大型电站锅炉氮氧化物排放控制措施的技术经济比较

摘要

煤燃烧的污染物排放已成为中国最大的大气污染源，严重危害着我们的生存环境。如何实现煤碳的洁净高效利用，降低污染物排放是中国这样一个产煤和用煤大国的重要课题。氮氧化物NO<,x>是煤燃烧过程中释放的主要污染物之一，电站燃煤锅炉作为用煤大户，是NO<,x>排放的主要控制对象。为了满足日益严格的氮氧化物排放标准，国内燃煤锅炉都需要采取有效的脱硝措施来降低NO<,x>排放。 目前的脱硝技术主要可以分为炉内即燃烧脱硝技术和烟气脱硝技术，电站锅炉在选择具体的脱硝技术时，必须从脱硝率和经济性等方面进行综合考虑。本文通过具体的工程改造实例，并结合数值模拟方法，对几种低NO<,x>技术进行了研究，同时对大型电站锅炉上应用的各种脱硝技术进行了全面的经济性对比。 本文针对一台410t/h煤粉锅炉，进行了空气分级改造方案的设计，并通过数值模拟方法验证了改造方案的可行性。该锅炉燃用高挥发分、易结渣煤种，以往运行过程中存在严重的结渣问题，为此采用复合型多功能直流燃烧技术对其进行改造。通过数值模拟结果表明，复合型多功能直流燃烧技术通过一次风反切、一次风背火侧布置性能风、增设燃尽风等技术措施有效实现了炉内水平和高度方向的空气分级，大大降低了NO<,x>生成量，同时减弱了煤粉颗粒的贴壁趋势，将煤粉燃烧集中在炉膛中部区域，并在水冷壁处形成保护风膜，从而有效防止水冷壁的结渣和高温腐蚀。该燃烧技术还能减小四角配风不均所引起的气流切圆偏斜，避免由于配风不均导致的结渣问题。改后的现场运行情况证明该技术不仅较好的解决了锅炉存在的结渣、超温问题，同时将NO<,x>排放量降低近40％。 本文结合一台410t/h四角切圆燃烧煤粉炉实施煤粉再燃和SNCR改造的工程实例，介绍了高级再燃技术的整套实施方案。同时对实施煤粉再燃技术后锅炉的燃烧、流动和污染物生成情况进行了数值模拟，并与现场调试结果进行了对比。根据现场的运行情况和数值模拟结果来看，通过合理控制切圆大小，并结合浓淡燃烧技术，将煤粉燃烧集中在炉膛中部区域，可以保证水冷壁附近具有较高的氧浓度，从而防止结渣和高温腐蚀。为了获得较高的脱硝率，并尽量减少对煤粉燃尽的影响，要合理确定各层喷口(特别是再燃风和燃尽风)高度，并在运行过程中控制好风量分配。 在空气分级和煤粉再燃技术中，OFA射流和再燃射流的穿透深度，以及与主烟气之间的混合扩散情况是脱硝率的重要影响因素，对这两股射流的流动规律进行研究是很有必要的，OFA射流和再燃射流都属于典型的横流中的射流(JICF：jet in crossflow)。本文采用大涡模拟和RANS模拟方法模拟了雷诺数为16600的圆形和椭圆形的JICF射流(jet in cross flow)，得到了JICF射流的中心轨迹并拟合了轨迹方程，并与前人的试验结果进行了对比。根据大涡模拟捕捉到的射流上游的剪切层涡卷、逆向旋转涡对和垂直上升尾涡，比较了两种射流的涡系结构的区别，并由此分析得出椭圆形射流比圆形射流具有更强的穿透力。 SCR技术是一种高效的烟气脱硝技术，本文结合国内电厂引进国外SCR脱硝技术的工程应用实例，研究了SCR系统的技术特点，包括各组成子系统的结构设计和工作原理。通过投运后的调试试验，考核了该系统的实际脱硝效果和氨泄漏情况。 电站锅炉在选择脱硝技术时，除了考虑脱硝率，还需要分析其经济性，本文总结了从工程总投资和运行费用两个主要方面来评价电站锅炉脱硝技术经济性的具体方法，基于这套方法，结合具体实例锅炉计算了各种技术的工程总投资和投用后单位发电量的增加成本，并对各种技术的经济性进行了全面的分析对比。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章概述

1.1锅炉氮氧化物的生成

1.1.1煤中氮的主要存在形式

1.1.2氮氧化物的生成机理

1.2 NOx的控制技术

1.2.1低NOx燃烧器

1.2.2空气分级燃烧

1.2.3燃烧优化技术

1.2.4燃料分级技术

1.2.5 SNCR烟气脱硝技术和富化学剂喷射

1.2.6 SCR选择性催化还原技术

1.3横流中的射流

1.3.1横向紊动射流的形成和旋涡结构

1.3.2横向射流数值模拟的国内外研究

1.4本文主要研究内容

第二章410t/h锅炉空气分级改造方案的设计及数值模拟研究

2.1 410t/h电站锅炉实施空气分级改造的方案设计

2.1.1锅炉原设计燃烧系统介绍

2.1.2燃烧系统改造方案及设计计算

2.2燃烧系统空气分级改造方案的数值模拟

2.2.1数值模拟方法简介

2.2.2数值模拟工况

2.2.3模拟结果

2.3本章小节

第三章煤粉再燃控制NOx排放的工程改造实例

3.1引言

3.2 100MW锅炉进行煤粉再燃的改造方案设计

3.2.1锅炉概况

3.2.2改造方案的主要设计参数

3.2.3改造方案具体内容

3.2.4对改造方案的数值模拟研究

3.3 1#炉改造后的煤粉再燃调试试验结果

3.3.1试验煤质参数及测试方法

3.3.2煤粉再燃的脱硝效果和对锅炉运行的影响

3.4本章小结

第四章横流中的射流(JICF)运动规律的研究

4.1 JICF研究在锅炉炉内脱硝技术中的重要性

4.2圆形JICF的运动规律研究

4.2.1物理模型

4.2.2湍流模型

4.2.3模拟结果及讨论

4.3椭圆形JICF的运动规律研究

4.3.1物理模型

4.3.2与圆形JICF模拟结果的对比讨论

4.4本章小节

第五章600MW锅炉实施尾部烟气SCR脱硝的工程实例

5.1引言

5.2 SCR工程催化剂的选择

5.2.1无水氨的物理特性

5.2.2催化剂的更换

5.3 SCR脱硝塔的系统结构

5.3.1整体工艺流程

5.3.2 SCR反应器及辅助系统

5.3.3液氨卸载和存储系统

5.3.4注氨系统

5.3.5安全辅助设施

5.3.6压缩空气系统

5.3.7干除灰系统

5.4 SCR脱硝系统的调试试验

5.4.1 5#机组锅炉主要设计参数及SCR系统性能参数

5.4.2 SCR脱硝系统的性能调试试验

5.5本章小结

第六章电站锅炉脱硝技术的经济性比较

6.1引言

6.2脱硝技术经济性分析的方法

6.2.1空气分级燃烧

6.2.2再燃技术

6.2.3 SNCR(选择性非催化还原技术)

6.2.4 SCR(选择性催化还原法)

6.2.5两种技术联合运用情况的经济性计算

6.3不同脱硝技术的技术经济性比较实例

6.3.1技术经济性计算对象简介

6.3.2计算结果及经济性对比

6.4电站锅炉脱硝技术选择的实例分析

6.4.1 300MW机组W型炉

6.4.2 300MW四角切圆直流炉

6.5本章小结

第七章全文总结

参考文献

攻读博士学位论文期间发表论文情况

致谢