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燃氣鍋爐低氮改造技術及應用

作者:admin    來源:未知    發布時間:2018-08-22 08:49    瀏覽量:

  自 2015 年以來,北京等重度污染城市和地區,加速實施在用燃氣鍋爐低氮改造工程。更換低 NOx 德赢国际是最直接有效的方案。采用煙氣再循環燃燒方式和全預混表面燃燒等措施也是降低鍋爐煙氣 NOx 排放的有效方法。本文分析了鍋爐污染物排放中 NOx 的形成機理及減排技術措施,通過實際案例闡明大量在用鍋爐進行低氮改造的有效途徑。

一、鍋爐氮氧化物的產生

  NOx 是燃氣鍋爐煙氣排放中的主要有害物質, 是形成酸雨等污染環境的關鍵因素之一。在鍋爐燃燒過程中,NOx    生成的主要來源有三個方面。

  1)熱力型 NOx,是空氣中的氮在高溫 (1 300 ~ 1 500℃)下分解氧化產生的,影響因素如下:a)火焰溫度:隨燃燒溫度升高,產生的氮氧化物迅速增加,溫度在 1 500℃以上時,氮氧化物的生成將成倍增加;b)氧氣濃度:燃燒過程中,可燃混合氣體中氧氣的濃度越高,NOx    的生成量就越大;c)燃燒停留時間:停留時間越長,NOx  的生成量就越大。

  2)快速型 NOx,是由于燃料揮發物中碳氫化合物高溫分解生成的 CH 自由基和空氣中氮氣反應生成 HCN 和 N, 再進一步氧化,以極快的速度生成 NOx,所以稱為快速型 NOx。與熱力型和燃料型 NOx 的生成量相比,快速型 NOx 的生成量占比不足 5%,在溫度低于 1 300℃時,幾乎沒有快速型NOx,因此快速型 NOx 不是我們關注的重點。

  3)燃料型 NOx:是燃料中含氮化合物在燃燒過程中氧化生成的,稱為燃料型 NOx。燃料中氮化合物的氮以原子狀態存在,其結合鍵的能量較小,因此這些氮在燃燒過程中就容易分解出來生成 NOx。

  天燃氣中基本不含固定氮,燃氣鍋爐實施低氮改造中的絕大部分都是以天然氣為燃料,所以燃料型 NOx 也可忽略不計。圖 1 為鍋爐燃燒產生的 NOx 及其組分示意圖。

圖1 鍋爐燃燒NOx來源及組分

  綜上所述,我們在進行鍋爐低氮改造過程中, 主要是控制熱力型 NOx 的產生,以達到降低煙氣中 NOx 排放的目的。

二、鍋爐低氮燃燒技術

  熱力型NOx 是鍋爐氮氧化物排放的主要來源, 高溫燃燒火焰是產生 NOx 的關鍵因素 , 要減少熱力型 NOx 的生成 , 燃燒設備應采取兩方面技術方法:第一,降低火焰的最高溫度,減小火焰高溫區域的范圍;第二,充分利用燃燒室空間,均勻分布火焰形態。為此,燃燒設備的結構設計和控制技術可采取下述具體措施:
  1、空氣分級燃燒燃料和空氣在理論當量比條件下的預混燃燒, 速度快,溫度高。將燃料燃燒所需的空氣分階段與燃料混合燃燒,降低燃燒強度和火焰溫度,而且在還原性氣氛中更有利于降低 NOx 的產生。過量空氣系數約為 0.8 的一次空氣,對 NOx 的產生有明顯的抑制作用,剩余的二次空氣與“貧氧燃燒” 條件下所產生的煙氣混合,實現燃料的完全燃燒。

  空氣分級燃燒,既可抑制 NOx 的產生,同時可使燃料在總的過量空氣系數較低的情況下完全燃燒,避免過量空氣系數偏高增加排煙熱損失。但另一方面,由于燃料與空氣的混合及流動方式不佳,造成局部積炭等不完全燃燒的現象,需合理的產品結構設計。

  2、燃料分級燃燒將燃氣從不同的區域噴入燃燒室,使全部燃料分階段分區域進行燃燒。一級燃燒一般是 α >1 的富氧燃燒,會產生一定的 NO。二級燃燒區在α < 1 的條件下形成很強的還原性氣氛,使得在一級燃燒區中生成的 NO 在二級燃燒區 ( 再燃區 ) 內被還原成 N2, 降低 NOx 的排放濃度。

  燃料分級燃燒的另一好處是,在有效控制火焰形態的情況下,根據燃燒室的形狀,將燃料分散布置,充分利用燃燒室的空間,降低火焰的集中度,進一步減少 NOx 的生成。圖 2 為一種燃料分級燃燒效果圖。

圖2 多噴嘴燃料分級燃燒效果圖

  3、煙氣再循環主要指將占理論空氣量約 15% ~ 25% 的排放煙氣循環回到助燃空氣中,使得助燃空氣中的氧氣濃度低于 21%,且含有一定量 CO2。這樣會降低燃氣的燃燒反應速率,從而使燃氣的燃燒時間延長,減少了單位空間和時間內釋放的熱量。同時煙氣再循環將使燃燒室中的煙氣量有所增加, 火焰的平均溫度也有所降低。這些都有利于抑制熱力型 NOx 的生成。圖 3 為鍋爐德赢国际煙氣再循環原理示意圖。

圖3 鍋爐燃燒煙氣再循環示意圖

  4、全預混表面燃燒對于小型燃氣鍋爐,全預混表面燃燒是控制NOx 排放的最有效辦法。一是由于表面燃燒的火焰沿著金屬纖維的表面均勻分布,溫度場分布均勻,如果表面積較大,則單位面積熱負荷較小。二是金屬纖維表面燃燒的 α 一般約為 1.5,較大的過量空氣使得火焰溫度低。這種燃燒方式的NOx 排放完全可以控制在30 mg/m3 以下甚至更低。

  但它的缺點也非常明顯,排煙熱損失大,特殊的金屬纖維燃燒頭易堵塞,清理維護的工作量較大。圖 4 為全預混表面燃燒效果示意圖。

圖4全預混表面燃燒效果圖

  工程實踐中,各種技術措施都有其適用條件和不同的效果。對具體項目,需根據鍋爐具體技術參數、結構形式及燃氣種類,綜合使用上述技術措施,才能達到預期的效果。

  1)對于細長型爐膛,德赢国际喉口較小,燃料分級的空間不大,宜采用空氣分級和煙氣內循環;
  2)對于爐膛直徑和德赢国际喉口較大的情況,便于采取燃料分級和空氣分級;
  3)煙氣循環對降低 NOx 具有普遍性適用性, 用于大中型鍋爐的效果更佳,被廣泛認可和采用;
  4)金屬纖維表面燃燒技術,對控制 NOx 的效果很好,但不宜用于 10 t/h 以上鍋爐。

三、鍋爐低氮改造技術應用

  2015 年之前,我國對大氣污染物尤其是氮氧化物的排放標準要求不高,目前在用的燃油、燃氣鍋爐,氮氧化物排放大多在 150 ~ 200 mg/m3 之間,不符合新的環保排放標準要求,大量在用的燃油燃氣鍋爐急需進行低氮改造。改造主要是針對德赢国际及相關輔助設備,解決方案主要有二種:整體更換新型德赢手机版;對現有德赢国际進行改造。

  由于各地經濟發展和環保現狀的差異,投入改造資金的能力不同,應因地制宜,采取既能滿足標準要求又具有現實可行性的方案,取得滿意的社會效益。

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