燃气锅炉燃烧特性及降低氮氧化物生成论文发表技术研究

　　燃气锅炉燃烧特性及降低氮氧化物生成技术研究或探讨

　　李建厚 中石化广元天然气净化有限公司 628415

　　摘要：火电厂是大气污染物的主要排放源之一，随着城市化进程的不断推进，雾霾天气越来越多，与NOx相关的光化学烟雾严重影响着空气质量，控制氮氧化物排放成为当前摆在大家面前的重要课题。本文以600MW、800MW两种锅炉为例，利用数值模拟等方式探究炉内NOx燃烧特性影响规律，以期为大家提供一些帮助。

　　关键词：燃气锅炉燃烧特性；降低；氮氧化物生成技术

　　燃气锅炉在日常生产过程中需要排放大量的大气污染烟尘、NOx及SO2等气体，随着相关标准的颁布与实施，燃气锅炉应如何达到排放标准成为急需解决的问题，特别是其中大氮氧化物其排放标准最为严格，脱硫出口NOx排放浓度不仅小时均值不允许超过200mg/Nm3，瞬间值也不允许超过200 mg/Nm3，为了使该标准得到满足，大部分燃气锅炉均利用炉内降低氮氧化物燃烧与烟气脱硝相结合的技术达到减排目的。下面通过实验研究对其降低氮氧化物生成技术进行优化。

　　1氮氧化物排放现状

　　自从建国以来，我国电力工业发展速度越来越快，到2012年底，我国总装机容量已经达到了11.4676亿千瓦，其中仅火电就占了71.47%的比例。经过多年来的不懈努力，现在对SO2的排放已经得到了有效控制，但是NOx在排放之前的有效控制始终没有得到实现，随着近年来NOx排放量的快速增长，酸雨开始从原来的硫酸型逐步转变为硝酸与硫酸复合型，城市区域中与NOx有关的天气出现越来越频繁。我国从2006年开始对氮氧化物排放量进行统计，相关统计数据表示，2006年当年氮氧化物的排放量是1523.8万吨，2010年为1852.4万吨，2011是2404.3万吨，从这些数据变化情况来看，氮氧化物控制排放的问题当前已经刻不容缓。火力发电、机动车排放等为氮氧化物的主要来源，其中火电厂排放量比较大并且集中，因此成为近年来国家对氮氧化物排放进行控制的主要目标，而其中燃煤火电厂又是主要对象。

　　2燃气炉内燃烧过程数值模拟

　　炉内燃气燃烧过程主要以流动为基础，随着燃气燃烧、传热，炉膛内流动控制方程为

　　本文利用上述方程模型针对600MW机组亚临界控制循环四角切圆锅炉气相湍流数值、800MW机组超临界旋流燃烧器前后墙对冲锅炉气相湍流数值进行模拟。两方程模型中前者形式比较简单，使用非常方便，目前已经在科学、工程领域湍流计算中得到了广泛应用，但是其系数是源自简单湍流的，并不适用于复杂湍流流动。后者假设流体各向同性旋涡粘性建立，实际湍流粘性为各向异性，因此利用该模型的数值计算与实验数据对比可以看出，该模型主要在射流、管流以及自由剪切流等简单湍流流动中比较适用，在强旋流、曲壁边界层及回流等复杂流动中并不适用。后者为湍流粘性增加的新的计算公式，该方程中耗散率增加，利用该模型可以将旋流流动、二次流及流动分离的特征更好的体现出来，该模型主要在旋流燃烧器墙式对冲锅炉中适用。

　　在数值计算过程中，NOx生成计算往往需要利用后处理方式，认为其生成的化学反应过程、参与反应的气象参数等对炉内燃气燃烧带来的影响较小，由于其浓度比较低，燃气燃烧过程中不同组分浓度受到的影响也比较小，这样一来不仅可以满足工程计算要求，同时实际NOx的复杂反应也大大简化。除此外，燃气燃烧过程中生成快速型NOx的量比较小，计算燃烧过程NOx生成中，仅对热力型NOx与燃烧型NOx生成量进行考虑，缺少快速型NOx对整体NOx生成量的影响，以下为热力型NOx生成机理，按照燃烧过程中N2在空气中氧化过程，发生的化学反应。

　　3低氮氧化物燃烧技术

　　锅炉本体及辅机的运行均能满足机组的原有出力，锅炉燃烧稳定，其主要运行参数除部分电厂再热汽温偏低之外，与改造前基本一致，相应辅机如空气预热器、除尘器以及引风机改造后均能满足机组的运行要求，AVC、一次调频满足电网调度要求，部分电厂AGC响应速度慢、不能适应电网负荷响应要求。

　　按照NOx生成机理来看，对炉内燃烧情况进行改变或调整，可以达到抑制NOx生成的作用，从而降低炉膛出口NOx排放值，可以起到上述作用的技术都属于低NOx燃烧技术，具体来说主要包括减少投入运行的燃烧器数目、低氧燃烧、低NOx燃烧器、烟气再循环等。其中，低氧燃烧的投资量是最少的，且有一定运行经验，在接近理论空气量的情况下燃煤可以持续在炉膛中燃烧，从而减小排烟热损失，但是这种技术有时会造成飞灰含碳量的增加，结合锅炉原来的运行条件，最多可以降低20%的氮氧化物；减少投入运行燃烧技术其投资也比较低，有一定运行经验，可能会出现炉内腐蚀与结渣等问题，同时飞灰含碳量也会增加，该项技术可以降低氮氧化物排放量15%~30%之间；空气分级燃烧技术是当前我国电站锅炉普遍应用的一项控制氮氧化物排放的技术，它的机理在于使燃气燃烧需要的氧量沿着炉膛烟气流动的方向逐级送入，主燃烧器缺氧富燃料燃烧，创造出还原性的氛围，这对于减少NOx生成非常有利，同时还能使部分NOx还原，其余空气量通过主燃烧器区域上方利用燃尽风的形式融入，以确保燃气可以燃尽。该项技术投资比较低，且有一定运行经验，为了减少氮氧化物的排放，将对锅炉效率的影响降到最低，通常情况下可以采取低氮燃烧器与空气分级燃烧方式联合应用，氮氧化物的降低幅度可以达到60%。

　　结语：

　　综上所述，《火电厂大气污染排放标准》提出，燃气锅炉排放NOx的限值为100mg/m³，未达到该标准必须为锅炉假装烟气脱硝装置，采取控制氮氧化物排放的措施。然而为了减少烟气脱硝设备上的投入，同时降低总的发电成本，往往需要改造炉内空气分级低NOx、深化炉内低NOx运行，这成为摆在火力发电行业面前最为突出的问题。目前大多数脱硫脱硝一体化工艺仅停留在研究阶段，尽管已经有少量示范工程应用，但由于运行费用较高制约了其大规模推广应用。开发适合我国国情，投资少、运行费用低、效率高、副产品资源化的脱硫脱硝一体化技术成为未来发展的重点。

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