切向燃煤鍋爐新型低氮燃燒器的開發

　1概況10年來芬蘭富騰工程公司（以下稱“富騰公司”）在燃煤電廠的低氮燃燒器的研發和供貨方面十分活躍，包括切向燃燒、前墻燃燒和對墻燃燒鍋爐。

　　此外，還提供燃油、燃氣鍋爐的低氮噴燃器以及用于煤、天然氣、油的多燃料噴燃器。最近，富騰公司還與日本BabcockHitachi（以下稱“日立公司”）研發一種專門用于褐煤的低氮噴燃器。為富騰公司的噴燃器系列產品，包括了各種類型的低氮燃燒器。

　　前墻噴燃器技術源自日立公司，富騰公司是根據日立公司的許可證供貨的。切向燃燒鍋爐技術則是以富騰公司自己的研發工作為基礎，在日立公司的協作下完成的。

　　2煙煤切向燃燒機組富騰公司開發了一種用于切向燃燒鍋爐的新一代低氮燃燒器（RI―ET）并已獲得了多個國家的專利。RT-ET（RI為快速著火的縮寫）的基本思路是穩定化噴燃器的優點，并使切向燃燒穩定。

　　在噴燃器附近建立1個低于化學計量比的區域通對于常規噴射火焰，要控制NOx和未燃炭的排過單噴嘴實現二級燃燒。這種將主渦流區分級，然放是非常困難的。這是由于著火被延遲（著火點一后與燃盡風（0FA，火上風）混合的單噴嘴分級燃燒技般在噴燃器頂端外的1 ~2m處）以及無法控制一次術對降低NOx排放是非常有效的，同時還兼有旋流燃燒區內燃燒空氣混合狀況的緣故（見）。

　　切向燃燒鍋爐中產生高溫火焰的原理RI―ET噴燃器裝1個火焰穩定器，用以促使煤粉快速著火，因此有可能在離噴燃器很近的地方形成高溫還原區。燃燒空氣分成二次風和三次風。

　　二次風有旋流運動，把火焰中的高溫燃燒氣體帶出使其能快速著火；三次風是從一次燃燒區中通過導流筒分出來的，以形成還原火焰。煤粉管中的不均勻分布對NOx水平和未燃炭會產生不利的影響。為避免這種情況，RI―ET噴燃器安裝1個文丘里管，煤粉顆粒集中在管的中心。在文丘里管后面，顆粒集中在火焰穩定器附近，通過專門設計的煤粉聚集器可加強著火和火焰穩定性。在著火加強時，即使在低于化學計量比燃燒的工況下飛灰中的殘留炭量仍可低于5%見。

　　1996年在日本進行了熱功率為23MW的單個噴燃器的試驗臺試驗。試驗煤原產地是美國HuterValley燃料率為1.氮含量（干基）為1. 5%煤粉細度為60%<74rtm在試驗條件下噴燃器區的化學計量比（SRbnr）在0.8~0.9間變動。使用RI―ET噴嘴，在SRbnr=0.8時，達到的最低NOx排放值為30mg/M（以N2計，下同）。一般來說，在試驗臺上所達到的NOx值與全尺寸試驗的數據是一致的，或者稍高一點。特別是在小爐膛中有可能存在熱生成NOx，因此NOx要比在試驗臺上高。必須指出，在試驗臺條件下，只可能產生燃料NOx.在使用RI一ET噴燃器時，NOx排放非常低的主要原因是揮發分燃燒區的高溫和滯留時間長。

　　2.2切向燃煤鍋爐的改造在進行低氮噴嘴的詳細設計之前，必須用稱為Anlemus的計算機流體動力學模式對鍋爐的燃燒性能（溫度、2、⑴、NOx、滯留時間、結焦等）進行分析。噴燃器改造之后對鍋爐蒸汽參數的影響通過SOL-VO仿真器進行研究。噴燃器的高度和燃盡風（0FA）風口的位置則以上述分析結果為基礎來確定。噴燃器的詳細設計則由單噴燃器燃燒模式來完成。

　　該電廠屬于富騰公司，位于芬蘭南部。裝有3X315MW機組，采用蘇爾壽型鍋爐，每臺蒸發量為420t/h，汽機由高壓缸和低壓缸組成（HP18.0MPa，530°C，LP4.2MPa540°C）。噴燃器的改造在3號機組上進行，包括12個帶OFA噴嘴的RI―ET低氮燃燒器，原有風箱不變。原有的噴燃器是由CE公司提供的，帶有噴燃器傾角功能，而新的RI―ET噴燃器在垂直方向上是固定的。原煤機安裝了旋轉噴嘴環，用來減少一次風量，磨機沒有改進。對電廠的保證值包括NOx排放<170mg/M，飛灰中未燃炭<5%該電廠是捷克最大的燃煙煤電廠，有4臺燃料功率為54CMW的鍋爐。鍋爐為本生鍋爐，蒸汽產量切向燃燒系統由4臺磨煤機供煤粉。1994年對1號爐進行了噴燃器改造，由于效果顯著，其他3臺鍋爐在1995年~1997年進行了改造。所有鍋爐均安裝了16個RI―ET噴燃器和OFA風系統。現有的風箱，磨煤機和噴燃器的開孔無需進行改動。在改造中發現磨細后的煤粉細度很差，但由于著火性能得到改善和爐膛尺寸較大可以彌補此缺陷。捷克官方目前要求的NOx排放限值為230mg/M，今后有可能降低到目前中歐國家的共同標準（150mg/M）。富騰公司的保證值為：NOx排放值<150mg/M，飛灰該電廠位于波蘭Cracow城，裝有4X330MW（420t/h鍋爐）機組，同時供熱供電。鍋爐全部為自然循環汽包爐，由4臺磨煤機供煤，切向燃燒。

　　1996年對1號爐進行了改造，由于效果良好，1997年對2號爐進行改造。每臺爐改造均包括16個RI―ET噴燃器、4個OFA風系統、新噴燃器的開孔及組件（對受壓部件作了改造）、煙氣再循環、煤粉管道等。改造后的保證值：NOx排放<160mg/M，飛灰中未燃t5%.該電廠位于波蘭華沙，共裝11臺鍋爐（燃料功率180~330MW），同時供熱和供電。所有鍋爐均為自然循環汽包爐，燃煤為典型的波蘭煤。1998年夏天，富騰公司對其中2臺燃料功率為33CMW（蒸發量為380t/h和430t/h）的鍋爐采用RI―ET噴燃器進行改造。每臺鍋爐均安裝了器和4個OFA風系統，改造還包括新的噴燃器開孔，噴燃器組件的受壓部分，煙氣再循環系統，新的風箱和煤粉管道。保證值為NOx排放< 160mg/M，飛灰中未燃炭<5%最近，Sieldedd電廠將安裝1臺新鍋爐，燃料功率為180MW（230t/h），該鍋爐將安裝12臺RI―ET噴燃器以及4個OFA系統。新鍋爐將于2002年投運。

　　Iasi電廠及Iasi電廠及Suceava電廠位于羅馬尼亞。這2個電廠所有機組的容量均相同，各有2臺鍋爐。鍋爐燃料功率為330MW（420t/h蒸汽），自然循環型。這些鍋爐原來均燃用褐煤，在鍋爐和噴燃器改造后燃煤改為次煙煤。富騰公司負責整個鍋爐的改造工作，包括新的RI―ET噴燃器（16個）、新的風箱、新的煤粉管和用于次煙煤的磨煤機。為了保證在燃料由褐煤變為次煙煤后蒸汽溫度仍能達到設計值，鍋爐還安裝了煙氣再循環系統。同時，對噴燃器的位置也作了改變，因為所要求的NOx排放值較高，為200mg/M，富騰公司的供貨中不包括OFA風系統。

　　行了改造。其中3臺鍋爐已在2000年底成功投運，最后1臺將在2001年春季投運。

　　3NOx和未燃炭試驗結果在所有的工程項目中，NOx和未燃炭的保證值均能輕松達到，試驗的主要結果參見。帶二級燃燒的RI―ET噴嘴所能達到的NOx脫除率為70%~80%，主要取決于磨煤機的種類。在Naantali電廠的3號機組上，帶二級燃燒的脫氮效率只有50%，這是由于NOx的原始值較低的緣故。在比較各種不同類型的低氮燃燒系統時，脫氮效率不是主要的，重點是最終的NOx排放水平。應該注意，在Iasi和Suceava電廠的改造中沒有安裝OFA風系統，這是其NOx排放高于其他電廠的原因。

　　未燃炭質量分數/%改造前后的NOx和未燃炭排放在所有改造鍋爐中，正常負荷范圍內火焰都是穩定的，其穩定性還取決于噴嘴區的過剩空氣系數。

　　同時在鍋爐最低負荷時，火焰也很穩定，著火點離開燃料噴嘴的距離很近，因此，即使在低負荷下，NOx和未燃炭的保證值仍能滿足。由于鍋爐在低負荷下運行時火焰十分穩定，因此使用RI―ET噴燃器可以在不依靠油/燃氣的情況下降低鍋爐的最低負荷。

　　在Naantali電廠未燃炭含量很低，這是由于使用了活性極高的煤（FR=1.5）和具有穩定的高溫火焰的緣故，如在Detmaovice電廠中所看到的，火焰穩定技術還彌補了燃煤細度差的問題。

　　表示了Cracow電廠和Siekierki電廠的最低NOx，此最低值是在鍋爐帶部分負荷（SRbnr =0.9）的條件下得到的。同時也表示了在滿負荷時的NOx數值（SRbnr=1.05）。在滿負荷運行時，一般不可能達到SRbnr=0.9，這是由于受到送風機容量的限制。

　　也正由于這個原因不可能將噴燃器運行在二次或三次風旋流狀態。在鍋爐負荷較低時，可達到很低的NOx排放值，最低達70mg/M. 4結焦由于溫度很高和火焰的形狀變寬，在設計階段對防止爐膛結焦給予了特別的關注。為了減少結焦，對爐膛的4個角采用2種方法進行改造。首先各個噴燃器之間的距離增加了，這樣可以降低噴燃器區的熱釋放率，從而使噴燃器區的溫度得到降低。

　　另外，對爐膛角的幾何形狀也作了改變，使得火焰不能沖擊到爐墻上。在每個案例的設計中都采用了CFD模式（計算機流體動力學模式），以檢查爐膛的溫度場和煤粉顆粒軌跡。

　　從所有改造項目中得到的最終結論是：墻式燃燒器及切向燃燒器均能使用高溫、寬火焰（低氮）環形噴燃器，不存在結焦和腐蝕的危險。

　　5燃褐煤鍋爐的高效燃燒方法（NR 5.1切向燃燒系統歐洲一些燃褐煤鍋爐采用了切向燃燒系統，其火焰穩定在中心火球部位而不是在每個噴燃器上。一般來說褐煤所含的水分較高（20%~50%），灰分也高。由于含濕量高，燃褐煤鍋爐都安裝有專門的干燥和粉磨系統。粉磨設備一般采用錘擊或風扇式，干燥系統則不采用空氣干燥而采用熱煙氣（800 ~1000°C）與空氣的混合物作為加熱介質。熱煙氣占了大部分，僅有少量的空氣，因此氧的體積分數偏低，一般只有8%~ 15%，與煙煤燃燒系統相比低了許多。干燥后的褐煤含濕量大約在7%~12%之間，仍然要比煙煤燃燒系統高。攜帶氣體中氧量偏低，以及燃料中濕度偏高，對煤粉的著火有負面影響，從而使燃燒效率下降，NOx排放濃度增加。

　　現有的褐煤鍋爐一般都使用非常簡單的噴燃器，實際上可以認為不是噴燃器而只是一個煤粉噴入器。也就是說褐煤煤粉的著火離煤噴嘴非常遠，一般在中心火球上著火，離噴嘴2~4m.由于攜帶氣體中氧含量很低，著火和火焰穩定性均很差。這就造成鍋爐的運行范圍很窄，只有60%~100%，而且在低負荷運行時還要使用油或氣來保持火焰的穩定性和鍋爐的安全運行。

　　5.2新的褐煤燃燒系統曰立公司和富騰公司合作開發了一種全新的褐煤燃燒的概念，并研制了一種新型的利用“高溫”概念的新型低氮噴燃器一NR―LE噴燃器（NOxReduction―LoadExtension）。這種新型燃燒系統的基本特點是其具有穩定的火焰，因此可以降低鍋爐的負荷。與此同時，由于其低于化學計量比區域非常靠近噴燃器前端，以及在1個單一噴燃器中實現了二級燃燒使得NOx的排放量大為降低。這種在單一噴燃器中用0FA（火上風）風將主旋流進行分級的分級燃燒技術對于降低NOx排放是非常有效的，同時還具有旋流穩定燃燒的優點。

　　為了減少燃燒褐煤電廠的結焦，安裝噴燃器的爐膛各個角可以通過上述第4節中介紹的2種方法進行改造；上述的新概念中還包括了0FA風系統。

　　為新燃燒系統的基本原理。

　　5.3用于褐煤的NR-LE噴燃器為了開發新的NR―LE噴燃器和確定新的褐煤鍋爐的噴燃器結構，在日本Babcock日立的Kure工廠的試驗臺架上進行了為期3個月的燃燒試驗。為了這些試驗專門從捷克運了1Wt典型的東歐褐煤根據上述燃燒試驗的結果，NR―LE噴燃器的結構已經確定。為在100%和50%噴燃器負荷條件下的試驗火焰。使用NR―LE噴燃器可在很高的噴燃器調節比的條件下保持非常穩定和明亮的火焰。應注意，由于在鍋爐降負荷時切除了若干個磨煤機的緣故，這里50%的噴燃器負荷對應低于50%的鍋爐負荷（30%~40%鍋爐負荷）根據這些試驗結果，在使用NR―LE噴燃器和OFA風分級燃燒系統時可達到非常低的NOx排放。

　　最低可達到歐盟國家所要求的70mg/M. NR-LE噴燃器包括用于褐煤粉和氧體積分數為8%~14%的攜帶氣流向燃料管末端的燃流管。在燃料管末端是固定的火焰穩定環，用來幫助快速點火。燃燒空氣在NR―LE噴燃器中分成3股：二次風，三次風和輔助風。二次風和三次風通過燃燒空氣配風器進入，配風器中裝有產生旋流的軸向旋流葉片。輔助風向火焰穩定環和煤粉管中心供風，也裝有旋流器。這種新型的褐煤燃燒技術將于2001年夏季在捷克的一臺實際運行鍋爐上進行示范。

　　6生物燃料和煤粉混燒的PF―DCC工藝在現有的煤粉鍋爐上燃燒可再生燃料有幾種可選的方法：對鍋爐的底部進行改造成為流化床；對可再生燃料進行氣化，然后用噴燃器燃燒成品氣；將可再生燃料磨細后用煤粉燃燒器燃燒。在上述各種技術中，最后一種方法適用于所有類型的煤粉爐，但是需要有正確的設計和技術決竅，這樣在經濟上才是可行的。

　　在煤粉爐中直接混燒對電廠會有吸引力，因為這可減少⑴2的排放，同時又可繼續用煤作為主要燃料。混燒方式還可以使電廠的效率得到提高。對于富騰公司在煙煤和褐煤鍋爐中采用直接混燒的主要原因：（1）要求在現有燃煤電廠中減少⑴2排放的壓力；支持生物燃料的指導與措施；能源生產中使用礦物燃料的高稅率。（2）生物燃料作為輔助燃料有可能降低SO2和NOx的排放。（3）利用現有煤粉鍋爐燃燒生物燃料要比新建一臺100%燃用生物燃料的鍋爐要便宜得多。（4）直接混燒比其他生物燃料工藝（如氣化工藝）要更為便宜和簡單。（5）盡可能在能源生產中少用煤將會給人以一種“淺”綠色的形象。

　　富騰公司的混燒概念始于Naantali電廠的3號機組的混燒試驗。在Naantali電廠3號機組上的混燒試驗的目的是弄清可否用木材加工廢料來替代煤而無需增加投資。煤和木材廢料在煤場中已經作了混合，混合物通過現有的磨煤機送到爐膛。用這種給料方法，鋸木屑的比例變化范圍在4%~10%之間。通過Naantali電廠的試驗得到的結論是：（1）在煤粉鍋爐中混燒相對多的廢料，而同時又不影響鍋爐和燃燒的性能以及靜電除塵器和煙氣脫硫系統的性能是可能的。（2）利用現有的磨煤機（同時給煤）向爐膛噴入生物燃料時，受到了磨煤機性能的限制，主要是干燥能力和煤粉細度。當煤和廢料同時進料時，只能利用鋸末或其他顆粒度很細的廢料。

　　PF―DCC煤/生物燃料混燒工藝富騰公司將從Naantali電廠所取得的經驗和在程中，該混燒技術已經取得了專利（見）。在該低氮燃燒器方面的知識用到新的混燒技術的開發過（下轉第56頁）為了能使用其他生物燃料（如森林中的廢料、木片）而不僅僅是鋸末，以及使用更多量的生物燃料，應該安裝生物燃料專用的磨細和給料系統。在大型煤粉爐中，煤與生物燃料混燒的性價比最好的概念是帶有簡單的壓碎系統的生物燃料磨細裝置，然后用專用的生物燃料、煤噴燃器進行燃燒。

　　在還原氣氛下，反應（5）、（6）向正方向進行，隨著過量空氣系數a的提高，還原氣氛逐漸減弱，反應（5）、（6）受到抑制，CaO的生成量減少，反應（7）也受到抑制。但a提高，2濃度隨之提高，使反應（8）得以順利進行，從而提高脫硫效率。

　　石灰石脫硫劑的影響。采用石灰石作為脫硫劑，在粒徑不變的情況下，Ca/S增加使SO2與石灰石的接觸面積增大，反應的概率增加，脫硫效率提―定的情況下，采用粒徑較小的石灰石，易使S2擴散到脫硫劑核心，反應接觸面積加大，使脫硫效果得到提高。

　　床溫的影響。流化床溫對SO2排放量的影響很大，溫度對石灰石反應活性、固體產物分布及孔隙堵塞特性等均有較大的影響，從而影響脫硫劑的利用率。當床溫< 800°C時，鍛燒反應速率明顯下降，石灰石鍛燒產生CaO的速度限制了脫硫反應的進行。當床900C時，CaO內部的孔隙結構發生燒結而減緩了CaO與S2的反應速率，導致脫硫效率的降低。因此，在較小的Ca/S下，為達到90%以上的脫硫效率，床溫一般應控制在840~900°C范圍內。

　　循環倍率對SO2排放的影響。循環倍率越高，脫硫效率也越高，這是由于飛灰再循環延長了石灰石在床內的停留時間，提高了脫硫劑的利用率。在相同脫硫效率時，提高循環倍率，還可降低Ca/S，減少NOx的排放。

　　收穡日期：⑴fr1CH0業教學和科研。

　　（上接第54頁）工藝中，生物燃料（例如森林中的廢料、碎片，樹皮，干凈的碎木片和農作物廢料）首先要過篩，然后在粉碎機中被粉碎，接著磨細為生物燃料顆粒，最后通過專門的生物燃料、煤噴燃器（RI―BIO）送入到鍋爐中去。生物燃料和煤的混合可以有2種方法：（1）被磨細的生物燃料流在接近噴燃器區的地方加入到煤粉流中，這樣生物燃料和煤粉在進入爐膛之前就混合了；（2）生物燃料是通過一個專門的中心管加入到爐膛的，這樣生物燃料和煤粉顆粒是在火焰中混合的。

　　在每一個不同案例中這2種混合方式的不同結果及其缺點均已用計算機流體動力學（CFD）建模工具（ARDEMUS）進行了評估，因此可以保證達到最佳的燃燒狀態。

　　使用這種新的混燒技術有可能用生物燃料取代5%~30%的煤。這種新工藝的第1個示范工程將在最近開始建設。

　　7結語在旋流噴燃器和墻式噴燃器中，通過火焰穩定技術產生的高溫還原火焰已大大降低了NOx的排放。現在，按同樣的原理也可用在切向燃燒鍋爐上，運用該技術再結合火上風系統，有可能大大降低NOx排放，同時又保持飛灰中的低含炭量。在主燃燒區中帶有按空氣動力學設計的噴燃器有可能達到50%~ 80%的脫氮效率，而且不久即可在實際運行的鍋爐上達到50~70mg/M的排放水平。