅有少量的空气，因此氧的体积分数偏低，一般只有8%~ 15%，与烟煤燃烧系统相比低了许多。干燥后的褐煤含湿量大约在7%~12%之间，仍然要比烟煤燃烧系统高。携带气体中氧量偏低，以及燃料中湿度偏高，对煤粉的着火有负面影响，从而使燃烧效率下降，NOx排放浓度增加。

　　现有的褐煤锅炉一般都使用非常简单的喷燃器，实际上可以认为不是喷燃器而只是一个煤粉喷入器。也就是说褐煤煤粉的着火离煤喷嘴非常远，一般在中心火球上着火，离喷嘴2~4m.由于携带气体中氧含量很低，着火和火焰稳定性均很差。这就造成锅炉的运行范围很窄，只有60%~100%，而且在低负荷运行时还要使用油或气来保持火焰的稳定性和锅炉的安全运行。

　　5.2新的褐煤燃烧系统曰立公司和富腾公司合作开发了一种全新的褐煤燃烧的概念，并研制了一种新型的利用“高温”概念的新型低氮喷燃器一NR―LE喷燃器（NOxReduction―LoadExtension）。这种新型燃烧系统的基本特点是其具有稳定的火焰，因此可以降低锅炉的负荷。与此同时，由于其低于化学计量比区域非常靠近喷燃器前端，以及在1个单一喷燃器中实现了二级燃烧使得NOx的排放量大为降低。这种在单一喷燃器中用0FA（火上风）风将主旋流进行分级的分级燃烧技术对于降低NOx排放是非常有效的，同时还具有旋流稳定燃烧的优点。

　　为了减少燃烧褐煤电厂的结焦，安装喷燃器的炉膛各个角可以通过上述第4节中介绍的2种方法进行改造；上述的新概念中还包括了0FA风系统。

　　为新燃烧系统的基本原理。

　　5.3用于褐煤的NR-LE喷燃器为了开发新的NR―LE喷燃器和确定新的褐煤锅炉的喷燃器结构，在日本Babcock日立的Kure工厂的试验台架上进行了为期3个月的燃烧试验。为了这些试验专门从捷克运了1Wt典型的东欧褐煤根据上述燃烧试验的结果，NR―LE喷燃器的结构已经确定。为在100%和50%喷燃器负荷条件下的试验火焰。使用NR―LE喷燃器可在很高的喷燃器调节比的条件下保持非常稳定和明亮的火焰。应注意，由于在锅炉降负荷时切除了若干个磨煤机的缘故，这里50%的喷燃器负荷对应低于50%的锅炉负荷（30%~40%锅炉负荷）根据这些试验结果，在使用NR―LE喷燃器和OFA风分级燃烧系统时可达到非常低的NOx排放。

　　最低可达到欧盟国家所要求的70mg/M. NR-LE喷燃器包括用于褐煤粉和氧体积分数为8%~14%的携带气流向燃料管末端的燃流管。在燃料管末端是固定的火焰稳定环，用来帮助快速点火。燃烧空气在NR―LE喷燃器中分成3股：二次风，三次风和辅助风。二次风和三次风通过燃烧空气配风器进入，配风器中装有产生旋流的轴向旋流叶片。辅助风向火焰稳定环和煤粉管中心供风，也装有旋流器。这种新型的褐煤燃烧技术将于2001年夏季在捷克的一台实际运行锅炉上进行示范。

　　6生物燃料和煤粉混烧的PF―DCC工艺在现有的煤粉锅炉上燃烧可再生燃料有几种可选的方法：对锅炉的底部进行改造成为流化床；对可再生燃料进行气化，然后用喷燃器燃烧成品气；将可再生燃料磨细后用煤粉燃烧器燃烧。在上述各种技术中，最后一种方法适用于所有类型的煤粉炉，但是需要有正确的设计和技术决窍，这样在经济上才是可行的。

　　在煤粉炉中直接混烧对电厂会有吸引力，因为这可减少⑴2的排放，同时又可继续用煤作为主要燃料。混烧方式还可以使电厂的效率得到提高。对于富腾公司在烟煤和褐煤锅炉中采用直接混烧的主要原因：（1）要求在现有燃煤电厂中减少⑴2排放的压力；支持生物燃料的指导与措施；能源生产中使用矿物燃料的高税率。（2）生物燃料作为辅助燃料有可能降低SO2和NOx的排放。（3）利用现有煤粉锅炉燃烧生物燃料要比新建一台100%燃用生物燃料的锅炉要便宜得多。（4）直接混烧比其他生物燃料工艺（如气化工艺）要更为便宜和简单。（5）尽可能在能源生产中少用煤将会给人以一种“浅”绿色的形象。

　　富腾公司的混烧概念始于Naantali电厂的3号机组的混烧试验。在Naantali电厂3号机组上的混烧试验的目的是弄清可否用木材加工废料来替代煤而无需增加投资。煤和木材废料在煤场中已经作了混合，混合物通过现有的磨煤机送到炉膛。用这种给料方法，锯木屑的比例变化范围在4%~10%之间。通过Naantali电厂的试验得到的结论是：（1）在煤粉锅炉中混烧相对多的废料，而同时又不影响锅炉和燃烧的性能以及静电除尘器和烟气脱硫系统的性能是可能的。（2）利用现有的磨煤机（同时给煤）向炉膛喷入生物燃料时，受到了磨煤机性能的限制，主要是干燥能力和煤粉细度。当煤和废料同时进料时，只能利用锯末或其他颗粒度很细的废料。

　　PF―DCC煤/生物燃料混烧工艺富腾公司将从Naantali电厂所取得的经验和在程中，该混烧技术已经取得了专利（见）。在该低氮燃烧器方面的知识用到新的混烧技术的开发过（下转第56页）为了能使用其他生物燃料（如森林中的废料、木片）而不仅仅是锯末，以及使用更多量的生物燃料，应该安装生物燃料专用的磨细和给料系统。在大型煤粉炉中，煤与生物燃料混烧的性价比最好的概念是带有简单的压碎系统的生物燃料磨细装置，然后用专用的生物燃料、煤喷燃器进行燃烧。

　　在还原气氛下，反应（5）、（6）向正方向进行，随着过量空气系数a的提高，还原气氛逐渐减弱，反应（5）、（6）受到抑制，CaO的生成量减少，反应（7）也受到抑制。但a提高，2浓度随之提高，使反应（8）得以顺利进行，从而提高脱硫效率。

　　石灰石脱硫剂的影响。采用石灰石作为脱硫剂，在粒径不变的情况下，Ca/S增加使SO2与石灰石的接触面积增大，反应的概率增加，脱硫效率提―定的情况下，采用粒径较小的石灰石，易使S2扩散到脱硫剂核心，反应接触面积加大，使脱硫效果得到提高。

　　床温的影响。流化床温对SO2排放量的影响很大，温度对石灰石反应活性、固体产物分布及孔隙堵塞特性等均有较大的影响，从而影响脱硫剂的利用率。当床温< 800°C时，锻烧反应速率明显下降，石灰石锻烧产生CaO的速度限制了脱硫反应的进行。当床900C时，CaO内部的孔隙结构发生烧结而减缓了CaO与S2的反应速率，导致脱硫效率的降低。因此，在较小的Ca/S下，为达到90%以上的脱硫效率，床温一般应控制在840~900°C范围内。

　　循环倍率对SO2排放的影响。循环倍率越高，脱硫效率也越高，这是由于飞灰再循环延长了石灰石在床内的停留时间，提高了脱硫剂的利用率。在相同脱硫效率时，提高循环倍率，还可降低Ca/S，减少NOx的排放。

　　收穑日期：⑴fr1CH0业教学和科研。

　　（上接第54页）工艺中，生物燃料（例如森林中的废料、碎片，树皮，干净的碎木片和农作物废料）首先要过筛，然后在粉碎机中被粉碎，接着磨细为生物燃料颗粒，最后通过专门的生物燃料、煤喷燃器（RI―BIO）送入到锅炉中去。生物燃料和煤的混合可以有2种方法：（1）被磨细的生物燃料流在接近喷燃器区的地方加入到煤粉流中，这样生物燃料和煤粉在进入炉膛之前就混合了；（2）生物燃料是通过一个专门的中心管加入到炉膛的，这样生物燃料和煤粉颗粒是在火焰中混合的。

　　在每一个不同案例中这2种混合方式的不同结果及其缺点均已用计算机流体动力学（CFD）建模工具（ARDEMUS）进行了评估，因此可以保证达到最佳的燃烧状态。

　　使用这种新的混烧技术有可能用生物燃料取代5%~30%的煤。这种新工艺的第1个示范工程将在最近开始建设。

　　7结语在旋流喷燃器和墙式喷燃器中，通过火焰稳定技术产生的高温还原火焰已大大降低了NOx的排放。现在，按同样的原理也可用在切向燃烧锅炉上，运用该技术再结合火上风系统，有可能大大降低NOx排放，同时又保持飞灰中的低含炭量。在主燃烧区中带有按空气动力学设计的喷燃器有可能达到50%~ 80%的脱氮效率，而且不久即可在实际运行的锅炉上达到50~70mg/M的排放水平。