煤粉高效洁净燃烧及分配技术

作者：国家电站燃烧工程技术研究中心 冯兆兴

欢迎访问e展厅 展厅 1 发电站设备展厅 电力锅炉, 汽轮机, 水轮机, 燃气轮机, 核电设备... 前 言 近年来，随着各国政府对环保工作的日益重视，全世界范围内都兴起了治理污染、保护环境的运动。新的环保技术及产品不断涌现，同时也不断地产生新的难题。煤粉燃烧在污染排放中占重要地位，也是历来治理污染的重点和难点。许多国家在治理环境污染活动中一直把它作为中心任务，也取得了比较明显的效果。据预测，2000~2010年我国煤炭在一次能源需求中的比重仍为70%左右，2050年可降至50%以下，但煤炭消费的绝对量还是大大增加了。因此，对我国政府而言，控制环境保护总体指标，首先必须控制燃煤造成的污染，其出路无非在于大力发展以煤炭高效洁净利用为宗旨的洁净煤技术。 在洁净煤技术不断发展的十几年内，国内外均开发了许多产品和成套技术。有先进的选煤技术、水煤浆技术、煤炭气化、煤炭液化技术，有循环流化床、增压循环流化床、整体煤气化联合循环等技术，有各种处理水平的烟气净化技术及粉煤灰综合利用技术等。综合考虑我国现状，煤粉高效洁净燃烧及烟气净化技术在近期应有较广阔的应用空间。 煤粉高效洁净燃烧技术及烟气净化技术现状 煤粉高效洁净燃烧及烟气净化技术包括高效燃烧技术、低NOx燃烧技术、烟气脱硫技术、烟气脱硝技术、除尘技术等。现简要介绍如下： 一般而言，煤粉高效燃烧技术与低NOx燃烧技术是互为矛盾的两种技术。降低NOx生成与排放根本在于控制燃烧区域的温度不能太高，但低温燃烧又影响煤粉的燃烧率，协调好这两项技术的应用使之达到综合最佳效果是目的，实际上就要求对煤粉燃烧的全过程加以控制。既能够保证煤粉着火的稳定性，又有较低的燃烧温度，同时有足够长的并在一定温度下的燃烧时间保证燃烬。目前世界上较先进的燃烧技术基本兼顾了这些因素，其中以直流燃烧器为主的有：ABB-CE公司利用一次风弯头的惯性分离作用，在弯头出口中间设置有孔隔板，将煤粉气流分成上浓下淡两段气流，形成上下浓淡煤粉燃烧器，并在喷口处装有轴向距离可调整的V型钝体，通过合理组织二次风，同时达到了稳定、高效、低NOx 排放的燃烧效果；日本三菱重工（MHI）开发了PM型燃烧器，利用弯头的离心作用，把一次风分成上下浓淡两股气流，同时采用烟气再循环和炉内整体分级燃烧技术，也达到了较好的效果。以旋流燃烧器为主的有：FW公司利用旋风子使进入主燃烧器的一次风浓度增加，并降低一次风速以保证煤粉气流着火稳定性，并控制NOx 的生成量；有较多工业应用的还有B&W公司的PAX型旋流煤粉燃烧器、日本IHI公司的宽调解范围旋流煤粉燃烧器、德国斯坦米勒公司多级分级供风旋流燃烧器等。上述这些工业产品均能够保证NOx 排放在400mg/Nm3以下，并具有较高燃烧效率。目前国外正在开发的低NOx 燃烧技术可以控制NOx生成量是在200mg/Nm3左右，已达到了比较高的水平。但由于世界上很多先进国家对NOx排放规定了严格的标准，仅靠改进和提高燃烧技术难以达到NOx 控制值，因而有些锅炉机组在尾部增设了烟气脱硝装置。 我国近年来也开发了很多型式的低NOx燃烧技术，具有代表性的是浓淡煤粉燃烧器，包括水平浓淡、上下浓淡直流燃烧器、旋流燃烧器和可控浓淡旋流煤粉燃烧器等。但由于我国存在煤种多变等问题，致使这些技术在应用中遇到了一些问题，包括采用国外类似技术制造的燃煤机组也遇到了同样的问题。通过努力，最近针对褐煤锅炉已开发并已工业应用了具有一定煤种自适应性的低负荷稳燃低NOx 排放成套燃烧技术，可以控制NOx排放量在400mg/Nm3以下，燃烧效率在99%以上，比较先进。 烟气脱硫、脱硝与除尘是烟气净化的三个主要内容。在烟气脱硫方面，湿法脱硫占绝对主导地位，在发达国家占有市场90%以上。其他为半干法脱硫、炉内喷钙尾部增湿、排烟循环硫化床法、电子束氨法等脱硫技术。从发展看，湿法脱硫仍由于其指标高而占主导地位，排烟循环硫化床脱硫方法也由于其技术经济的综合优势而逐步占据了一些市场并将在发展中国家逐步得到大量应用。对我国而言，对新建机组最好采用湿法脱硫技术设备一步到位；对改造机组视煤种含硫量而定，如高硫煤可采用排烟循环硫化床方法，对低硫煤可采用炉内喷钙配以尾部增湿，尤其是现已存在的大量水膜除尘器可以综合利用其价值。在烟气脱硝方面，国外一般采用选择性还原反应装置，去除烟气中大部分的氮氧化物，其他方法尚在开发和研究阶段。国内由于资金、场地等限制，尚无工业应用先例，而且暂时也无能力完成示范机组建设。在烟气除尘方面，由于发达国家对烟尘排放率和超细颗粒脱尘率的要求持续升高，许多国家已逐步将电除尘器改为脉冲反吹滤袋式除尘器，这可以澳大利亚、美国等国家为代表。我国近期计划把大批中型机组的旋风除尘器或水膜除尘器替换成电除尘器，指标为出口烟尘不超过200mg/Nm3，飘尘则无要求。在拟建的大连台山增压循环硫化床锅炉上，中方准备采用脉冲反吹式滤袋除尘器，以达到较高性能。 国家电站燃烧工程技术中心“八五”、“九五”期间科研工作情况和成果应用情况 研究设施情况介绍 无论机理研究还是中试规模试验均可分为三部分：空气动力特性试验、气固两相流特性试验和煤燃烧特性试验，因此，中心分别建设了三个试验大厅以满足三种试验的不同要求。 空气动力特性试验大厅共800m2，供风母管制，总风量为50000Nm3/h,分四个区域：单只燃烧器流动特性研究区、炉内流动特性区、优化结构节能降阻区、测量装置与风门检测和其他产品技术开发区。测试仪器有丹迪三维热线系统，PIV系统和其他常规仪器仪表。目前已完成了30多台架试验室研究工作并多在现场应用中取得了比较好的效果。此外，还有其他的配套机理研究试验台架和流场计算软件等。 气固两相流试验大厅500m2，也是供风母管制，总风量为35000Nm3/h，压头10000Pa，供粉量可达200kg/h，粉为碳化硅或煤粉及电厂飞灰三种。可进行浓淡燃烧器开发、旋风分离及除尘器改进和电除尘、滤袋除尘器研究以及脱硫塔流动特性研究，也可进行磨损试验研究等。此外还有独立的煤粉均分器试验台、自动可调叶栅百叶窗煤粉分配器试验台及其它机理试验台。测试仪器有激光全息照相系统、片光源拍摄系统、库尔特粒度仪、光纤浓度分析系统、流场图形再现分析系统及及其它浓度和流场的常规测试系统。 煤燃烧特性试验大厅700m2，可分为三大部分。第一大部分为引进加拿大安大略省电力公司燃煤燃烧中试试验系统装置（CRF）。每小时燃煤量为20kg,热功率为0.2MW。该装置分原煤干燥系统、原煤粉碎系统、制粉系统、燃烧系统、一二次风系统、烟气处理系统、炉内喷钙系统、烟气除尘系统、烟气成分测试系统和控制系统等。测试系统与控制系统采用罗斯蒙特烟气在线分析系统和其它流量、温度、压力传感器，全部输入计算机并由计算机对所有变量进行在线动态调整，以满足试验条件和要求。该装置可全面准确地模拟原煤干燥、粉碎、制粉、输粉、燃烧、烟气处理的全过程，可重点进行运行参数、燃料品质对燃烧的稳定性、燃烬程度、沉积物的形成、污染物的形成、粒子的排放和收集的影响程度的评估与研究，并可在此过程中开发新的低NOx燃烧技术、炉内喷钙技术和其它烟气处理技术。这套装置自动化程度高，控制、测试仪器水平高，试验重复率好，可进行较为广泛的技术开发与研究，是国际上较为先进的煤燃烧试验装置之一。目前，中心对这套试验装置又进行了一些改造，重建了燃烧系统、增加了燃烧功率至0.3MW，增加了烟气尾部增湿活化装置、增加了悬浮法烟气脱硫装置，并正在开展新的研究。 第二大部分是与荷兰能源基金会（ECN）合建的常压夹带流气化和燃烧模拟装置（AEFGC）。它装有一个整体、预混合和多级平火焰煤气燃烧器，每小时燃煤量为5g左右，通过在不同级段提供不同的混合气粉，模拟颗粒在实际过程中经历的初始加热率、预混合和气态环境，是近似单颗粒机理研究的基础设施。同它配备的有气体分析系统、供粉系统、测试系统和其它先进的控制系统。 第三部分是基础研究设施，包括热重/差热同步分析实验室、燃料元素快速分析及燃料其它特性分析实验室。可进行燃煤着火特性、燃烬率、燃烧反应动力学以及脱硫的机理性试验研究和分析。 除这些物理研究之外，中心还配置了一些专门人员进行流动、扩散和燃烧的数值模拟研究工作，并从德国引进了一套包括NOx生成预测的数值模拟软件，取得了一定的成果。 研究情况和应用情况 “八五”、“九五”期间，中心先后承担了百余项纵向、横向科研与生产改造和产业制造项目。其中国家科委“九五”重点攻关项目专题子专题项目七项、国家计委示范生产线建设项目两项。另外，国内外发表论文百余篇，并多次获得国家科委、国家电力公司、东北电力集团公司、辽宁省科委与沈阳市的奖励。现简要介绍一下研究的重点课题和应用情况。 整体分级低NOx燃烧技术开发 该项目是国家“九五”重点攻关项目子专题。研究内容是开发一种从整体上将煤粉着火区与燃烬区分开，获得低负荷稳燃、低NOx排放、提高煤粉燃烧效率、降低炉内结渣强度、提高机组出力效果的实用技术。通过理论分析和数值模拟研究、试验室机理研究和中试等多种研究手段研究，中德专家共同提出了一种工程改造方案，并在元宝山发电厂2号炉上得以实施。该锅炉由德国Steimueller公司制造，额定蒸发量1814.25t/h，于1986年投产。作为当时国内最大的火力机组存在着炉内严重结渣，再热器超温严重，锅炉出力仅为额定出力75%，NOx排放为1000mg/Nm3以上等严重问题。改造方案实施后，解决了上述全部问题。并且，改造方案工程实施难度较小。这一课题的完成，使中心在掌握褐煤燃烧特性、合理组织燃烧结构、降低污染物排放、减轻结渣等方面都取得了较好的成果。 具有自适应性的低NOx煤粉燃烧技术研究。 该项目是国家“九五”重点攻关项目子专题。一般的低NOx燃烧技术，不随煤种变化而变化，也不因负荷变动而随之相应调整。这样有时在煤种及负荷变动很大的情况下，就不可避免地发生喷口结渣或低NOx燃烧效果不佳等共伴矛盾。在本项目研究中，采取了将煤粉分为二级浓缩的办法，一级是自动可调的增强效果浓缩器或强制均分器，一级为基础浓缩器。二种方法结合可得到与负荷和煤种变化同步变化的连续可调浓缩比，实现可控燃烧过程。从而实现沿炉膛高度方向热负荷可调、提高燃烧效率、低NOx燃烧、减少再热器减温水、避免炉内结渣、低负荷稳燃性能好等功能。这项技术及产品适用于风扇磨煤机的燃烧制粉系统，实施时还应配套中心研制的FDD智能型流量测量装置等以确保合理配置二次风等。该技术产品已应用于二台300MW机组和三台200MW机组，均取得了相当显著的经济效益和社会效益。 可调、可控、均分、均流、低阻的煤粉均分器开发 该项目也是国家“九五”重点攻关项目子专题。对于中速磨煤机或双进双出钢球磨煤机而言，保证同磨各只燃烧器的煤粉总量、煤粉浓度、煤粉细度偏差不大于10%，是CE锅炉设计标准，更是保证各只燃烧器热功率偏差较小、着火条件相同、避免炉内结渣和现代低污染燃烧技术正确应用的必要条件。开发这项关键技术涉及到很多学科和技术领域。此前国际上只有美国、德国和日本能够使这项技术变为商业化产品。通过机理研究和中试模化研究，中心研制了分别配套于200MW、300MW、600MW机组的WF型煤粉均分器、一次风隔离门、调整门和速断门等系列配套产品。上述产品在朝阳电厂解决了原德国产煤粉均分器替代问题，解决了铁岭发电厂300MW机组结渣、风机倒转而引起的跳闸、炉膛灭水等问题以及元宝山发电厂引进技术国产600MW机组煤粉均分器配套等问题。这项技术的研制，为大型火电机组的安全洁净和经济运行，提供了设备和技术保障。 燃烧制粉系统防磨技术研究 这也是国家“九五”重点攻关项目子专题项目，该项目旨在开发经济、耐磨、安全的制粉系统设备，提高磨煤机易磨损部件的寿命。通过研究现已开发出成型的可修复中速磨煤机磨辊等产品，并广泛应用于沈阳周边几个大型火力发电厂。 火力发电厂烟气脱硫装置开发 本项目为国家科委“九五”重点攻关地方攻关项目，项目核心在于开发一些适合我国国情并具有我国特色的脱硫装备与技术，为大规模工业改造作技术储备，通过几年的研究工作，分别在中试规模试验台上完成了炉内喷钙脱硫和炉内喷钙尾部增湿活化烟气脱硫以及悬浮法烟气脱硫试验研究，掌握了技术和工艺的关键，并初步设计了工程改造方案和关键设备，为下一步工作打下了基础。 除尘、脱硫一体化应用技术开发 本项目为中加合作项目。我国在七、八十年代建设了一大批以水膜除尘器为除尘方式的中小机组，近年来由于环境保护的要求，亟待提高其除尘效率。本项目采用国外成熟技术，设计将原文丘里管部分折除，替换为水洗室和新型文丘里管，清洗水部分为新增水循环系统。整个烟系统阻力不大于原系统阻力，总耗水量增加不到一半，除尘特性指标与四电场电除尘器持平。此外，可在水循环系统中加入脱硫剂，预期脱硫效率在60%以上，还可在炉内增加喷钙设备，总脱硫效率达80%以上。这样，既利用了现有设备，又达到了国家标准，并在简易脱硫技术应用上有所突破，取得明显的综合效益。该项目的示范工程正在设计实施之中。 除上述六个项目之外，中心在其它高效低污染燃烧技术、节能技术、混煤燃烧技术、可靠性管理系统、燃料计算机管理系统、输煤自动化系统、电力系统图纸计算机管理系统等自动化控制方面也取得了成果，并广泛地应用于电厂，创造了显著的直接和间接的经济及社会效益。 关于“十五”期间国家洁净煤燃烧技术发展方向的几点想法。 关于脱硫问题，国家应制订一个比较长期的稳定政策并强化实施，刺激脱硫技术设备规模化、产业化发展。并组织力量联合对湿法脱硫技术设备国产化进行攻关、对CFB脱硫技术进行成套化攻关，以经济手段鼓励脱硫新技术新工艺的开发和工程化示范应用。 考虑到国情的限制，在新建机组中大力推广高效洁净燃烧技术的同时，还要对现有机组加大改造力度，尤其对NOx的排放要采取一些强制措施，推进高效洁净低NOx燃烧技术的推广，减轻酸雨的危害。 提高除尘效率的改造要考虑到未来烟气脱硫后的情况。目前的改造以推广电气除尘器为主，如果未来采用非湿法脱硫技术改造机组，电除尘效率将大受影响。要考虑采用除尘脱硫一体化技术建立示范工程项目，还应尝试新型滤袋式除尘器的示范应用。 把节能技术与洁净煤技术有机地结合起来，互相兼顾。研究开发燃煤联合循环和煤炭转化等高新洁净煤技术，为下世纪的大规模应用打好技术基础。 大力开展清洁能源的研究工作，太阳能、风能等洁净能源的技术水平，使其产品达到商业化水平，并着手开展其推广应用工作。(end)

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