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TPRI电站锅炉低氮燃烧技术2020/2/25西安热工研究院有限公司西安西热锅炉环保工程有限公司2012年4月TPRI西安西热锅炉环保工程有限公司TPRI工程背景1氮氧化物是主要的环境有害气体之一；中国的氮氧化物排放主要来自于煤的燃烧；23最好的方法是减少其在燃烧过程中的生成；4控制燃料型氮氧化物的生成是关键。TPRI氮氧化物的种类－控制对象2020/2/25燃料型热力型快速型123氮氧化物根据生成机理分主要有这三种形式，对于四角切圆燃烧锅炉研究的重点是燃料型NOx。因此关注的准确对象是煤燃烧过程中燃料型NO。TPRI氮在煤燃烧过程中的转化路线2020/2/25燃烧过程中氮转化路线TPRI热解过程燃料氮迁移路径燃料氮焦炭氮（HCN+NH3）挥发分氮N2燃料氮挥发分氮（HCN+NH3）焦炭氮在热解时，燃料氮最终有三个转化途径：挥发分氮、焦炭氮和N2。TPRI低NOx燃烧技术的理论基础对于大部分煤粉锅炉而言（W火焰锅炉除外），生成的N2在后续燃烧过程中不会被氧化形成NOx，可以保持N2形态随烟气无害排放。因此，合理组织锅炉的燃烧，使尽可能多的燃料氮转化为N2，就可以减少NOx的生成，从而实现燃料氮的“绿色回归“，这也是当前一切低NOx燃烧技术的理论基础。TPRI目前主要的技术措施2020/2/25促进煤粉燃尽形成强还原气氛主燃烧区α＞1主燃烧区α＜10%风燃料+70%风燃料+10%风0%风主燃烧区α≈1再燃烧区α＜1主燃烧区α＞1促使主燃料燃尽，将燃料转为气相,便于还原，并保证燃烧经济性浓燃料（煤粉）α＜1，形成强还原气氛促进煤粉燃尽常规燃烧空气分级燃料分级燃料+80%风燃料+100%风主燃烧区α＞1TPRI炉膛横截面的水平空气分级TPRI沿炉膛高度的垂直空气分级•在主燃烧器与炉膛出口之间布置有SOFA喷嘴，将部分二次风送入炉膛。•将炉膛分成三个相对独立的部分：燃烧区，还原区和燃尽区。•通过优化每个区域的过量空气系数可有效降低NOX的排放。TPRI西安热工研究院的低NOx技术2020/2/25长期以来，西安热工研究院有限公司针对影响NOx生成的各种因素进行了扎实的试验室研究及现场调整试验研究。取得了详实的一手资料，对影响NOx生成的各种影响因素有清晰的认识，形成了自成体系的低氮燃烧技术。空气分级燃烧技术研究再燃烧技术研究低NOx燃烧器调研、评价及设计开发四区燃烧耦合分级低NOx燃烧技术研究TPRI四区燃烧耦合分级NOx控制技术回顾一下“燃料氮的绿色回归”，只要合理组织锅炉的燃烧，使尽可能多的燃料氮转化为N2，就可以减少NOx的生成，从而实现燃料氮的“绿色回归“，这是当前一切低NOx燃烧技术的理论基础。燃料氮挥发分氮焦炭氮N2NOxTPRI燃料氮“绿色回归”的两个重要区域根据大量深入的理论研究，燃料氮“绿色回归”有两个重要阶段：（1）燃烧器区域的热解阶段，最多可有约60%的燃料氮直接转化为N2；（2）主燃烧区之上的还原阶段，煤焦和挥发分中的活性基团将NOx还原为N2。因此，要获得显著的NOx减排效果，必须在炉膛中同时存在一个热解区和一个还原区，二者缺一不可。TPRI四区燃烧技术主燃烧区还原区燃尽区TPRINOx核心控制区—1区（自回归区）第1区：煤粉在这个区域加热脱除挥发分，燃料氮以挥发分氮、焦炭氮、N2的形式释放，最多可以有60%的燃料氮转化为N2。这些N2最终随锅炉烟气无害排放。一回归线重点技术措施：1、煤粉浓淡分离，淡侧提前着火，加热浓侧煤粉，脱除挥发分，促进N2的生成。2、控制的一次风率；3、较低的周界风率。TPRINOx核心控制区—2区（贫氧燃烧区）第2区：煤粉在1区脱挥发分后与上游来的氧气接触，挥发分和煤焦开始燃烧，在炉膛中部形成火球，NOX开始大量生成。控制氧量和温度，降低NOx生成，同时预防结焦。重点技术措施：1、控制主燃烧区过量空气系数（不超过0.8）；2、一、二次风大小切圆设计，在横截面上空气分级；3、一、二次风反切，一次风煤粉气流燃烧中期接触到的来自上游的补氧是“贫氧”的热烟气，燃烧强度降低；4、二次风部分偏置，二次风喷口的部分面积向炉墙偏置，进一步加强水平方向的空气分级。其中2、3、4项措施本身都有预防水冷壁结焦的作用。TPRINOx核心控制区—3区（再回归区）最上层燃烧器到最下层SOFA风之间的炉膛空间即为第三区（还原区）。h第3区（再回归区）：2区生成大量的NOx，同时由于低过量空气系数的原因，该区生成大量的活性基团：NH+、NH2+、CO等。这些活性基团具有很强的还原能力，与煤焦表面的活性C（+）一道在3区把NOx还原为N2，降低NOx的最终排放。重点技术措施：1、确保较低过量空气，0.9左右；2、确保需要的高度；3、OFA（燃尽风）必须保留，主要考虑汽温调节和结焦。二回归线TPRI四区燃烧—4区（燃尽区）燃烧进入后期，炉内上升主气流内存在着部分未燃尽碳、及部分气体燃料（CO），需要大量的氧气来维持上述可燃物质的燃尽，也就是要在氧当量大于1甚至1.2条件下进行燃烧。此时，未燃尽碳和气体的燃烧都是扩散燃烧，完全依靠氧分子向其表面扩散来进行，合适的氧浓度及扩散速率是使其燃尽的关键。这个区域的设计需要综合考虑燃尽、烟温偏差和汽温调节。重点技术措施：1、确保需要的过量空气，1.1-1.2左右；2、确保到屏低的燃尽距离；3、较高的SOFA风速，使氧量进入燃烧中心区；4、SOFA的水平（烟温偏差）和上下（气温调节）可调。TPRINOx控制和燃煤特性耦合2020/2/25（1）低NOx燃烧系统也必须与燃煤特性相匹配，否则，将会带来各种负面效应。（2）要做到低NOx燃烧系统（器）和燃煤特性相匹配，必须对燃煤的着火性能、燃尽性能以及NOx生成特性等有一个清楚的认识。（3）热工研究院将一维火焰炉引入了煤质的NOx生成特性方面的研究工作。不同煤种对低NOx燃烧系统（器）的要求不同，因此，在低NOx燃烧系统的开发工作中，必须重视煤质特性这一基础数据，做到燃烧系统和燃用煤种相匹配。TPRINOx控制与结焦的耦合2020/2/25分级燃烧必然造成局部的还原性气氛，组织良好的空气动力场，可以在降低NOx排放的同时预防炉内结焦的产生。一、二次风大小切圆设计，一次风在内，二次风在外。一次风切圆的变化设计（渐小切圆、对冲、反切等）。部分偏置二次风。将部分二次风向背火侧炉墙偏置，形成在炉膛截面上的进一步水平空气分级的同时，保护水冷壁（近壁面氧化性气氛）。全炉膛空气动力场合理组织可以实现NOx降低和水冷壁结焦的耦合。TPRI空气分级与燃料分级的耦合2020/2/25在四区燃烧的1区（热解区）进行燃料分级。但是这个分级有别于常规的燃料分区送入的分级，在这个区域是煤粉的挥发分和煤焦的分级燃烧。通过保证1区的存在使燃料分成挥发分和煤焦两个部分，然后在2区先后分级燃烧。由于SOFA风的存在，整个炉膛空间实现垂直方向的空气分级燃烧。SOFA风的比例20-30%左右。水平浓淡燃烧器、一、二次风的大小切圆设计及二次风部分偏置可以在炉膛横截面实现水平方向的空气分级。1区的燃料内分级、2区的水平空气分级、4区的垂直空气分级三者的耦合，确保低氮、稳燃、燃尽和汽温可控。TPRI燃烧器低氮改造部分业绩2020/2/25电厂机组煤种机组容量改造时间改造前NOxmg/Nm3改造后NOxmg/Nm3华能南京电厂#1机组贫煤300MW20091400700华能南京电厂#2机组贫煤300MW20101400700华电西塞山电厂#2机组贫煤300MW2011800-1000400-600安徽马鞍山电厂#2机组无烟煤300MW20111400左右180-220华能汕头电厂#2机组烟煤300MW2012600-800250安徽马鞍山电厂#3机组无烟煤300MW20121400左右180-220TPRI华能南京电厂燃烧器改造2020/2/25改造时间：2009年11月——2010年12月华能南京电厂1、2号炉全部16只燃烧器改造，并增加SOFA喷口。NOx排放浓度从750mg/Nm3下降到在300mg/Nm3以下；锅炉效率：优质贫煤93.5%、大同煤93%、蒙煤92.7%；炉膛出口烟温正常，减温水量不增加；汽水参数正常，无金属壁温超温点；炉膛无结渣、腐蚀现象；TPRI安徽万能达发电公司2号炉2020/2/25二次风喷口一次风喷口二次风喷口二次风喷口二次风喷口二次风喷口二次风喷口一次风喷口一次风喷口一次风喷口乏气风喷口乏气风喷口高速喷口高速喷口喷口喷口喷口图2针对神华煤设计低NOx燃烧系统喷口布置TPRI安徽万能达发电公司2号炉2020/2/25改造效果：2011年12月21日锅炉顺利点火启动，满负荷连续运行72小时后，至今连续安全运行。改造后锅炉各项指标均达到或超过设计要求，其中锅炉效率93%，NOx排放小于200mg/Nm3，改造取得圆满成功。TPRI华能汕头电厂2号炉改造—摸底试验通过试验发现，习惯运行工况下，该锅炉的NOx排放为在600-800mg/Nm3之间。在调整氧量、配风、投磨方式和OFA之后测量了炉膛温度、排烟温度、NOx浓度、CO浓度和飞灰含碳量，记录汽温和减温水的变化，观察炉内结焦状况。通过试验了解#2炉的实际运行状况，分析影响再热汽温、排烟温度、炉渣飞灰含碳量、NOX浓度的主要因素，为低氮改造提供参考。TPRI华能汕头电厂2号炉改造—方案初设2020/2/25图2针对神华煤设计低NOx燃烧系统喷口布置TPRISOFA风箱及风道设计优化TPRI二次风及SOFA喷口设计及优化TPRI燃烧器喷口优化设计TPRI炉内空气动力场模拟TPRI全炉膛燃烧及NOx浓度计算TPRI热力校核计算2020/2/25计算工况说明负荷BMCR基础改前小改大改一次汽蒸发量t/h2028.02028.02028.0第一级喷水t/h0.000.000.00第二级喷水t/h0.000.000.00再热汽喷水量t/h0.000.000.00再热蒸发量t/h1717.801717.801717.80锅炉容积热负荷kW/m3107.82107.12106.28炉膛断面热负荷MW/m25.755.715.67炉膛出口烟温℃1200.831218.811208.42燃料低位发热量kJ/kg229802298022980锅炉热效率%94.1994.1294.25总燃料消耗量t/h239.63239.69239.38排烟处过量空气系数－1.291.261.23排烟温度℃123.00125.00124.00进入预热器烟温℃388.00390.00390.00TPRI水动力校核计算2020/2/25TPRI2020/2/25SOFA燃烧器组出厂放行检查TPRI汕头电厂2号炉主燃烧器2020/2/25TPRI旧燃烧器拆除与新燃烧器安装TPRI风箱风道改造TPRI华能汕头电厂2号炉改造效果2020/2/25改造效果：2012年3月30日锅炉顺利点火启动，至今连续安全运行。改造后锅炉各项指标均达到，飞灰、大渣含碳量均低于改造前、排烟温度基本相当，点火后未经调整，NOx排放180mg/Nm3左右。TPRI2020/2/25坚持四化标准、创建一流工程差异化分析个性化设计精细化实施系统化调试TPRI2020/2/2540谢谢大家!欢迎各位多提宝贵意见！Thankyouverymuchforyourattention!