影响水煤浆再燃效果的主要因素研究

第27卷第5期中国电机工程学报Vol27 No5 Feb, 2007Proceedings of the cseeC2007 Chin. Soc. for Elec Eng文章编号:0258-8013(2007)05-0067-04中图分类号:TK16文献标识码:A学科分类号:47020影响水煤浆再燃效果的主要因素研究孟德润,赵翔,杨卫娟,周志军,刘建忠,周俊虎,岑可法(能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学),浙江省杭州市310027)Influence of Coal Water Slurry Reburning on Nor ReductionMENG De-run, ZHAO Xiang, YANG Wei-juan, ZHOU Zhi-jun, LIU Jian-zhong, ZHOU Jun-hu, Cen Ke-fa(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization(Zhejiang University), Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)ABSTRACT: Coal water slurry can be used as reburning fuel关键词:再燃;水煤浆;NO:;过量空气系数,燃烧to reduce the NO emission in large scale station boiler. In ordero study the reburning effect and influence, experiments were0引言done on a 670t/h CwS-fired boiler with reburning fuel fraction在化石燃料燃烧过程中,排放岀大量的污染性varying from 12.5% to 25%0; reburning zone excess air ratio气体,其中的NO因引起酸雨、光化学烟雾和破坏varying from 0.91 to 1.04; primary combustion zone excess air臭氧层等危害,受到人们的广泛关注。近年来研究ratio varying from 0.92 to 1. 34. The influence on NO, reduction开发了许多控制NO排放的技术如:空气分级、低on, reburning zone excess air ratio.primary combustion zone excess air ratio in reburning zone asNO3燃烧器、再燃技术、SCR、SNCR等。由于煤well as reburning zone temperature, flue residence time and粉再燃较低的投资和运行费用、较高的脱硝效果,mixing condition were all investigated. The normal No,使得许多研究者关注,但对于使用水煤浆作为再emission Is88mg/m3 in boiler and the highest no3 reduction燃燃料控制炉内NO的生成研究的不多,EER和ratio up to425% when the Cws reburning is utilized. These BW曾做过相关试验,并取得较高的脱硝效果19。results show that CWS used as reburning fuel on power station文中在1台670h的水煤浆锅炉上,采用水煤浆作boiler is an excellent technology. At the same time,为再燃燃料,对再燃燃料量比、再燃区过量空气系reburning fuel fraction was16% with the reburning excess air数、主燃区过量空气系数、再燃区温度、烟气在再ratio 0.95, and the optimal reburning zone excess air ratio was0.91 with reburning fuel fraction 25 among our experiment燃区停留时间和混合状况对再燃脱硝效果的影响进行了研究KEYWORDS: reburning; coal water slurry; NO excess airratio: combustion1试验系统和方法摘要:为了研究使用水煤浆作为再燃燃料在大型电站锅炉上新建的670th超高压水煤浆锅炉在国内属首的再燃脱硝效果和影响因素,在台新建的670的水煤浆创,锅炉为超高压参数自然循环锅炉,最大连续出锅炉上进行了再燃燃料量比在12.5‰%-25%、主燃区过量空力670th。本体呈D型布置,水煤浆喷雾悬浮燃烧气系数α在092-134、再燃区过量空气系数α在091-l.04采用直流燃烧器正四角布置切向燃烧,烟气挡板调之间变化的低NO燃烧调整试验,分析了再燃燃料量比、再节再热汽温,喷水减温控制过热汽温,回转式空气燃区过量空气系数、主燃区过量空气系数、再燃区温度、烟预热器,刮板式除渣机连续固态排渣,平衡通风,气在再燃区停留时间和混合状况对脱硝率的影响。试验结果全钢构架,露天布置。显示,相对于均等配风时锅炉的NO排放量788ng/m3,水煤浆再燃能够有效地降低NO-旳排放量,脱硝效果最高可以锅炉炉膛橫截面宽深比为1.1,采用正四角布置达到42.5%,说明大型电站锅炉上采用水煤浆再燃是一种有直流燃烧器的切圆燃烧方式,并确定采用一次风和前景的脱硝方法,同时通过试验确定了再燃过量空气系数为二次风双切圆布置,其中一次风和二次风切圆直径095时的最佳再燃燃料比为16%,再燃燃料比为25%时,在分别为800m中国煤化工时针旋转。实验工况范围内,最佳再燃区过量空气系数为091燃烧器最上层CNMHGA),切圆直中国电机工程学报第27卷径为800mm其原因主要是当再燃燃料一定,只有在有一定CH燃烧器最上层为OFA喷嘴,E层为再燃喷口,基浓度的情况下,NO的还原反应才会顺利进行,上、下2组均设有上、下二次风和中二次风。为了而在α2增大时,CHi基较易和氧气先发生反应而不有利于油的完全燃烧,A一E层共5层,一次风喷囗易于保持一定的CH基浓度,因此NO4的还原效率均带有中心风,较低。从图1还可看出,在α2<098时,NO的还原为了确定影响锅炉再燃效果的主要因素,试验效率随过量空气系数的变化较为平缓,而当α2>0.98再燃燃料量比在12.5%-25%、主燃区过量空气系数时,NO的还原效率出现了大幅度的下降。αx在092~1.34、再燃区过量空气系数α2在0.91~1.0422再燃燃料量的影响之间变化,试验中采用天虹智能烟气分析仪如图2所示,在再燃区α2一定的条件下,随着TH-∞90,对尾部烟道的烟气排放进行分析,NO3再燃燃料量的增加,NO3的还原率基本上也随之增均折算到α=1.4时标准状态下的数值,脱硝率相对大。原因主要是再燃燃料量增加,单位容积内挥发于均等配风工况下NO3排放量788mg/m3进行计分的组分增加,NO的还原效率增加。再燃燃料量算。试验所使用的燃料特性如表1所示。过少时,除了由于主燃区燃料增加,产生较多的NO3表1燃料特性分析外,同时不能够提供足够多的挥发分、焦炭与主燃Tab 1 Ultimate analysis of coal water slurry区过来的烟气中的大量NO发生还原反应,降低49.81NO的还原率。从图2中还可以看出,最高的脱硝avionW%浓度 od/(MJkg)粘度(mP”率出现在再燃比为16%时,而不是再燃比最高的2实验结果及分析25%。这是因为对于四角切圆锅炉来说,由于再燃区在主燃烧区的上部,再燃燃料喷入量过多时将会2.1过量空气系数α2的影响使锅炉燃烧中心上移,因再燃区烟气中的含氧量不般认为,应用再燃技术时,主燃区的空气足,造成再燃燃料的不完全燃烧增加,以至于在燃过量系数α应保持在1.05~1.15之间,以保证主燃区尽区不能完全燃尽,导致飞灰含碳量增加,产生新的富氧燃烧气氛:而再燃区空气过量系数a2应控制的排放问题。为降低飞灰含碳量,试验中提高了在07~-09之间,以保证再燃区的富燃料还原气氛;再燃比为22%、25%时的燃尽风,导致炉膛出口过燃尽区空气过量系数α3取为1.15-1.2。其中α2对再量空气系数为1189和1.186,稍高于再燃比为16%燃还原NO的效果影响最为显著,随着氧量或过量时的1.175,同时也致使燃尽区内NO2生成量增加空气系数的增加,NO、的排放量增加,还原性气氛使其脱硝率略低于再燃比为16%时的脱硝率。综合是降低NO排放的最佳环境。研究发现,再燃考虑到燃尽率和再燃效果,认为再燃燃料量以占全区的空气量过多或过少,NO,的排放量均增加,对部燃料的16%左右为宜于不同的燃烧设备,由于具体条件的不同,最佳的2=0.95过量空气系数要通过试验确定。如图1所示,α2对NO还原率的影响很大。随着α2的增加,NO的还原效率逐渐降低,当再燃燃料比为25%时,在实验工况范围内,最佳的α2为091。再燃比25%再燃燃料比/%图2再燃燃料量比对脱硝率的影响Fig 2 Effect of reburning fuel fraction on NO, reduction2.3再燃区温度的影响再燃燃料量和过量空气系数会影响再燃区的温度场分布,而再燃区的温度对NO还原效果有很大0.94的影响,在一定范围内,反应温度越高,NO2还原图1再燃区过量空气系数对脱硝率的影响Fig. 1 Effect of reburning excess air ratio on NO效率越高,这中国煤化工的:另一方reduction面,由于再燃CNMHG不原性气氛,第5期孟德润等:影响水煤浆再燃效果的主要因素研究燃料中的N和烟气中的N2生成的NO很少;同时,2.5主燃区过量空气系数影响在再燃区的温度范围内,温度的增加也不会明显增从图4中可以看出,相同的再燃燃料量和再燃加热力型NO的生成量。因此,随着温度升高,煤区α2下,主燃区α越高,脱硝率越低,这是因为过粉对NO3的还原效率明显升高。故在温度不低于量空气系数增加,氧浓度升高,使得主燃区燃料燃1300℃的炉膛温度区间组织再燃过程,足够高的温烧比较充分,主燃区的温度也比较高,NO-生成量度和尽可能长的停留时间也有利于再燃煤粉的燃大大提高,进入再燃区的烟气中NO浓度上升,在尽,但是,温度高于1500℃时,热力型NO将会迅一定的还原性气氛和在再燃燃料量一定的情况下,速增加,从而对再燃还原的效果产生不利的影响。所能够提供的还原性物质有限,因此造成NO-的还如图3所示,在1390-1480℃温度下,NO2的还原效率下降。原效率随着温度的升高先增大后有所下降。这可能是由于以下2种原因的综合作用造成的:①随着温度的增加,热力NO将会大量产生;②在温度较高时,CHi基团和氧气发生反应的能力加强,反应的中间产物在燃料氮的存在下会加速含氮组分的氧化,使烟气中的NO3浓度增加。可见,在一定程度下提高再燃区的温度将会提高NO还原的效率,但是最好1.151.20251.301.35主燃区α1保持在低于144.0℃的范围内。图4主燃区过量空气系数对再燃效果的影响Fig 4 Effect of primary excess air ratio on NO, reduction3结论在1台670Ⅶh超高压水煤浆锅炉上进行了再燃条件对脱硝效果的影响,得到了如下的结论:(1)相对于均等配风时生成的最大NO2排放142014401460148再燃区温度量,水煤浆再燃能够有效的降低NO-旳排放,脱硝图3再燃区温度对脱硝率的影响效果最高的可以达到42.5%,说明该大型电站锅炉Fig.3 Effect of reburning temperature on NO, reduction采用水煤浆再燃是一种理想的脱硝方法。24再燃区停留时间及混合状况的影响2)随着再燃燃料比旳增加,水煤浆的脱硝效再燃燃料投入位置的选择对NO的还原效果和果基本上呈现增加趋势,试验综合考虑再燃效果和锅炉燃烧效率影响较大。不同的喷入位置所形成的飞灰含碳量,确定最佳的再燃燃料比为16%。燃烧环境不同,燃料在炉內的停留时间不同,所取(3)再燃燃料比一定时,随再燃区过量空气系得效果不同,燃尽程度也不同。通常所选择的位置数的增加,水煤浆再燃的脱硝效果逐渐降低,试验应该是再燃区的温度相对较高,还原性气氛较强,确定了再燃燃料比为25%时,在实验工况范围內的烟气在此有足够的停留时间。由于锅炉制造工艺方最佳再燃区过量空气系数为091。面的原因的限制,再燃最上层投入浆枪和实际燃尽(4)主燃区的过量空气系数、再燃区的温度、风喷口的距离仅为18m,低于由前全苏热工所推荐再燃区的停留时间和混合状况对水煤浆再燃的脱硝的经验公式计算出的22m,烟气在再燃区的停效果有一定的影响。留时间也缩短为0.23s。再燃区的混合状况对NO的还原效果以及锅参考文献炉燃烧效率影响也较大。再燃燃料与含NO的烟阎维平,洁净煤发电技术M].北京:中国电力出版社,200气混合越充分越有利于NO的分解,且能保证燃料21郭永红,孙保民,刘彤,褐煤的超细粉再燃中NOx的生成与还原的充分燃烧。高速喷入的水煤浆的动量很大,能够的数值模拟门.中国电机工程学报,2005,25(9:94-98较强的穿透烟气,与烟气形成较好的混合,使得还Liu Tong. Numerical simulation of NO,formation andd coal reburning原性物质与NO3充分接触,剧烈反应,弥补了停留中国煤化工时间的不足,相应的提高再燃效果。94-98(in ChinHCNMHG中国电机工程学报第27卷3]秦明,吴少华,孙绍増.六角切圆燃烧褐煤煤粉锅炉低NO燃烧Yan Weiping, Liu Zhong, Gao Zhengyang, et al. The effect of the技术研究J.中国电机工程学报,2005,25(1):158-162micro-pulverized coal fineness on nitric oxide reduction by reburningQin Ming, Wu Shaohua, Sun Shaozeng. Low NO emission study forJ]. Electric Power Science and Engineering, 2003, 23(10): 204-208(insix point tangential burning of pc boiler firing lignite coal[J].Proceedings of the CSEE, 2005, 25(1): 158-162(in ChinesIl]金晶,张忠孝,李瑞阳。超细煤粉再燃的模拟计算与试验研究[.中[4]张忠孝,姚向东,乌晓江,气体再燃低NO排放试验研究[门中国电机工程学报,2004,24(10):215-218国电机工程学报,2005,25(9):99102Jin jing, Zhang Zhongxiao, Li Ruiyang. Numerical simulation andZhang Zhongxiao, Yao Xiangdong, Wu Xiaojiang. Experimental studyexperimental study on micronized coal reburning[J]. Proceedings of theon low NO emission using gas reburning]. Proceedings of the CseeCSEE,2004,24(10:215-218( in Chinese)2005,25(9):99-102( in Chinese)12]高正阳,阎维平,刘忠。再燃过程再燃煤粉燃料N释放规律的5]沈伯雄,孙幸福。天然气先进再燃区脱硝效率影响因素的实验与模验研究门.中国电机工程学报,2004,24(8):238-242.拟研究[.中国电机工程学报,2005,25(5):146-149Gao Zheng Yang, Yan WeiPing, Liu Zhong. Experimental investigationShen Boxiong, Sun Xingfu. Study on the parameteres that influence theon fuel-N release characteristic of reburn fuel[J]. Proceedings of theefficiency of DE-No in advanced natural gas reburning areaCSEE,2004,24(8):238-242( in Chinese)xperimental and kinetic model[J]. Proceedings of the CSEE, 200∏]3]刘忠,阎维平,高正阳.超细煤粉的细度对再燃还原NO的影响25(5):146-149( in Chinese).中国电机工程学报,2003,23(10):204-208[6 Smoot L D, Hill s C, Xu H. NO, control through reburningLiu Zhong, Y an Weiping, Gao Zhengyang, et al. The effect of theU]. Progress in Energy and Combustion Science, 1998, 24(4): 385-408micro-pulverized coal fineness on nitric oxide reduction by reburning董若凌,周俊虎,孟德润.再燃区水煤浆脱硝反应特性的试验研究JJ. Proceedings of the Csee, 2003, 23(10): 204-208 (in Chinese[J.中国电机工程学报,2006,26(4):56-59∏4 KOTEEPBP·分级燃烧——降低煤粉锅炉氮氧化的基本方法[.毕Dong Ruoling, Zhou Junhu, Meng Derun. Experimental investigation玉森译.热力发电译丛,1991(1):15-20on NO, reduction performance of coal water slurry in the reburning [15] Maly P M, Zamanasky Vet al. Alternative fuelzone[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(4): 56-59(in Chinesereburning[J,Fuel,1999,78(3):327-334[8] Morrison D K, AshworthR A, Sommer T M, et al. Coal-water slurryreburning for NO emissions control[C]. Proceedings of the 20th收稿日期:2006-07-0International Technical Conference on Coal Utilization Fuel作者简介:Syst德润(97%,男,河北沧州人,博土研究生,从事燃烧的低污9Ashworth,Sommertm,MorrisondK,etal.Coalwaterslurry染控制方面的研究,mengden@yahoo.com.cnfor cyclone-firedboilers[C]. Proceedings of the 2lst International Technical Conference(编辑王庆霞)on Coal Utilization& Fuel Systems, 1996, 511-522.!0]阎维平,高正阳,刘忠.煤粉细度对再燃还原烟气氮氧化物影响的实验研究.电力科学与工程,2003,(2):1-4中国煤化工CNMHG