锅炉整体空气分级燃烧NOx排放及控制的关键问题的试验研究

摘要

目前国内许多燃煤火电厂的NOx排放值都超过现行国家排放标准。根据我国电力工业和经济发展的现状，控制NOx排放的最经济有效的技术措施是低NOx燃烧器与炉膛整体空气分级燃烧技术的组合。尤其是深度炉膛整体空气分级燃烧可以达到60%~70%的减排效果，可保证燃用烟煤和褐煤机组的NOx达标排放。但是空气分级燃烧中也存在一些问题：燃尽度下降、水冷壁还原性腐蚀和不适用于低挥发份煤种。这些负面的影响和传统的认识限制了整体空气分级燃烧进一步的发展和应用，尤其是贫煤和无烟煤相关的研究工作开展得很少。为了充分挖掘空气分级燃烧的潜力，从燃烧系统总体设计考虑，以煤粉细度和还原区焦炭的异相还原作用作为突破点，减少负面因素的影响，进而改变传统的整体空气分级燃烧不适用于贫煤和无烟煤观念。本文以神华烟煤作为高挥发份的代表性试验煤种，阳泉无烟煤作为低挥发份的代表性试验煤种，对炉内整体空气分级燃烧过程中影响NOx排放及燃尽的各种控制参数进行了深入系统的试验研究。本文借鉴化工行业石英玻璃反应器的设计思想，首次在空气分级燃烧领域的试验研究中搭建了内衬为石英玻璃反应器的多路进风一维炉试验系统，其密封性可以使得精确地研究神华煤和阳泉煤分级燃烧NOx的排放规律。研究煤粉颗粒粒径、煤粉细度、过量空气系数、空气分级级数、分级空气喷入的位置(还原区与燃尽区的停留时间比例)、及分级空气与主燃区空气风量所占份额等因素对NOx的释放规律的的影响；结果表明：不分级燃烧条件下存在着NOx排放最大的临界粒径，在深度空气分级燃烧条件下，主燃烧区的过量空气系数是NOx排放最主要影响因素，煤粉细度对NOx排放影响被弱化；研究神华煤和阳泉煤在深度空气分级燃烧后燃尽特性，并用烟气中氧气浓度的变化来判别分级是否有利于燃尽，结果表明对于某些工况分级燃烧反而会更有利于燃尽。本文首次提出通过调节还原区域的氧浓度来加强煤焦异相还原NOx的作用和提高燃尽度。搭建了管式沉降炉试验系统来研究神华煤和阳泉煤的煤焦异相还原NO的规律。研究炉内气氛、停留时间、粒径对煤焦异相还原作用的贡献。传统的经济煤粉细度选择以制粉系统和燃烧系统的经济性为依据，在此基础上再加之NOx排放等环境成本经济性，提出了“新经济煤粉细度”概念。本文以单台600MW亚临界锅炉为例，结合电厂现有的运行实绩，以“新经济煤粉细度”的概念出发，综合考虑磨煤电耗、机械不完全燃烧损失和NOx治污排污费用，进行煤粉细度变化对电厂运行经济性比较，从而进一步阐明分级燃烧中各个因素的重要性。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题来源和选题背景

1.1.1 概述

1.1.2 NO_x 的危害

1.1.3 空气分级燃烧

1.2 国内外相关研究进展

1.2.1 国内外实验室的研究进展

1.2.2 现役机组的典型燃烧系统

1.3 本文研究的目的与内容

1.3.1 本文研究的目的

1.3.2 典型煤种的选择

1.3.3 试验研究内容和方法

第二章 试验台的设计与调试

2.1 前言

2.2 多路进风一维炉试验系统

2.2.1 试验系统流程

2.2.2 反应炉

2.2.3 给粉系统

2.2.4 取样系统

2.2.5 试验系统的调试

2.3 管式沉降炉试验系统

第三章 神华烟煤燃烧NOX 排放及燃尽的试验研究

3.1 前言

3.2 试验方案

3.2.1 试验煤样的制备

3.2.2 实验中参数定义与试验工况

3.3 单一粒径的神华煤燃烧NOX 排放特性的试验

3.3.1 不分级燃烧试验

3.3.2 分级燃烧的试验

3.4 带分布的神华煤燃烧NOX 排放特性的试验

3.4.1 不分级燃烧试验

3.4.2 分级燃烧的试验

3.4.3 均匀指数n 对NOx 排放的影响

3.5 烟气剩余O_2 浓度的试验结果及分析

3.5.1 单一粒径烟气剩余O_2 浓度的试验结果及分析

3.5.2 带分布烟气剩余O_2 浓度的试验结果及分析

3.6 空气分级燃烧对飞灰含碳量的影响

3.7 本章小结

第四章 阳泉无烟煤燃烧NOX 排放及燃尽的试验研究

4.1 前言

4.2 试验方案

4.2.1 试验煤样的制备

4.2.2 试验中参数定义与试验工况

4.3 单一粒径的阳泉煤燃烧NOX 排放特性的试验

4.3.1 不分级燃烧试验

4.3.2 分级燃烧的试验

4.4 带分布的阳泉煤燃烧NOX 排放特性试验

4.4.1 不分级燃烧的试验

4.4.2 分级燃烧的试验

4.5 烟气剩余O_2 浓度的试验结果及分析

4.5.1 单一粒径的烟气剩余O_2 浓度的试验结果及分析

4.5.2 带分布的烟气剩余O_2 浓度的试验结果及分析

4.6 空气分级燃烧对飞灰含碳量及CO 排放影响的试验结果及分析

4.7 本章小结

第五章 炉膛整体空气分级燃烧中煤焦异相还原反应试验研究

5.1 前言

5.2 试验煤焦的制备和工况的选择

5.3 试验结果及分析

5.4 本章小结

第六章 考虑NOX 影响的经济煤粉细度的应用研究

6.1 前言

6.2 计算示例

6.2.1 煤粉细化对锅炉运行的影响分析

6.2.2 煤粉细化的经济性分析

6.3 本章小结

第七章 全文总结及进一步工作展望

7.1 全文总结

7.2 需要进一步开展的工作

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文