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1、天然气低氮燃烧技术概述清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.卓建坤清华大学热能工程系2016-05-31清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.1 NOx控制技术2燃烧前处理 ：低氮燃料，燃料处理，富（纯）氧，添加剂低氮燃烧： 降低温度、氧含量、停留时间降低热力型 NOx ；控制混合过程降低快速型和燃料型。 SCR等技术烟气处理：通过添加剂与 NOx反应减少排放。减排效果好（可达 90%），成本较高。预混分级燃烧烟气再循环清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Co
2、mbust.3NOX生成机理与控制热力NOX瞬时NOX 降低燃烧区域氧浓度 降低整体氧浓度 控制或延迟燃料和空气的混合 形成富燃料的初始火焰区域 降低在高温区的停留时间 降低峰值火焰温度通过稀释降低绝热火焰温度降低燃烧强度增强火焰的冷却控制燃料和空气的混合利用富燃料火焰区域 减少一次火焰区域的时间预混火焰分级燃烧烟气再循环清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.2.1 多孔介质燃烧4贫燃预混、稳燃、火焰冷却气氛材料混合（李尚鹏，清华大学本科综合训练论文， 2016）超低氮燃烧稳定性经济性高效低阻紧凑在线过滤清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NER
3、C of Clean Coal Combust.水冷预混滞止火焰5工业应用示意图 rz不同当量比时轴线温度分布减小喷口与滞止板间距离火焰面附近温度梯度增大最高温度下降（张易阳，清华大学博士论文， 2015）技术方向：火焰冷却与火焰稳定性清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.催化点火燃烧6世界催化点火材料领先水平：甲烷的表观点火温度 可以降低到293 C（宗毅晨，清华大学博士论文， 2016）清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.2.2 燃料分级7（宋少鹏，清华大学硕士论文， 2016）深度燃料分
4、级和流线型炉膛匹配是可以实现扩散燃烧 NOX排放小于 30mg/Nm3清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.燃料分级8燃料分级对 NOX减排率高达 70%NO生成速率分布温度分布燃料分级率为 20% 燃料分级率为 60%火焰的分散性提高，温度场均匀，高温区减少， NOx生成区域减少清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.2.3 烟气再循环9烟气再循环可减少 70% NOx排放， CO排放未增加，出现燃烧不稳定，与循环率相关；由于比热的差异， CO2作为稀释剂比 N2更有效地降低 NOx ，在燃料侧
5、与空气侧稀释均能有效降低 NOx生成，但在 燃料侧稀释更有效 。烟气再循环对 NOX的影响(Baltasar,1997) 不同稀释方式对 Nox排放的影响(Eun-Seong,1998， 2004)清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.2.4 烟气再循环10 随着烟气再循环率提高， NOx排放呈非线性下降； 加入 10%再循环烟气后，高温区 (2120K) 面积减少了将近 10倍，随着循环率的提高，直至消失； 10%的烟气再循环率， NOX排放比无烟气再循环时降低 60%;中试实验 -烟气再循环率与 NOX， CO排放热力计算 -烟气再循环率与
6、理论燃烧温度、热容的关系清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.11 烟气再循环率与各受热面传热比例 随烟气再循环率增加： 1） 辐射 换热量 减小 ； 2） 对流 换热量 增加 在烟气无冷凝时（排烟温度大于 120 ），随烟气再循环率增加，排烟温度升高，锅炉效率有一定下降2.4.1 烟气再循环对效率影响不同烟气再循环率下排烟损失不同烟气再循环率下锅炉效率清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.2.4.1 H2O的影响 -烟气中的水蒸气12 1Nm3天然气完全燃烧时理论空气量： 9.32 Nm3/N
7、m3理论烟气量： 10.48 Nm3/Nm3理论水蒸汽体积： 2.10Nm3/Nm3 空气的过量空气系数从 1.0增大到 1.5时1） 烟气中水蒸气的摩尔百分数从20.06%减少到 14.31%；2） 烟气中水蒸气的质量百分数从13.06减少到 9.83%；3） 1Nm3天然气燃烧后可以产生1.7kg左右的水蒸气。清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.2.4.2 H2O的影响 -锅炉效率13单位体积天然气 -烟气的热力学特性 尾部烟气冷却段的温度范围 (55-200 )是冷凝段（ 55 ）的近 6倍，放热量仅为冷凝段的 50% 当烟温在冷凝段和
8、冷却段过渡位置，需要同时考虑汽化潜热和烟气显热的双重损失清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.1. 烟气再循环 & 排烟温度露点温度某 6t/h 燃气热水锅炉 、某 10t/h 燃气蒸汽锅炉某 6t/h燃气热水锅炉 -100%负荷下锅炉效率比较 （ 1）项目 符号 单位测试结果 备注100% 改前 100% 改后 GB/T 10180-2003过量空气系数 a - 1.29 1.07排烟温度 tpy 127.8 132 tpy=4.2，对应锅炉效率下降约 0.2%锅炉正平衡效率 1 % 94.34 93.71锅炉反平衡效率 2 % 94.26
9、94.31锅炉平均效率 12 % 94.30 94.01 效率下降 0.29%。 燃烧器燃烧调整（调节空燃比）和烟气再循环共同作用，影响锅炉传热特性和排烟温度，进而影响锅炉效率。烟气再循环和 H2O对锅炉效率的影响清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.烟气再循环和 H2O对锅炉效率的影响2. 烟气再循环低氮改造 & 锅炉排烟温度露点温度烟气再循环引起排烟温度升高，降低锅炉效率某 10t/h燃气蒸汽锅炉 -锅炉效率分析 （ 2）项目 符号 单位测试结果 备注100% 改前 100% 改后 GB/T 10180-2003排烟温度 tpy 55.2
10、60.28 烟气显热：排烟热损失提高，对应效率下降约 0.25%； 改前，可利用烟气中水蒸气约 10%的气化潜热，改造后下降到 5%，对应效率约 0.55%的下降效率分析 1 % 95.52-0.8=94.72 反平衡锅炉效率分析排烟温度升高，一方面增大排烟损失，降低效率；另一方面，减少潜热释放，降低效率。清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.烟气再循环和 H2O对锅炉效率的影响3. 烟气再循环低氮改造 & 锅炉排烟温度露点温度烟气潜热利用可抵消烟气再循环引起的效率下降某 20t/h燃气热水锅炉 -100%负荷下锅炉效率比较项目 符号 单位测试
11、结果 备注100% 改前 100% 改后 GB/T 10180-2003过量空气系数 a - 1.2 1.2烟气再循环率 % 0 7 低氮方案：烟气再循环 &余热利用tpy升高 2 ，锅炉效率下降 0.1%排烟温度 tpy 72.7 38.5 tpy=34.2； a=1.2，最终冷凝温度为57.18tpy=38.5 ，水蒸气冷凝率测试值达 58.93%。锅炉正平衡效率 1 % 93.88 100.93 1=7.05；烟气潜热利用锅炉反平衡效率 2 % 95.42 97.39 2=1.97；排烟温度降低锅炉平均效率 12 % 94.65 99.16清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of
12、 Clean Coal Combust.2.4.3 H2O的影响 化学反应17对冲火焰(Zhao, D; Yamashita, H， 2002)温度和 H2O对 NOX的影响H2O对 OH,N,NO， CH自由基的生成影响 火焰中蒸汽的加入，降低火焰温度； 最大火焰温度维持不变，蒸汽的加入将增加 OH自由基，降低 CH自由基，从而减少 N自由基的生成； 水蒸气的加入会使 OH自由基浓度增加，这对 NOX的降低有负面的作用，但是水蒸气的加入使 N原子自由基浓度减小，而后者对 NO的降低影响更大，因此从整体上看， NO的生成减少了；但是对于加湿对于 CO排放的影响没有形成一个统一明确的结论清华大学
13、煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.2.4.4 H2O的影响 设备寿命结冰的叶轮(图片来源：方块锅炉新品发布会报告 )烟气冷凝水 (PH:5-6) 风道的铁锈和泥浆 烟气再循环中随着冷凝水的增加，影响风道、燃烧器的寿命 无论液滴冲击，或者叶轮结冰，将使风机振动变大，容易损坏 因此，在烟气再循环中，虽然水对于NOX的降低有着明显的作用，但需要考虑防止对设备寿命的影响：再循环烟温、除雾器炉膛腐蚀清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.3.总结19技术 优点 缺点 排放值mg/m3减排效果分级燃烧 控制 简易
14、 较难实现低于30mg/Nm3的排放目标80%低氮燃烧器 +烟气再循环效果好，成本适中可能燃烧不稳定，影响锅炉效率30-100 50-85%清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.4 清华大学参与的两个北京市科委项目 (1)北京市科技计划课题 燃气锅炉低氮燃烧技术装备研发与示范 （2014.04 2016.03） 研发 8MW、 12MW两种规格低氮燃烧器，不低于 85%负荷情况下，燃气锅炉NOx排放低于 50mg/m3,CO低于 80mg/m3，锅炉效率不低于 95% 关键技术：稳燃技术，耦合技术，低氮燃烧系统主动控制技术、燃烧器与锅炉本体的匹
15、配技术20清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.清华大学参与的两个北京市科委项目 (2)北京市科技计划课题 燃气锅炉 NOX达标排放关键 技术研究 与 示范 （ 2015.09 2017.06） 20t/h现役燃气锅炉 NOX排放控制关键技术研究 (LNB+SNCR) 2.40t/h现役燃气锅炉 NOX排放控制关键技术研究 (LNB+SCR) 80t/h新建燃气锅炉 NOX排放控制关键技术研究 (LNB+PMCR) 形成满足现有 20t/h、 40t/h燃气锅炉超低 NOX排放的燃烧器样机各 1台及 SCR反应器样机 1台21清华大学煤清洁燃烧国家工程研究中心NERC of Clean Coal Combust.22谢谢各位的聆听 !欢迎交流！联系人：卓建坤电话 : 010-62795759; Email: 微信号： tucerc
