生物质燃料锅炉低氮燃烧技术研究进展_郭勇.pdf
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1、综述90节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023生物质燃料锅炉低氮燃烧技术研究进展郭勇 刘善民*朱丽华 谢曙光(河南省锅炉压力容器检验技术科学研究院,河南 郑州 450016)摘要:生物质能具有碳零排放、可再生等特点。我国NOx排放标准日趋严格,开展生物质锅炉氮氧化物排放控制技术研究至关重要。对燃料再燃、空气分级燃烧以及烟气再循环等低氮燃烧技术的原理及其国内外研究现状进行论述,分析生物质锅炉低氮燃烧技术存在的问题。通过总结分析,提出生物质锅炉低氮燃烧技术的研究应根据锅炉实际运行工况,重点对配风量、烟气再循环量等参数进行精准调控。关键词:生物质燃料;锅炉;低氮燃烧;氮氧化
2、物中图分类号:X511 文献标识码:A 文章编号:1004-7948(2023)05-0090-03 doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.024Research progress of low nitrogen combustion technology for biomass fuel boilersGUO Yong LIU Shan-min ZHU Li-hua XIE Shu-guangAbstract:Biomass energy has the characteristics of zero emission of carbon dioxide,
3、renewable and so on.Chinese NOx emission standards have become increasingly stringent,so it is very important to study the nitrogen oxide emission control technology of biomass boilers.The principle and research status of low nitrogen combustion technologies such as fuel recombustion,air graded comb
4、ustion and flue gas recirculation were discussed,and the problems of low nitrogen combustion technology in biomass boiler were analyzed.Through summary and analysis,it was proposed that the research on biomass boiler low-nitrogen combustion technology should be focused on the precise regulation of a
5、ir distribution volume,flue gas recirculation volume and other parameters according to the actual operating conditions of the boiler.Key words:biomass fuel;boiler;low nitrogen combustion;nitric oxides引言我国生物质能资源十分丰富,年均生物质能总量折合约 5 亿吨标准煤,生物质能是全生命周期意义上的“零碳排放”能源1-3。发展生物质能是践行我国清洁低碳、安全高效现代能源理念,实现我国“双碳”目标的重
6、要途径。可再生的生物质能在能源结构中的比重逐步提高,约占世界能源消费总量的10%4。预计到2050年,生物质能开发总量可达288l08吨标准煤5。锅炉是重要的热能转换工业设备,能够为工艺生产提供热水或蒸汽。在提供相同热量的情况下,燃生物质锅炉的燃料费用仅高于燃煤锅炉,低于其他类型燃料6。在燃煤锅炉使用逐渐受到限制的背景下,生物质燃料锅炉发展前景广阔。空气质量对居民生产和生活具有很大影响,氮氧化物(NOx)作为常见的大气污染物,成为关注的焦点。生物质燃料含氮量一般为0.5%1.5%7,但是在燃料燃烧中约80%(质量分数)的氮会转化为NOx8,传统锅炉氮氧化物排放浓度通常在400800 mg/m3
7、。我国NOx排放标准日趋严格,虽然采用SNCR、SCR、SNCR+SCR等传统脱硝技术,能够将氮氧化物排放浓度控制在50 mg/m3以内,但带来的锅炉受热面积灰、腐蚀、氨逃逸、运行成本增大等负面问题难以解决。因此,采用低氮燃烧技术从源头上控制氮氧化物初始排放浓度显得尤为重要。介绍生物质燃料锅炉低氮燃烧技术的原理及特点,论述国内外低氮燃烧技术研究现状,并对我国生物质燃料锅炉低氮燃烧技术的研究进行总结和展望。1低氮燃烧技术原理低氮燃烧技术主要通过控制炉内燃烧的方法降低NOx生成量。低氮燃烧技术主要包括低氮燃烧器、空气作者简介:郭勇(1986),男,硕士,高级工程师,研究方向为承压类特种设备检验检测
8、。通信作者:刘善民(1975),男,本科,正高级工程师,研究方向为承压类特种设备检验检测。基金项目:河南省基本科研业务费支持项目(项目编号:2020ky31);河南省市场监督管理局科技计划项目(项目编号:2020sj65);河南省地方标准制修订计划项目(项目编号:20211110147)收稿日期:2022-09-23引用本文:郭勇,刘善民,朱丽华,等.生物质燃料锅炉低氮燃烧技术研究进展 J.节能,2023,42(5):90-92.综述91NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION分级燃烧、低过量空气燃烧、烟气再循环技术、燃料分级技术等9,对生物质燃料锅炉低氮燃烧技术的研究
9、主要集中在燃料再燃技术、空气分级燃烧、烟气再循环技术共3个方面10。1.1燃料再燃技术原理燃料再燃技术又被称为燃料分级燃烧技术,研发时间较早11-12。该技术将锅炉炉膛分为主燃区、再燃区、燃尽区共3个区域,燃料被分区域送入。燃料再燃技术的主要原理是在主燃区和燃尽区之间喷入二次燃料,在富燃料条件下形成还原性氛围的再燃区域。主燃区投入锅炉的主要燃料,一般占燃料总量的80%90%,过量空气系数大于1,会产生以燃料型为主的大量NOx。高温烟气进入再燃区后,再燃区由于富燃料燃烧,会形成大量CH等还原性物质,在高温还原性氛围条件下将主燃区生成的NOx还原成N2,从而降低氮氧化物的排放。高温烟气进入再燃区后
10、,在高温还原性氛围条件下,部分NOx被还原生成N2,有效降低了烟气中氮氧化物含量。烟气通过再燃区域后夹带少量未完全燃烧颗粒进入燃尽区,在燃尽区送入燃尽风,将未燃尽的燃料燃尽,燃尽区内过量空气系数大于1,由于燃尽区呈氧化性氛围,部分活性氮会在该区域被再次氧化,生成NOx,造成燃尽区出口NOx含量略高于再燃区出口。采用燃料分级燃烧技术的脱硝效率可达50%70%13-14。燃料再燃技术为了取得良好的脱硝效果,要求再燃燃料应具有高挥发分性,生物质燃料挥发分高达70%15,再燃燃料具有很好的燃料特性优势;另外,要求燃料在再燃区的停留时间足够长,生物质锅炉设计时应采用大炉膛体积结构。1.2空气分级燃烧技术
11、原理空气分级燃烧技术又被称为分级配风技术,指合理分配燃料燃烧所需氧量,并分阶段送入炉内主燃区和燃尽区,使燃料经过“富氧燃烧”和“缺氧燃烧”两个过程,在主燃烧区域,燃料在缺氧的情况下燃烧。因为主燃区内空气含量低,燃料在主燃区燃烧不完全,炉膛温度降低,抑制热力型NOx的生成,同时燃料燃烧不充分产生的还原性产物(如NH3和HCN),使炉膛内形成还原性气氛,已生成的NOx被还原,NOx总生成量得到减少。在燃尽区,燃料在富氧的情况下燃烧,燃尽区的火焰温度较低,新生成的NOx量很小。一般情况下,主燃区所需空气量占燃料空气总量的70%85%。采用空气分级燃烧技术的脱硝效率可达30%40%16-17。空气分级
12、技术降低了主燃区的氧量,导致主燃区燃料燃烧不充分,增大了气体不完全燃烧损失,降低了锅炉热效率。同时不完全燃烧形成的还原性气氛,会增加主燃区腐蚀介质,造成受热面高温腐蚀及结焦18。1.3烟气再循环技术原理烟气再循环技术从锅炉的尾部烟道抽取一部分低温烟气,直接送入炉内或与一次风/二次风混合送入炉内。烟气再循环技术的核心是利用尾部烟气低温低氧的特点,将烟气喷入炉膛合适的部位,进而起到冷却锅炉和稀释炉内氧含量的作用,锅炉局部形成还原性气氛,NOx生成得到有效抑制。烟气再循环技术的经济性好,一般可以降低NOx初始排放浓度20%40%19。烟气再循环率控制是降低NOx排放的关键。再循环率高会导致炉膛温度过
13、低,导致燃烧不稳定,增加不完全燃烧热损失,影响锅炉效率;再循环率低会导致炉膛带入氧量和温度偏高,达不到脱硝效果。烟气再循环率一般应控制在10%20%20-21。2低氮燃烧技术研究2.1燃料再燃技术研究Maly22等针对不同煤种煤粉、木屑生物质以及天然气的再燃燃料,在300 kW一维炉上开展再燃效果试验研究。研究表明,生物质再燃效果仅次于天然气,比煤粉再燃效果好。Liu23等研究发现,采用再燃技术基本不影响锅炉的正常运行。李至24等研究发现,生物质用于燃煤锅炉再燃,能够有效降低燃煤锅炉的NOx排放,理论减排量可达40%90%。甄天雷25等开展生物质再燃脱硝特性实验。研究表明,杨木屑、花生壳、玉米
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