低氮氧化物燃烧技术.pptVIP

第三章煤粉炉低NOX燃烧技术,3-1概述3-2煤燃烧过程NOX生成机理和降低NOX排放的理论依据3-3燃煤电厂锅炉降低NOX排放的燃烧技术3-4NOX排放控制技术改造存在的问题4-9烟气脱氮技术,3-1概述,一、氮氧化物排放现状及控制与SOX排放不同，燃煤锅炉NOX排放水平与煤种、锅炉和燃烧器形式、炉内温度水平、炉内烟气气氛等因素有关。不同燃煤锅炉的NOX排放水平见下表,火电厂大气污染物排放标准GB132232003,表3火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度单位：mg/m3,第3时段火力发电锅炉须预留烟气脱除氮氧化物装置空间。液态排渣煤粉炉执行Vdaf10的氮氧化物排放浓度限值。,二、氮氧化物排放控制技术常规燃煤粉电站锅炉控制NOX排放的技术措施大致可分为两大类：低氮氧化物排放燃烧技术。包括低过量空气燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧以及烟气再循环技术等。尾部烟气脱氮氧化物技术。包括选择性催化还原法（SCR,SelectiveCatalyticReduction)、非选择性催化还原法(NSCR)、选择性无催化还原法(SNCR)、电子束辐射烟气脱硝等。本章介绍低氮氧化物排放燃烧技术，另外，也对烟气脱硝技术作简单介绍。,3-2NOX生成机理和降低NOX排放理论依据,一、煤燃烧过程NOX生成机理(一)热力型NOX(Thermal-NOX)(二)燃料型NOX(Fuel-NOX)、燃料型NOx的生成机理、燃料型NOx的转化率、影响燃料型NO转化率的煤质因素4、影响燃料型NOx转化率的运行因素(三)快速型NOX(Prompt-NOX)二、抑制NOx生成的理论依据(1)抑制热力型NO的基本策略(2)抑制燃料型NOx的基本策略(3)利用二次燃料的燃烧还原NO,一、煤燃烧过程NOX生成机理煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要包括NO、NO2和N2O三种，前两种合成NOX。一般煤粉炉燃烧过程中N2O的生成量很小，可以忽略，但流化床燃烧过程中N2O的生成量很高，不能忽略。在煤粉炉产生的NOX中，主要是是NO，而NO2所占份额很少。在煤的燃烧过程中，同时存在着NOX生成的氧化反应和被破坏的还原反应，低氮氧化物燃烧技术就是在燃烧过程中抑制前者的进行而为后者创造有利条件。这需要知道NOX的生成机理。NOX的生成包括三种不同的类型，即热力型、燃料型和快速型，后面分别介绍。,返回,（一）热力型NOX(Thermal-NOX)在高温环境下，由燃烧用空气中的氮氧化而生成的NOX，称为热力型NOX。N2在空气中的高温氧化反应为一组不分支的链式反应（M为不参加反应的第三种物质原子）：在热力型NOX的生成其中，第二步反应的活化能较高，控制了总的反应速度。,热力型NOX形成的主要控制因素是温度，温度对热力型NOX的生成速率的影响呈指数函数关系。实际上,在1350以下时，热力型NOX的生成量是很少的，但随着温度的升高,其生成量迅速增加，当温度达到1600时,其生成量可占炉内由NOX总量的25%30%。影响热力型NOx生成的另一个主要因素是反应环境中的O2浓度，NOX的生成速率与O2浓度的平方根成正比。,返回,(二)燃料型NOX(Fuel-NOX)一般认为，燃料型NOX是燃料中含有的氮化合物在燃烧中发生热分解，并进一步被氧化而生成的。它在煤燃烧NOx产物中占6080，是NOX主要的来源。由于在煤的燃烧过程中不仅有NOX生成的氧化过程，也有分解NO的还原过程，因此最终烟气中NOX量的多少取决于两者共同作用的结果。影响燃烧产生NOX量的因素非常复杂，主要与煤种的特性、煤中氮化合物的存在形态、燃料中氮热解时在挥发分和焦炭中分配的比例和各自的成分、燃烧气氛中的氧浓度、燃烧温度等有关。,返回,、燃料型NOx的生成机理在生成燃料型NOx过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生NHi、HCN和CN等含N的中间产物基团，然后在氧气存在条件下再氧化成NO。同时在还原性气氛中NHi、HCN也会与已经生成的NO进行还原反应。由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型NOx的形成也由气相氮化合物（挥发份氮）的氧化与还原以及焦炭中剩余稳定氮化合物（焦炭氮）的氧化和还原两部分组成。,燃料中氮分解为挥发分N和焦炭N的示意图,（）由挥发分N转化为氮化合物的主要反应途径,在煤燃烧初始阶段的挥发产物析出过程中,大部分的挥发分氮(气相氮化合物)随煤中其他挥发产物一起释放出来,首先形成中间产物，NHi(i=1,2,3)、CH以及HCN（氰）,其中主要是NH3和HCN。在氧气存在的条件下,含氮的中间产物会进一步氧化而生成NO；在还原性气氛中,则HCN会生成多种胺(NHi)。胺在氧化气氛中既会进一步氧化成NO,又能与已经生成的NO进行还原反应。,焦炭燃烧时,在焦炭表面生成NO的反应和NO被还原的反应均属于异相反应,其反应机理非常复杂且尚不完全清楚。一般认为存在以下反应过程。,（）由焦炭N转化为氮化合物的主要反应途径,在煤粉燃烧的一般环境下，挥发分氮生成的燃料型NO占总量的60-70%，而焦炭氮生成的NO占总量的30-40%,返回,、燃料型NOx的转化率,由于燃烧过程存在着NO的还原反应，因此并不是燃料中所有的氮最终会全部转化为NO。燃烧过程中最终生成的NO浓度和燃料中氮全部转化成NO时的浓度比为燃料型NOx的转化率CR最终生成的NO浓度燃料N全部转化成NO的浓度试验研究表明，影响CR的主要因素是煤种特性以及炉内的燃烧条件。,返回,(1)燃料中氮的含量燃料中氮的含量增高时,燃料型NO的转化率呈降低的趋势。但并不等于燃料氮越高,烟气中生成的NO浓度也越低,通常情况下,燃料氮含量越高,所生成的燃料型NO量也较高。,、影响燃料型NO转化率的煤质因素,(2)固定碳与挥发分的含量之比在一定的过量空气系数下,煤中固定碳与挥发分的含量比例越高，NO的转化率越低。（只有在1的情况下成立）(3)煤的挥发分挥发分对NO转化率的影响与过量空气系数的大小有关。在1的氧化气氛中,煤的挥发分越多,燃料型NO的转化率越高。在1还原性气氛中,高挥发分煤种的燃料型NO的转化率反而降低。对高挥发分煤，在煤迅速着火后,使局部的氧量更进一步的降低,从而抑制了燃料氮向NO的转化,因此,煤中的挥发分含量越高,其生成的NO的浓度越低。并且挥发分氮裂解产生的HCN和NH3均较多，还原NO能力较强。在1还原性气氛中，对低挥发分煤,其HCN和NH3均较少,已经生成的NO即使在还原气氛中也不容易被还原,这也是控制燃烧无烟煤锅炉的NO排放要比烟煤难的一个重要原因。,返回,4、影响燃料型NOx转化率的运行因素,(1)过量空气系数过量空气系数越高,烟气中氧含量越高,燃料型NO的生成浓度和转化率也越高。有研究表明，燃料型NO的生成速率与燃烧区氧气浓度的平方成正比。因此,控制燃料型NO的转化率和生成量的主要技术措施是降低过量空气系数,在NO的生成区域采用富燃料燃烧方式是十分有效且比较方便的减排NO的技术措施。但过量空气系数太低会影响锅炉的燃烧效率。,(2)温度的影响一般认为：燃料型NO主要生成在挥发分的析出和燃烧阶段，因此，燃料中的气态含氮化合物在达到热解温度时开始分解,并最终生成N0 x。此时，炉内N0 x浓度达到最高；当煤粉颗粒温度继续上升时，在焦炭表面上NO的还原反应使部分已经生成的NO还原成N2，因而在一定温度范围内，燃料型NO的生成速率与还原速率接近平衡，使NO的生成量变化不大；当煤粉颗粒温度再进一步升高时，NO的还原反应速率大于NO的生成速率，使燃料型NO的生成量有所降低。但温度升高时,热力型NOx的生成量也在急剧增加。由于燃料型NOx的反应机理十分复杂,且可靠的实验数据还十分有限，目前还很难确切地说明温度对燃料型NOx生成量的综合影响规律。,返回,(三)快速型NOX(Prompt-NOX)快速型NOX的生成机理目前尚有争议，一般认为是通过碳氢化合物燃料产生CH原子团撞击N2分子,生成CN类化合物,再进一步氧化成NO。这个反应进行得很快,所以称之为快速型NOX以下反应式是控制快速型NOX生成速率的重要反应：CH+N2HCN+N快速型NOX的生成对温度的依赖程度很弱。与热力型NOX和燃料型NOX生成量相比,它的生成量要少得多,在分析计算中一般可以不计人,仅在燃用不含氮的碳氢燃料时才予以考虑。,返回,（1）抑制热力型NO的基本策略热力型NO生成的影响因素比较明确：降低火焰峰值温度，降低燃料在最高温度区域的停留时间，降低最高温度区域的局部氧浓度，是抑制热力型NO生成的基本策略。大型电站煤粉燃烧锅炉，炉膛内火焰中心的峰值温度接近或超过1600，热力型NO占到25%-30%的份额，因此，降低火焰的峰值温度和燃料在高温火焰区内的停留时间对抑制热力型NO的生成总是十分有效的。另外，降低在高温火焰局部的氧浓度也是有利的。,二、抑制NOx生成的理论依据,返回,（2）抑制燃料型NOx的基本策略为了减少燃料型NO的排放量,不仅要尽可能地抑制其生成,还要创造有利于NO还原的条件,以促使已经生成的NO发生还原反应。在煤粉燃烧的高温条件下,燃料氮中的70%90%会转化为挥发分氮,而在1的件下,如果可以保证一定的停留时间，由挥发分氮生成的NO量会大大减少，而生成分子氮。对采用大型燃烧器的大容量煤粉锅炉，是比较容易实现富燃料燃烧和较长停留时间的。在煤燃烧过程中的一定阶段,创造富燃料区，降低局部氧浓度，不仅对抑制挥发分氮生成的NO，而且对降低热力型NO也是有效的。在1%2%)与CO的浓度(维持CO02%),以避免水冷壁管金属发生腐蚀。,返回,4-9烟气脱氮技术各种低NOx燃烧技术能较经济地降低燃煤锅炉排放值，但一般只降低排放50%左右。据环保法对排放的要求，应低于40%方可，故应考虑燃烧后的烟气脱硝处理技术。烟气脱硝处理技术包括干法和湿法两大类，已经进行商业应用的主要是干法烟气脱硝技术。干法烟气脱硝技术又分为选择性催化还原法（SCR）、非选择性催化还原法（NSCR）、选择性无催化还原法（SNCR）、电子束照射法、活性炭法等。其中最主要的是选择性催化还原法。,选择性催化还原法（SCR）,用氨作为还原剂,在催化剂存在的条件下,将烟气中的N0还原成N2,脱氮率可达90%以上。根据所采用的催化剂不同,其适宜的反应温度范围也不同,一般为300-340。由于所采用的还原剂氨一般只与烟气中的NOX发生反应,而不与烟气中的氧发生反应,所以将这类有选择性的化学反应称为选择性催化还原法。,非选择性催化还原法（NSCR）,用CH4、CO、H2等作为还原剂,在烟温550800范围内及催化剂的作用下,将NOx还原成N2。但是这类还原剂除了与烟气中的NOx反应以外,还与烟气中的残余氧反应,生成水或二氧化碳,因此,还原剂的消耗量比选择性催化还原法高出45倍。另外,该反应要放出热量使烟气温度上升。,选择性无催化还原法（SNCR）,在不采用催化剂的条件下,将氨作为还原剂的还原反应只能在9501100这一温度范围内进行,因此需将氨气喷射注入炉膛出口区域相应温度范围内的烟气中,将NOx还原为N2和H2O。也称为高温无催化还原法或称为炉膛喷氨脱氮法。这类脱氮方法的脱氮效率为40%60%,而且对反应所处的温度范围很敏感。该法的主要特点是无需采用催化反应器,系统简单。,目前，已在火电厂采用的主流烟气脱硝工艺是SCR。该法尽管系统复杂、运行成本较高并且会增加系统阻力，但是脱氮效率高、无废水和其它有害副产品产生。下面对SCR脱硝系统做一个简单介绍。,选择性催化还原法（SCR）脱硝系统,脱硝反应,烟气SCR脱硝法采用催化剂促进氨与还原反应。若使用钛和铁氧化物类催化剂，其反应温度为300oC至400oC，当采用活性焦炭时，其反应温度为100oC至150oC。根据反应器在锅炉尾部烟道的位置,有三种方案:(1)在空气预热器前350oC位置.(2)布置在FGD(湿法烟气脱硫装置)之后,SCR反应器置于空气预热器前,锅炉,静电除尘器,SCR反应器,空气预热器,NH3储罐蒸发器,去湿法烟气脱硫系统,NH3,空气,NH3,NH3+空气,此时烟气温度处在300到500oC之间,适用于多数催化剂的催化还原反应。但烟气中含有飞灰、二氧化硫等,故反应器在“不干净”的高尘烟气中，还原剂寿命受影响:烟气飞灰中Na,K,Ca,Si,As会使催化剂中毒或污染.飞灰对催化剂反应器的磨损和使催化剂反应器蜂窝堵塞.如烟气温度升高,会使催化剂烧结或使之再结晶失效.高活性催化剂会使二氧化硫氧化成三氧化硫.,SCR反应器置于FGD之后,锅炉,静电除尘器,SCR反应器,空气预热器,NH3储罐蒸发器,NH3,NH3+空气,湿法烟气脱硫系统,空气,气/气加热器,去烟囱,空气,气/油燃烧器或蒸汽换热器,布置在FGD(湿法烟气脱硫装置)之后其优点显而易见,此时可使用高活性CATA.且结构紧凑,其寿命较长.但问题是反应器在FGD之后,温度仅有50-60度,故需加热升温。,国内烟气脱硝情况,2005年4月3日，浙江国华浙能发电有限公司与上海日立贸易有