煤基乙醇装置燃气加热炉NOx减排技改总结

陕西兴化集团有限责任公司100 kt/a煤基乙醇装置于2017年建成投产，2021年12月咸阳市环保部门发文要求燃气加热炉尾气NO_x排放指标按特别排放限值(NO_x含量<100 mg/m³)执行，煤基乙醇装置加热炉尾气无法实现达标排放，NO_x减排改造迫在眉睫。为此，从NO_x产生机理入手，通过深入分析与调研市场现有低氮燃烧改造技术的优劣，结合装置的实际情况，决定对3台燃气加热炉进行改造——将加热炉燃烧器更换为一种融合了高分级燃料和烟气内循环技术的超低氮燃烧器。改造后，经测算，年可减排NO_x 2.308 t、减排烟气992.4 km³,年节约燃气(天然气)费用13.69万元，带来良好生态效益的同时还产生了一定的经济效益。     

大型乙烯裂解炉用低NOx燃烧器的结构优选

随着大能力大型化裂解炉的不断发展,国内首台单炉膛20万吨/年产能乙烯裂解炉对燃烧器提出了更高的设计要求,在稳定燃烧的同时还要满足特定的工艺要求和严苛的环保要求。采用CFD技术和热态试验方法优选新型乙烯裂解炉用低NO_x燃烧器,通过数值分析方法研究不同底部与侧壁供热比(底侧比)下裂解炉内的燃烧状态(火焰形状、火焰长度、炉内温度分布及NO_x排放量等),结果表明：在底侧比为70:30时燃烧状态最优,炉膛内温度分布均匀且满足工艺要求和环保要求。在热态试验炉上对最终设计工况(底侧比72:28)进行热态试验,结果显示:炉内燃烧状态良好,温度分布均匀且满足热通量曲线,NO_x排放量也较低。     

130t煤粉炉内煤制气还原NOx的反应机理与CFD耦合计算

在没有气源的电厂，可以采用煤制气再燃低NO_x燃烧技术，即采用空气和水蒸气作为气化介质，在1000℃以下进行气化得到煤制气，实现部分煤气化再燃低NO_x燃烧技术。本文选用GRI3.0反应机理，简化后得到了适用于NO_x还原计算的简化机理，包括26个组分和63个反应，对130 t煤粉炉进行了多步反应机理和CFD耦合计算的尝试，并对还原气喷口和还原气比例进行了设计计算，提出了改造设计方案，可实现NO_x还原率超过80%。计算结果表明，采用部分煤制成再燃气燃烧没有明显影响煤的燃尽率；130 t煤粉炉设计的三次风喷口应该上移3 m，以增加再燃反应时间；再燃气比例可设计为30%，以增加NOx还原效果。     

适应深度调峰的循环流化床NOx排放建模

为响应“十九大”绿色环保精神，满足循环流化床机组超低排放需求，建立准确的NO_x排放浓度机理控制模型对于设计循环流化床机组脱硝自动控制方法具有重大意义。从循环流化床锅炉燃烧机理切入，建立即燃碳模型，并将燃料氮分为挥发分氮与即燃碳氮2部分构建NO_x炉内自生成模型；考虑CO和即燃碳对NO_x的还原作用推导NO_x自还原模型；构建选择性非催化还原脱硝模型，综合以上模型建立了适应深度调峰的循环流化床NO_x排放模型。探究了机组深度调峰下运行参数与NO_x排放浓度的关系以及与选择性非催化还原脱硝效率的影响因素。仿真验证试验表明建立的循环流化床NO_x模型取得了较好仿真效果，稳态工况的模型计算值平均预测时间为114 s,与实测值的平均相对误差为2.50%;深度调峰下的模型计算值平均预测时间为126 s,与实测值的平均相对误差为5.42%。模型计算量较实测量提前2～3 min,具有一定预测效果。NO_x排放浓度模型可为今后循环流化床机组适应...     

真空相变加热炉内燃烧特性模拟

真空相变加热炉具有排烟温度低、热效率高等特点。针对某油田用300 kW真空相变加热炉内燃烧进行模拟研究，分析不同负荷下炉内温度场、NO_x浓度场和速度场的分布特性。结果表明：各负荷在截面高约1.7 m处平均温度均达到峰值，且排烟温度在148.2—177.1℃之间；额定负荷下出口NO_x排放质量浓度为52.4 mg/m³;在120%负荷下炉内高温区域扩大，NO_x排放增大为72.4 mg/m³;炉内高温烟气呈螺旋上升状，中心区域可引射烟气回流，从而降低中心火焰温度；该结构炉膛底部存在流体滞留区，通过模拟发现将炉膛底部和燃烧器改为12°倾斜结构，可消除底部滞留区，并在额定负荷下NO_x排放质量浓度降低为45.7mg/m³,满足排放标准。为优化真空相变加热炉结构设计提供了参考。     

面向零碳电力的氨燃烧技术研究进展

在全球碳减排大背景下,无碳燃料产业发展面临巨大机遇和挑战。氨能源具有生产技术工业化成熟、储存运输难度小以及燃烧零碳环保等优势,是化石替代能源的有力竞争者。氨燃料的研究与应用将有助于改善我国传统能源结构,实现碳减排目标。但氨作为燃料存在燃烧不稳定、层流火焰速度低以及NO_x排放高等问题,氨燃烧技术研究亟待推进。结合国内外氨燃烧技术研究成果,综述了氨燃料的物化特性和化学反应动力学研究,梳理了氨燃料在燃气轮机、内燃机、燃料电池以及锅炉等应用背景下的研究进展。相较于传统氢气、甲烷等燃料,氨层流火焰速度低,反应活性较弱,为燃烧器优化设计带来了挑战。针对不同掺混系统,学者已建立丰富的氨化学反应动力学模型,为氨燃烧应用打下基础。氨燃料燃气轮机已完成纯氨燃烧试验,结合SCR装置可实现较低NO_x排放,温和燃烧与液氨喷射等技术进一步优化了氨在燃烧器内的燃烧性能。结果表明,氨在内燃机中可通过混合的方式实现大比例掺烧,且当掺混比例小于60%时,实现较低排放。对氨/煤小比例混燃进行试验,证明了20%氨掺烧的可行性,并探讨了不同注入位置对NO_x排放的...     

缝式低NOx燃烧器结构的优化模拟

天然气作为燃料具有效率高、污染物排放少等特点,但其燃烧时易产生局部高温,同时生成NO_x。因此天然气燃烧器的优化设计,对于天然气的清洁高效利用具有非常重要的作用。针对现有新型缝式低NO_x燃烧器进行结构改进,对改进后的结构进行模拟分析和实验验证,结果表明：在天然气管道上斜开圆孔,在降低NO_x排放方面有一定的效果,温度分布均匀性也得到了保证;当开孔方向与切缝方向一致时,高温区有所减小,烟气出口NO_x平均浓度降幅较大,且随着开孔角度的增大,烟气出口NO_x平均浓度逐渐减小;细缝左侧加挡板时烟气NO_x平均浓度降低,且随着挡板角度增加,烟气出口NO_x平均浓度先降低后增加,细缝左侧加30°挡板是最佳结构。与切缝方向一致时开孔50°是最佳结构。     

多元耦合低氮燃烧技术在蒸汽锅炉中的应用

采用低氮燃烧器、烟气外循环、分级分区燃烧多元耦合低氮燃烧技术,将两台75 t/h蒸汽锅炉进行技术改造措施。改造后烟气中NO_x浓度由改造前的104.2 mg/m³降至40.6 mg/m³,烟尘浓度由改造前的5.6 mg/m³降至4.1 mg/m³,SO₂浓度为9.6 mg/m³,年均减少NO_x排放50.9 t/a,年均减少颗粒物排放0.7 t/a,烟气中SO₂、NO_x及颗粒物含量均满足《锅炉大气污染物排放标准》(DB61/1226—2018)排放浓度限值。     

高含水菌渣流化床燃烧NOx、SO2排放特性

采用流化床反应器，研究了高含水抗生素菌渣直接燃烧的NO_x、SO₂排放特性。结果表明，增加过量空气系数，NO_x排放浓度升高，SO₂排放浓度降低；升高燃烧温度，NO_x及SO₂排放浓度均升高；随着燃料含水率的增加，NO_x及SO₂排放浓度均呈现先降低后升高的趋势。空气分级燃烧能有效降低NO_x排放，二次风率增加，NO_x排放浓度显著降低；当二次风率为3/7时，NO_x排放浓度较传统燃烧降低50%。添加CaCO₃进行炉内脱硫，实验结果显示：随钙硫摩尔比（Ca/S）增加，SO₂排放浓度下降，当Ca/S 3时，SO₂排放浓度降低到25 mg·m^-3以下，脱硫效率超过99%。     

工业煤粉锅炉采用不同煤质时NOx排放特性研究

对某项目中工业煤粉锅炉中NO_x生成及排放量进行了简要研究，结果表明：煤质对NO_x的生成和排放有影响，燃用神府东胜高氮煤时，炉内NO_x生成量较高，达到225.28 mg/m³,SCR出口NO_x排放量也较高，达到了21.55 mg/m³;燃用设计的低氮低热值煤时，炉内NO_x生成量较低，为213.37 mg/m³,SCR出口NO_x排放量也较低，为16.74 mg/m³。     

不同空气分级模式下氨煤掺烧数值模拟

氨作为零碳燃料和良好的储氢介质，近年来引起广泛关注。未来在燃煤电厂掺烧零碳燃料是碳减排的重要途径。在空气深度分级模式下，对氨煤掺烧进行了数值模拟，讨论了煤燃烧区域不同过量空气系数α工况下炉内的温度场、组分浓度场及NO_x排放情况，而各工况总的过量空气系数均维持在1.2。模拟了4个燃烧工况(α=0.696、0.840、0.912、0.996)。对温度场的统计结果表明，随α降低，煤粉燃烧第1阶段的着火位置提前，但形成的高温火焰长度缩短，喷氨口附近的温度更低。在α=0.696工况下，可明显区分出煤粉火焰和氨燃烧火焰。随α提高，二者界限逐渐模糊。α降低有助于在氨燃料喷入上游形成一个较长的还原区，因此氨发生氧化反应的概率降低。但随α降低，炉内燃尽情况降低，CO排放浓度、飞灰含碳量及氨逃逸量提高。炉内NO_x浓度统计结果表明，随α降低，NO_x排放水平显著降低。进一步对炉内H₂浓度进行统计，发现α=0.696工况下，炉内最高H₂体积分数可达2%,这意味着该工况下氨的分解反应显著增强。由于氨的消耗...     

氧分级对药渣O2/CO2燃烧NOx生成规律与反应机理的影响

在我国目前能源结构中,化石能源尤其是煤炭资源占比很高,造成了极大的环境压力。抗生素发酵药渣为近年来产量迅速升高的固体废弃物,也是一种生物质燃料资源,但目前对药渣的能源化利用研究较少。以CH4等气体来模拟药渣可燃成分,利用Chemkin模拟软件中的PFR反应器构建了药渣在O₂/CO₂气氛下氧气分级燃烧及非分级燃烧模型,对2种情况下NO_x生成特性进行了模拟研究,探求了氧气分级及非分级燃烧时各种因素的影响,并利用生成速率分析法和敏感性分析法对结果进行了反应机理分析。研究结果表明,在氧气非分级条件下,NO_x转化率随燃烧温度升高先升高后降低,在1500℃左右达到峰值;NO_x转化率随过量氧气系数增加而升高,在过量氧气系数由0.9增至1.1时,增幅显著。在氧气分级条件下,主燃区燃烧温度对NO_x转化率的影响较为复杂;NO_x转化率随燃尽风率增加先降低后升高,随燃尽风位置推后降低。氧气分级条件下,还原气氛促进了NO_x中N向其他组分转化,能够明显降低NO_x生成。当燃烧温度低于1500℃,燃尽风率为0.35左右时,NO_x转化率最低。首次对药渣在O₂/CO₂气氛下的燃烧进行了反应动力学模拟研究,探求了各种因素的影响,为实现药渣能源化利用提供了指导。     

CFD技术在乙烯裂解炉燃烧器研发过程中的应用

以某裂解炉用燃烧器为例,通过建立模型、网格划分、模型选取、条件设置及迭代计算等过程运用CFD技术对炉内的燃烧情况进行了数值模拟,并对计算结果进行了分析,得出了炉膛内的燃烧流动和温度分布,为燃烧器的研发和设计提供了依据。     

玻璃熔窑烟气再循环联合燃尽风燃烧数值模拟

玻璃熔窑在采用高温低氧燃烧(HTAC)技术的条件下使用烟气再循环联合燃尽风燃烧对降低NO_x排放有极其显著的效果。基于数值计算方法建立了烟气再循环联合燃尽风燃烧数学模型,并通过实际运行数据与仿真结果对比验证了该模型的可靠性。研究表明：(1)随着烟气循环率增长,炉膛火焰温度下降,小炉出口NO_x浓度下降;(2)加入燃尽风有利于提升烟气对玻璃液的热通量;(3)本研究条件下烟气再循环联合燃尽风降氮燃烧优化运行参数为：烟气循环率5%,燃尽风率20%;在优化参数下运行时,其对应的NO_x质量流量为0.009 51 kg·s^-1,热通量为41.54 kW·s^-1,与基础工况(循环率0、燃尽风率0)相比,NO_x排放浓度下降60.73%,烟气与玻璃液间热通量增加13%;而与循环率0、燃尽风率20%的工况相比,NO_x浓度下降49.4%,烟气与玻璃液间热通量下降3.7%。为玻璃熔窑NO_x减排提供了理论支持。     

甲乙酮装置热媒炉低氮燃烧技术改造

甲乙酮装置热媒炉烟气中NO_x的含量大约为130 mg/m³，从NO_x生成机理出发，采用分级燃烧技术、助燃空气-烟气内循环技术、燃料-烟气内循环技术和二次风布置技术相结合的改造方案，可显著降低热媒炉烟气中NO_x排放浓度。NO_x排放浓度从改造前的130mg/m³下降至45 mg/m³以内，满足当地环保部门超低NO_x排放限值的要求。     

660MW燃煤锅炉掺烧再燃气燃烧数值模拟

为了研究不同种类气体再燃和再燃喷口下倾角度对燃煤锅炉燃烧特性的影响,基于FLUENT软件,选取某超超临界660 MW锅炉为研究对象,搭建再燃气体耦合燃煤燃烧模型对锅炉进行改造,在主燃烧区上部增设再燃区,研究不同种类气体再燃和不同再燃喷口下倾角度对锅炉温度场,CO、CO₂、O₂组分场以及NO_x排放量的影响。结果表明：再燃气体的加入会使锅炉主燃烧区炉膛温度降低,但会引起再燃区和燃尽区烟气温度升高,且随着再燃气体的加入,炉膛火焰中心上移,出口烟气温度上升;再燃导致炉膛出口CO体积分数升高,而O₂和CO₂体积分数降低,NO_x排放量明显下降;与纯煤工况相比,秸秆气、甲烷和沼气掺烧时的NO_x排放量分别下降了20.1%、26.2%和25.2%。再燃喷口适当向下倾斜可以改善炉内流场强度,增强锅炉燃烧效果,同时增加再燃燃料在再燃区的停留时间,有效降低炉膛出口NO_x排放量。当向下倾角为15°时,减排效果最好,秸秆气、甲烷和沼气再燃时...     

燃煤锅炉氨煤混合燃烧工业尺度试验研究

我国是以燃煤发电为主的国家,为减少燃煤电厂CO₂排放,发展替代燃煤的低碳燃料及相应的燃烧技术十分迫切。与氢气相比,氨的储存和运输成本低,更加安全可靠,是一种更具发展潜力的能源载体和载氢低碳燃料。以氨替代部分燃煤,采用氨与煤在锅炉中混合燃烧的方式,是现阶段降低燃煤机组CO₂排放一个现实可行的技术选择。为验证工业尺度燃煤锅炉氨煤混合燃烧技术的可行性,设计搭建了世界最大容量的40 MW_th燃煤锅炉氨煤混合燃烧试验系统,包括全尺度氨煤混燃燃烧器和氨气供应系统,并在此试验台实现了0～25%混氨比例(按热值)的氨煤混合燃烧试验。结果表明,在所有混氨比例下锅炉皆具有良好的稳燃与燃尽性能,且氨煤混燃条件下煤粉的燃尽优于纯燃煤工况;通过分级燃烧,在高混氨比例下可实现锅炉NO_x排放低于燃煤工况。然而,燃尽风率大于20%后,进一步增加燃尽风率对降低NO_x排放效果不显著,但会显著增大锅炉的CO排放和飞灰含碳量,影响锅炉效率。因此,燃煤锅炉氨煤混合燃烧存在最优燃尽风率,使锅炉NO_x...     

660 MWe机组煤粉炉耦合生物质气燃烧污染物排放分析

为分析煤粉炉掺烧生物质气对耦合锅炉运行性能的影响，基于660 MWe燃煤锅炉和30 t/h生物质气化炉，搭建生物质气化耦合燃煤锅炉系统模型。在额定工况下，选取松木、木屑、污泥3种生物质，研究气化过程；并将最佳气化条件下得到的生物质气引入锅炉进行混合燃烧，研究不同生物质气对锅炉运行及燃烧产物的影响规律。结果表明，生物质气化热效率在最佳空燃比下均可达90%以上。与纯煤燃烧工况相比，耦合工况的炉膛燃烧温度均有所下降，最高下降9.43℃;生物质气掺烧使锅炉效率略下降，而耦合系统的生物质利用效率均可达84%以上；且耦合燃烧减少了CO₂排放量，其中松木气掺烧时CO₂减排量最大，为2.62×10⁵ t/a。耦合系统中NO_x生成量与炉膛燃烧温度和生物质气中CH₄含量明显相关，其中木屑气耦合燃烧生成的NO_x质量浓度下降最多，为167.16 mg/m³;而SO_x生成与生物质成分密切相关，其中松木气耦合燃烧生成的SO_x     

回转窑二次风富氧燃烧的数值模拟

针对一实际尺寸的回转窑建立模型,分别进行了空气助燃(21% O₂)和二次风富氧(23% O₂)燃烧的数值模拟研究。结果表明,二次风富氧后,高温区覆盖形状没有明显变化,仍呈“棒槌状”;在回转窑前端,煤粉挥发分与焦炭燃烧速度加快,整体温度有所提升,最高温度由2386 K增至2427 K,壁面所接收的辐射量得到了提升;但NO_x的生成量也大幅度提高,其中出口处NO_x由247 mg/m³增至367 mg/m³。考虑到制氧成本问题及NO_x排放问题,在二次风中进行富氧燃烧的总体效果不够理想。     

分风分级燃烧在水泥厂的应用

分风分级燃烧与煤粉分级燃烧同时作用,可降低水泥窑初始NO_x的排放值,当分风比例约0.3时,分风分级燃烧后NO_x排放值约500 mg/Nm³。A水泥厂和B水泥厂分风比例最大约0.3,在调试过程中发现,调节脱氮管阀门,NO_x排放值波动小,证明分风分级燃烧没有明显的脱硝效果,A水泥厂NO_x排放均值约494.88 mg/Nm³,B水泥厂NO_x排放均值约478.83 mg/Nm³。