天然气低氮燃烧技术

天然气低氮燃烧技术概述清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.卓建坤清华大学热能工程系2016-05-31清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.1NOx控制技术2燃烧前处理：低氮燃料，燃料处理，富（纯）氧，添加剂低氮燃烧：降低温度、氧含量、停留时间降低热力型NOx；控制混合过程降低快速型和燃料型。SCR等技术烟气处理：通过添加剂与NOx反应减少排放。减排效果好（可达90%），成本较高。预混分级燃烧烟气再循环清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.3NOX生成机理与控制热力NOX瞬时NOX降低燃烧区域氧浓度•降低整体氧浓度•控制或延迟燃料和空气的混合•形成富燃料的初始火焰区域降低在高温区的停留时间降低峰值火焰温度•通过稀释降低绝热火焰温度•降低燃烧强度•增强火焰的冷却•控制燃料和空气的混合•利用富燃料火焰区域减少一次火焰区域的时间预混火焰分级燃烧烟气再循环清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.2.1多孔介质燃烧4贫燃预混、稳燃、火焰冷却气氛材料混合（李尚鹏，清华大学本科综合训练论文，2016）超低氮燃烧稳定性经济性高效低阻紧凑在线过滤清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.水冷预混滞止火焰5工业应用示意图rz不同当量比时轴线温度分布减小喷口与滞止板间距离火焰面附近温度梯度增大最高温度下降（张易阳，清华大学博士论文，2015）技术方向：火焰冷却与火焰稳定性清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.催化点火燃烧6世界催化点火材料领先水平：甲烷的表观点火温度可以降低到293°C（宗毅晨，清华大学博士论文，2016）清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.2.2燃料分级7（宋少鹏，清华大学硕士论文，2016）深度燃料分级和流线型炉膛匹配是可以实现扩散燃烧NOX排放小于30mg/Nm3清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.燃料分级8燃料分级对NOX减排率高达70%NO生成速率分布温度分布燃料分级率为20%燃料分级率为60%火焰的分散性提高，温度场均匀，高温区减少，NOx生成区域减少清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.2.3烟气再循环9烟气再循环可减少70%NOx排放，CO排放未增加，出现燃烧不稳定，与循环率相关；由于比热的差异，CO2作为稀释剂比N2更有效地降低NOx，在燃料侧与空气侧稀释均能有效降低NOx生成，但在燃料侧稀释更有效。烟气再循环对NOX的影响(Baltasar,1997)不同稀释方式对Nox排放的影响(Eun-Seong,1998，2004)清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.2.4烟气再循环10随着烟气再循环率提高，NOx排放呈非线性下降；加入10%再循环烟气后，高温区(2120K)面积减少了将近10倍，随着循环率的提高，直至消失；10%的烟气再循环率，NOX排放比无烟气再循环时降低~60%;中试实验-烟气再循环率与NOX，CO排放热力计算-烟气再循环率与理论燃烧温度、热容的关系清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.11烟气再循环率与各受热面传热比例随烟气再循环率增加：1）辐射换热量减小；2）对流换热量增加在烟气无冷凝时（排烟温度大于120℃），随烟气再循环率增加，排烟温度升高，锅炉效率有一定下降2.4.1烟气再循环对效率影响不同烟气再循环率下排烟损失不同烟气再循环率下锅炉效率清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.2.4.1H2O的影响-烟气中的水蒸气121Nm3天然气完全燃烧时理论空气量：9.32Nm3/Nm3理论烟气量：10.48Nm3/Nm3理论水蒸汽体积：2.10Nm3/Nm3空气的过量空气系数从1.0增大到1.5时1）烟气中水蒸气的摩尔百分数从20.06%减少到14.31%；2）烟气中水蒸气的质量百分数从13.06减少到9.83%；3）1Nm3天然气燃烧后可以产生1.7kg左右的水蒸气。清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.2.4.2H2O的影响-锅炉效率13单位体积天然气-烟气的热力学特性尾部烟气冷却段的温度范围(55-200℃)是冷凝段（~55℃）的近6倍，放热量仅为冷凝段的50%当烟温在冷凝段和冷却段过渡位置，需要同时考虑汽化潜热和烟气显热的双重损失清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.1.烟气再循环&排烟温度＞露点温度某6t/h燃气热水锅炉、某10t/h燃气蒸汽锅炉某6t/h燃气热水锅炉-100%负荷下锅炉效率比较（1）项目符号单位测试结果备注100%改前100%改后GB/T10180-2003过量空气系数a-1.291.07排烟温度tpy℃127.8132△tpy=4.2，对应锅炉效率下降约0.2%锅炉正平衡效率η1%94.3493.71锅炉反平衡效率η2%94.2694.31锅炉平均效率η12%94.3094.01效率下降0.29%。燃烧器燃烧调整（调节空燃比）和烟气再循环共同作用，影响锅炉传热特性和排烟温度，进而影响锅炉效率。烟气再循环和H2O对锅炉效率的影响清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.烟气再循环和H2O对锅炉效率的影响2.烟气再循环低氮改造&锅炉排烟温度＜露点温度烟气再循环引起排烟温度升高，降低锅炉效率某10t/h燃气蒸汽锅炉-锅炉效率分析（2）项目符号单位测试结果备注100%改前100%改后GB/T10180-2003排烟温度tpy℃55.260.28①烟气显热：排烟热损失提高，对应效率下降约0.25%；②改前，可利用烟气中水蒸气约10%的气化潜热，改造后下降到5%，对应效率约0.55%的下降效率分析η1%95.52-0.8=94.72反平衡锅炉效率分析排烟温度升高，一方面增大排烟损失，降低效率；另一方面，减少潜热释放，降低效率。清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.烟气再循环和H2O对锅炉效率的影响3.烟气再循环低氮改造&锅炉排烟温度＜露点温度烟气潜热利用可抵消烟气再循环引起的效率下降某20t/h燃气热水锅炉-100%负荷下锅炉效率比较项目符号单位测试结果备注100%改前100%改后GB/T10180-2003过量空气系数a-1.21.2烟气再循环率β%07低氮方案：烟气再循环&余热利用tpy升高＜2℃，锅炉效率下降＜0.1%排烟温度tpy℃72.738.5△tpy=34.2；a=1.2，最终冷凝温度为57.18℃tpy=38.5℃，水蒸气冷凝率测试值达58.93%。锅炉正平衡效率η1%93.88100.93△η1=7.05；烟气潜热利用锅炉反平衡效率η2%95.4297.39△η2=1.97；排烟温度降低锅炉平均效率η12%94.6599.16清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.2.4.3H2O的影响–化学反应17对冲火焰(Zhao,D;Yamashita,H，2002)温度和H2O对NOX的影响H2O对OH,N,NO，CH自由基的生成影响火焰中蒸汽的加入，降低火焰温度；最大火焰温度维持不变，蒸汽的加入将增加OH自由基，降低CH自由基，从而减少N自由基的生成；水蒸气的加入会使OH自由基浓度增加，这对NOX的降低有负面的作用，但是水蒸气的加入使N原子自由基浓度减小，而后者对NO的降低影响更大，因此从整体上看，NO的生成减少了；但是对于加湿对于CO排放的影响没有形成一个统一明确的结论清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.2.4.4H2O的影响–设备寿命结冰的叶轮(图片来源：方块锅炉新品发布会报告)烟气冷凝水(PH:5-6)风道的铁锈和泥浆烟气再循环中随着冷凝水的增加，影响风道、燃烧器的寿命无论液滴冲击，或者叶轮结冰，将使风机振动变大，容易损坏因此，在烟气再循环中，虽然水对于NOX的降低有着明显的作用，但需要考虑防止对设备寿命的影响：再循环烟温、除雾器炉膛腐蚀清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.3.总结19技术优点缺点排放值mg/m3减排效果分级燃烧控制简易较难实现低于30mg/Nm3的排放目标5035-50%贫燃预混控制有效简单催化燃烧可实现零排放燃烧不稳定，锅炉效率有影响1080%低氮燃烧器+烟气再循环效果好，成本适中可能燃烧不稳定，影响锅炉效率30-10050-85%清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.4清华大学参与的两个北京市科委项目(1)北京市科技计划课题——燃气锅炉低氮燃烧技术装备研发与示范（2014.04——2016.03）研发8MW、12MW两种规格低氮燃烧器，不低于85%负荷情况下，燃气锅炉NOx排放低于50mg/m3,CO低于80mg/m3，锅炉效率不低于95%关键技术：稳燃技术，耦合技术，低氮燃烧系统主动控制技术、燃烧器与锅炉本体的匹配技术20清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.清华大学参与的两个北京市科委项目(2)北京市科技计划课题——燃气锅炉NOX达标排放关键技术研究与示范（2015.09——2017.06）20t/h现役燃气锅炉NOX排放控制关键技术研究(LNB+SNCR)2.40t/h现役燃气锅炉NOX排放控制关键技术研究(LNB+SCR)80t/h新建燃气锅炉NOX排放控制关键技术研究(LNB+PMCR)形成满足现有20t/h、40t/h燃气锅炉超低NOX排放的燃烧器样机各1台及SCR反应器样机1台21清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERCofCleanCoalCombust.22谢谢各位的聆听!欢迎交流！联系人：卓建坤电话:[phone];Email:[e-mail]微信号：tucerc