（热能工程专业论文）分级燃烧控制大型燃煤锅炉nox生成的试验研究.pdf

摘要 摘要 燃煤锅炉是电力行业应用最为广泛的动力设备，在人类生产和生活中具有广 泛而重要的应用。近年来，随着人们对环境污染问题的日益关注，燃煤锅炉的氮 氧化物排放也成了电力行业急待解决的环境问题。 空气分级燃烧和燃料再燃是国内外应用较为广泛的低n o x 技术。本文根据 空气分级原理，改变锅炉的负荷条件，一、二次风风门开度，并测定了在这些工 况下的n o x 排放浓度，烟气中的飞灰含碳量以及空气预热器出口烟气温度，通 过分析比较，总结出锅炉在各不同负荷条件下的最佳运行条件，降低了嘉兴电厂 s g 一1 0 2 5 1 8 3 5 4 0 5 4 0 1 四角切圆煤粉锅炉的n o x 排放。并且通过改变煤粉的粒 径进行试验，得n - j 使用超细煤粉代替普通粒径煤粉对于使用空气分级燃烧的锅 炉的n o x 排放浓度，烟气中的飞灰含碳量以及空气预热器出口烟气温度的影响。 然后利用计算流体力学( c f d ) 软件对此锅炉燃烧情况进行数值模拟，研究炉内 流动、传热传质和燃烧过程，得到了炉内的速度场、温度场，给出炉内的n o x 分布，与实际情况进行比较，验证了数值模拟的正确性。在此基础上，通过模拟 预测了采用超细煤粉再燃对于降低此锅炉n o x 排放的可行性。 通过以上的现场试验以及数值模拟，得到了：采用空气分级燃烧能降低此锅 炉的n o x 排放浓度，且分级程度越强越有利于n o x 排放的降低。在3 0 0 m w 下， 最优的空气分级配风工况的n o x 排放比原始工况下降了2 4 。采用超细煤粉代 替普通煤粉进行空气分级燃烧能进一步降低n o x 排放。在现有基础上，采用空 气分级燃烧的方法比超细煤粉再燃的方法能更有效的降低此锅炉的n o x 排放浓 度。 关键词：低n o x ；分级燃烧；四角切圆锅炉；数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t i ne l e c t r i ci n d u s t r y , p u l v e r i z e dc o a lb o i l e ri so n eo ft h ep o w e re q u i p m e n tw h i c h i sw i d e l yu s e d i ti sv e r yi m p o r t a n tb e c a u s eo f i t se x t e n s i v eo c c u i t e n e ei ni n d u s t r ya n d i np e o p l e sl i v i n gl i f e p e o p l eh a v ep a i dm o r ea n dm o l ea t e n t i o nt ot h ep o l l u t i o no f e n v i r o n m e n t a n ds o ，t h ee m i s s i o no f n i t r o g e no x i d eo f t h ep u l v e r i z e dc o a lb o i l e r si s a l s ob e c o m i n ga l le n v i r o n m e n t a lp r o b l e mt ob es o l v e d a i rs t a g e dc o m b u s t i o na n dr e b u mt e c h n o l o g ya r e t h ep o p u l a rd e n o x t e c h n o l o g i e su s e di nt h ew o r l d t h en o xe m i s s i o nf r o mt h ej i a x i n gp o w e rp l a n t 3 0 0 m wb o i l e ri sr e d u c e dt h r o u 曲f i e l de x p e r i m e n t ，b yu s i n ga i r - s t a g i n gt h e o r y t h e b o i l e ri s t a n g e n t i a lf i r i n gp u l v e r i z e d c o a l b o i l e r , a n dt h e t y p e i s s g - 1 0 2 5 1 8 3 5 4 0 5 4 0 1 i nt h ef i e l de x p e r i m e n t ，t h ec o n c e n t r a t i o no fn o x ，c a r b o n c o n t e n ti nt h ef l y i n ga s h , a n dt h et e m p e r a t u r ea tt h eo u t l e to ft h ea i rp r e h e a t e r & r e t e s t e da td i f f e r e n tp r i m a r ya i ra n ds e c o n da i ro fd i f f e r e n tb o i l1 0 a d a n dt h r o u g ht h e s a n l ee x p e r i m e n tw i t ht h ec o a lp a r t i c l ed i a m e t e rc h a n g i n g , t h ei n f l u e n c er u l e so f d i f f e r e n tc o a lp a r t i c l ed i a m e t e r st ot h en o xe m i s s i o n , c a r b o nc o n t e n ti nf l y i n ga s h ， a n dt e m p e r a t u r ea tt h eo u t l e to f t h ea i rp r e h e a t e ro f t h eb o i la l ea l s oo b t a i n e d a n dt h e b o i l e ri ss i m u l a t e db yu s i n g f l u e n t al d n do fc f ds o t t w a r e t h ef l o w , c o n v e c t i o n a n dc o m b u s t i o ni nt h eb o i l e ra r es m d i e da n dw eo b t a i nt h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o n , t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h en o xd i s t r i b u t i o ni nt h eb o i l e r b a s e do nt h i s ，w e f o r e c a s tt h ef e a s i b i l i t yo f u s i n gm i e r o n i z e dc o a lr e b u m i n gt od e c r e a s en o x t h i sp a p e rc o n c l u d e st h a t ：t h en o xc o u l db ed e c r e a s e db yu s i n ga i r - s t a g i n g , a n d t h em o r es t a g i n gi n t e n s i t y , t h el o w e rn o xa m o u n ti s t h en o xd e e a s ep r o p o r t i o n r e a c h e s2 4 a tt h eb e s ta i r - s t a g i n gc o n d i t i o n u s i n gm i 凹o m z e dc o a lc a nd e c r e a s e m o l en o xa tm r - s t a g i n gc o n d i t i o n i ne x i s t e n c eb o i l e re q u i p m e n t , a i r - s t a g i n gi sa m o r ee f f e c t i v et e c h n i q u et h a nm i c f o n i z e dc o a lr e b u r n i n gi nn o xe m i s s i o nr e d u c t i o n k e yw o r d s ：l o wn o x ；s t a g i n gc o m b u s t i o n ；t a n g e n t i a lf i r i n gb o i l e r ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容；按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：段建 坷年弓月侣日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名；学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原刨性声明的法律责任 由本人承担。 签名：憩技 碲年弓月g 日 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 煤炭是世界上最丰富的化石燃料资源，占世界化石燃料储量的7 0 左右。 目前煤炭约占世界一次能源消费的3 0 ，据世界能源会议预测，煤炭作为一次 能源重要组成部分的地位将在相当长时间内不会改变，预计2 0 2 0 年煤炭将占世 界一次能源消费的3 3 7 t 1 , 2 】。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，长期 以来，煤炭在我国的能源结构中一直占有主导地位( 表1 1 ) 。目前煤炭占我国能 源需求总量7 0 左右，大大超出了世界平均水平。这样的能源构成在今后相当长 的时期内不会改变，预计到2 0 2 0 年，煤在我国一次能源消费中的比例仍将占到 6 0 l ：! a 上，就消费总量而言，更将从现在的1 2 亿吨增长到2 3 亿吨【3 1 。 表1 - 1 中国一次能源产量，消费量及构成【4 】 能源生产 占能源生产总量惕能源消费占能源消耗总量 年份 总量m t 原煤原油天然气水电总量n i t原煤原油 天然气水电 1 9 6 02 9 6 3 79 5 62 5o 51 4 3 0 1 8 89 3 9 04 1 1 00 4 51 5 4 1 9 7 03 0 9 9 0 8 1 61 4 11 23 12 9 2 9 l8 0 8 91 4 6 70 9 23 5 3 1 9 8 06 0 2 7 6 9 42 3 83 o3 86 0 2 7 57 2 1 52 0 7 63 1 03 9 9 1 9 8 58 5 5 4 67 2 82 0 92 04 37 6 6 8 27 5 8 l1 7 1 02 2 44 8 5 1 9 9 01 0 3 9 2 27 4 21 9 o2 o4 8 9 8 7 0 37 6 2 01 6 6 02 1 05 1 0 1 9 9 51 2 9 0 3 47 5 31 6 61 9 6 21 3 1 1 7 67 4 6 01 7 5 01 8 06 1 0 2 0 0 01 0 6 9 8 86 6 62 1 83 48 21 3 0 2 9 76 6 1 02 4 6 0 2 ，5 0 6 8 0 2 0 0 21 3 8 3 6 97 1 21 7 33 18 41 4 8 2 2 2 6 5 6 02 4 o o2 6 0 7 8 0 2 0 0 41 8 4 6 0 07 5 61 3 53 07 91 9 7 0 0 0 6 7 7 02 2 7 02 6 07 0 0 煤炭中含有许多不可燃的矿物质、含硫和含氮的物质，煤炭燃烧后会产生大 量的固体颗粒，而且含硫含氮物在燃烧过程中被氧化，生成对大气产生严重危害 的s o x 和n o x 。在排放到大气的污染物中，9 9 的氮氧化物( n o x ) 、9 9 的一 氧化碳( c o ) 、9 1 的二氧化硫( s 0 2 ) 、7 8 的二氧化碳( c 0 2 ) 、6 0 的粉尘 和4 3 的碳化氢是化石燃料燃烧过程中产生的，其中煤燃烧所产生的污染物又 占大多数【”。目前，粉尘的排放问题已基本得到控制，而s o x 和n o x 的污染 问题则有日益恶化的趋势。其中n o x 对人类赖以生存的环境以及人类自身的危 第一章绪论 害却极其严重：一方面，氮氧化物是形成酸雨的主要因素；另一方面n o 在一定 条件下可以和碳氢化合物一起形成光化学烟雾破坏大气环境，严重危害人类健 康，恶化人类赖以生存的环境。图l - 1 是德国不来梅大学的j o h nb u r r o w s 根据欧 空局的e n v i s a t 卫星于2 0 0 3 年1 月到2 0 0 4 年6 月问的所拍摄的资料数据，分析 到全球上空大气层二氧化氮( n 0 2 ) 浓度图。从图中可知，我国大部分地区尤其 是北方地区的n 0 ，严蕈超标。 图1 1 全球上空大气层二氧化氮( n 0 2 ) 浓度图 燃煤是我国大气污染的主要来源。以煤炭为主要一次能源的国情，决定了在 我国的电力工业中，燃煤火力发电占有主导地位。2 0 0 0 年燃煤机组占装机总量 6 6 ，为历年最低；2 0 0 4 年燃煤机组占装机总量的比例又上升到7 5 【4 】；预计到 2 0 3 0 年，煤电机组的比重仍将高达6 0 以上【6 】。目前我国许多现役煤粉锅炉的 n o x 排放的质量浓度范围在8 0 0 2 0 0 0 m g m 3 。据数字统计，我国火力发电量每 增加1 0 0 亿千瓦时，n o x 的排放量将增加2 9 3 8 万吨【7 】；2 0 0 0 年燃煤发电厂n o x 排放为2 9 0 万吨，比1 9 9 5 年增加9 3 万吨，预计2 0 1 0 年加上汽车等燃油产生的 n o x ，我国的n o x 总排放量可能超过1 0 0 0 万吨，比1 9 9 5 年增加2 2 9 万吨【”。 为此国家环保局于2 0 0 3 年1 2 月3 0 日颁布了火电厂大气污染物排放标准 ( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) ，规定2 0 0 4 年1 月1 日起环境影响报告书待审查批准的新、 扩、改建火电厂3 0 0m w 及以上机组固态排渣煤粉炉n o x 排放质量浓度不得超 过4 5 0m g m 3 【”。对电厂锅炉n o x 排放实行更严格限制的新国家标准也在酝酿 中。控制n o x 的排放量已成为电力工业发展所面临的一大课题。因此，研究煤 燃烧过程中n o x 的形成机理及其控制方法，并积极开展试验研究，对促进国民 经济发和改善生态环境具有重要的现实意义。 1 2 课题的提出及主要研究内容 由于长期粗放型的发展，目前我国国内很多的燃煤电站锅炉机组都缺少有效 2 第一章绪论 的洁净煤燃烧技术。为保护环境，以及更加合理有效的利用资源，必须对这些机 组进行有效的调节或改造。本课题来源为3 0 0 m w 燃煤电站锅炉降低n o x 排放 的实际需要。锅炉为亚临界控制循环锅炉，锅炉的n o x 排放超过国家的标准， 必须采取现场试验调节锅炉的运行参数以降低n o x 的排放。同时，随着计算机 技术的发展，针对煤粉燃烧过程( 包括n o x 的生成) 的数值模拟已经成为研究 炉内燃烧的重要手段。利用计算机模拟可以缩短研究时间，节省资金，对于锅炉 的运行、改造具有重要的意义。为了使研究课题具有针对性和应用性，本文主要 针对实际运行的3 0 0 m w 燃煤电站锅炉进行燃烧优化调整，找出有效的降低n o x 方法。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 应用空气分级燃烧原理，现场对锅炉进行试验调节，以达到降低锅炉 n o x 排放的目的； ( 2 ) 用商用f l u e n t 软件建立模型，模拟锅炉内部的运行情况，主要模拟研 究炉内的温度场和n o x 的浓度场和速度场，便于分析n o x 的生成情况。包括对 试验中典型工况的模拟和预测性工况的模拟； ( 3 ) 对试验数据和数值模拟结果进行理论分析，研究分级燃烧的运行情况 及其对炉内n o x 生成的影响，并在研究n o x 生成的同时分析烟气中飞灰含碳量 的变化规律，以此指导锅炉的实际运行，总结出锅炉在各种工况下运行的最佳参 数。 第二章氮氧化物生成机理及低n o x 控制技术 第二章氮氧化物生成机理及低n o x 控制技术 煤粉燃烧过程中产生的氮氧化物主要是一氧化氮( n o ) 和二氧化氮( n 0 2 ) ， 还有少量的氧化二氮( n 2 0 ) 产生，通常把这几种氮氧化物称为n o x 。n o x 的 主要危害如下 1 0 , 1 1 ：n o 为无色无臭气体，很容易与血液中的血色素结合，造成 血液缺氧而引起中枢神经麻痹，n 0 2 的毒性是n o 的5 一l o 倍，是c o 的 5 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 倍，对人体危害极大，还会诱发光化学烟雾和导致酸雨形成、引起 温室效应造成全球变暖以及破环臭氧层。因此，在煤粉的燃烧过程中，对产生的 n o x 的控制己越来越受重视。对预测n o x 生成的子模型的研究也是越来越深入 1 1 2 。 2 1n o x 的生成机理 n 原子一般以链状或环状存在于物质当中，经研究发现，环状的n 在燃烧 过程中一般不会转化为氮氧化物，对大气的污染较少，而链状的n 在燃烧的过 程中被氧化成氮氧化物，形成污染。煤种的n 元素主要以链状形式存在，所以 煤燃烧过程就存在大量的氮氧化物污染 1 3 , 1 4 。 根据n o x 的生成机理，可将n o x 分为三种类型 1 4 , 1 5 , 1 6 1 ：热力型n o x ( t h e r m a ln o x ) ，它是空气中的氮气在高温下氧化而产生的；快速型n o x ( p r o m p tn o x ) ，它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如c h 等反应生 成的；燃料型n o x ( f u e ln o x ) ，它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热 分解而又接着氧化而生成的。 燃料n o x 是n o x 的主要组成部分，大约占6 0 一8 0 以上【1 7 1 ；热力型n o x 的生成受温度影响较大，在一般的煤粉炉固态排渣燃烧方式下，热力型n o x 一 般占2 0 左右；快速型n o x 在煤燃烧过程中生成量很小，如图2 1 所示。本文 主要考虑燃料型n o x 和热力型n o x 。 2 1 1 热力型n o x 2 1 1 1 热力型n o x 的生成机理 热力型n o x 的形成是由一组高温化学反应决定的，最先提出热力型n o x 生 成机理的是z e l d o v i c h t l 踟，主要反应表达式： 4 第二章氮氧化物生成机理及低n o x 控制技术 1 0 0 01 4 1 8 0 0 炉臆沮度( ) 图2 - 1 煤粉燃烧生成各类n o x 示意图 2 + d 目衄n o + n ( r 2 1 ) + 0 2 目回画n o + n ( r 2 2 ) n + o h 目衄n o + h ( r 2 3 ) 反应( r 1 ) 和( r 2 ) 称为z e l d o v i e h 机理，加上( r 3 ) 后成为扩大的z e l d o v i c h 机理。热力型n o x 的生成特点是生成反应速度比燃烧速度慢，主要在火焰下游 的高温区生成n o x 。用k l 幻表示表示各反应的正反应速度常数，k l k 3 表示逆 反应得速度常数，则n o 和n 的生成速度可用下式表示： d 0 】7 班2 7 竖】 d 】- k _ , n o 】 】+ 姒】哆卜埘d 】【d 】( 2 - 1 ) + 岛【 【o 刎一l ，d 】【刎 d n d t = 岛 2 】 d 】一舡【j v d 】 卜k 2 n 0 2 】+ k 口v d 】【d 】 ，、 、二。二， 南【 【o 日】+ t ，【刎【日】 式中： 】表示各成分的物质的量浓度( m o l m 3 ) 。由于氮浓度随时间的变化 与其他成分相比非常小，故假设d 【】d t = 0 ，这种假设称为拟稳态近似 ( q u a s i s t e a d ya p p r o x i m a t i o n ) ，适用于高温、高氧浓度区域。这种情况下的n 浓度可由式( 2 2 ) 求出，将其带入式( 2 1 ) 并整理归纳后得： d n o d t = ( 毛【2 】 d 】一k 【- v d 】 d 卜t ，【 r d 】 月】+ 一t 。 0 】 + 如【o l 】+ 岛 d 日 ) ( 龟 2 【d 】+ k _ 2 【j d 【d 】 ( 2 - 3 ) + l 【刎【日】) ( 虹。 例+ 姒0 2 】+ 吼明】) ) 由于热力型n o x 是在火焰带下游生成的，所以除n o 和n 以外的组分采用 5 蜘 啪 跏 一星苣墓 第二章氮氧化物生成机理及低n o x 控制技术 平衡浓度，则式( 2 3 ) 的计算很简单。在n o 的生成初期， 下，可忽略，式( 2 3 ) 简化为下式： d n o d t = 2 k , n 2 】【d 】 进一步假定1 2 0 2 = d ( 平衡常数k o ) 达到部分平衡： d n o d t = 虹2 】 d 2 】l ，2( i = 2 岛) 由于n o 浓度比较 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 则反应n 2 + 1 2 0 2 = n o 可认为以反应速度常数七进行。由此可见，d 浓度 越高，热力型n o x 的生成速度越快。另外毛与温度成指数函数关系，且具有3 1 4 k j m o l 的高活化能，因此热力型n o x 的生成速度将随温度的上升而急剧增大【1 4 1 。 当燃烧温度高于1 5 0 0 c 时，温度每增加1 0 0 c ，n o x 的生成速度将增加“7 倍， 燃烧温度低于1 5 0 0 时，几乎观测不到n o x 的生成反应。 2 1 1 2 热力型n o x 的抑制原理 温度对热力型n o x 的生成有决定性的影响，所以又可以称为温度型n o x 。 在实际火焰中，温度分布是不均匀的，即使火焰的平均温度低，但局部高温处所 产生的大量n o x ，对总的n o x 生成量起着重要的影响。 此外，热力型n o x 的生成速度随0 2 浓度增加而增加的结论只是在过量空气 系数口 1 时，0 2 浓度的增高会由于氧的稀释作用使得燃烧温 度下降，导致n o x 的生成速率降低。这就是说，n o x 的生成速率与0 2 浓度有 一个极值的关系，理论上这个极值为口= 1 ，偏离口= 1 都会使n o x 的生成量降低 1 1 9 , 2 0 , 2 1 1 。 综上所述，控制热力型n o x 的关键在于降低燃烧的温度水平，避免局部高 温，缩短煤粉在高温区的停留时间，同时降低氧气的浓度，使燃烧在口 l 的条 件下进行。 2 1 2 快速型n o x 2 1 2 1 快速型n o x 的生成机理 快速型n o x 的来源也是空气中的氮气 2 2 1 ，是由碳氢基团撞击靠近火焰反应 区的分子氮生成的【2 3 1 。大量的研究结果【”2 , 4 - 2 8 1 表明，碳氢燃料燃烧时会产生c h 、 c h 2 、c 2 、c 2 h 和c 等基团，它们与空气中的n 2 反应生成h c n 、h 2 c n 和c n 等中间产物，然后这些中间产物与火焰中生成的o 、o h 等基团反应生成n o x 。 快速型n o x 只有在富燃料的烃类火焰中，即碳氢基团c h 。较多、氧浓度相对较 6 第二章氮氧化物生成机理及低n o x 控制技术 低时才发生，对温度的依赖较弱。因此在煤粉炉中，其生成量很小，一般在5 以下。一般情况下，对不含氮的碳氢燃料在较低温度下燃烧时，才重点考虑快 速型n o x ，因为燃烧温度超过1 5 0 0 c 时，热力型n o x 将起主导作用。 2 1 2 2 快速型n o x 的抑制原理 快速型n o x 的特点是生成速度快，温度依赖性低。由于快速型n o x 是由 c h 。自由基和n 2 分子反应生成h c n ，h c n 又经其后的数个基元反应氧化而成。 因此对于快速型n o x 的抑制可从两个方面实现【1 4 1 ：抑制c h ，自由基和n 2 分子的 反应及h c n 的数个基元反应。 2 1 3 燃料型n o x 2 1 3 1 燃料型n o x 的生成机理 燃料型n o x 是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而 生成的n o x 。煤炭中一般含有o 5 * 0 - , 2 5 的氮，燃料n 越多，生成的n o x 也越 多。煤燃烧时约7 5 - - 9 0 的n o x 是燃料型n o x 2 ”3 1 ，因此，燃料型n o x 是煤 燃烧时产生的n o x 的主要来源。它的生成规律如下： 在生成n o x 的过程中，首先是氮有机化合物热分解成h c n 、n h 3 、和c n 等中间产物，最终一部分转化为n o x ，其余的变成n 2 。这些中间产物随挥发份 一起从燃料中析出，称之为挥发份氮。挥发份氮析出后仍残留在焦炭中的氮化合 物，称之为焦炭氮。如图2 2 所示【3 4 】： 图2 - 2 燃烧过程中燃料氮的平衡关系图 ( 一) 挥发份氮 挥发份氮中最主要的氮化合物是h c n 和n h 3 7 第二章氮氧化物生成机理及低n o x 控制技术 h c n 被氧化的主要反应途径如图2 3 所裂3 5 】： 图2 3h c n 被氧化的主要反应途径 主要的反应方程式为： h c n + o n c o + h n c o + h n h + c o n i l + hj n + h l n + n o n 2 + o n + o h j n o 七h + d 2 斗n o + o n o + n - - ) 2 + d n h 3 被氧化的主要反应途径如图2 4 所示【2 l 】： 肭一挥熊铂一隅旦聪 期o r 嘲饥e 一，嘲、啦以 沁如“， 图2 - 4n h ，被氧化的主要反应途径 ( r 2 - 4 ) ( i u 5 ) ( r 2 6 ) ( r 2 7 ) ( r 2 8 ) ( r 2 9 ) ( r 2 1 0 ) 根据这一反应途径，n h 3 可能作为n o 的生成源，也可能成为n o 的还原剂。 按照这两种途径的反应方程式为： ( 1 ) n h 3 被氧化生成n o ： n h 3 + o h n h 2 + 吼d n h 3 + 0 一n h 2 + o h n h 3 + hj n h 2 + h 2 8 ( r 2 1 1 ) ( r 2 1 2 ) ( 1 匕1 3 ) 卜m 少 n 嘲 第二章氮氧化物生成机理及低n o x 控制技术 ( 2 ) n h e 进一步氧化成n h ： nh2+ohnh+h20(r214) nh2+d专nh+oh(r215) n h 2 + hjnh+h2(r2-16) ( 3 ) n h 进一步氧化成为n o ： nh+02斗no+oh(r217) nil+0_no+h(r218) nh+oh-9no+h2(r219) ( 4 ) n h 。还原n o nh+no斗n2+oh(r220) nh2+no_2+oh(r2-21) nh+hn+h2(r222) nh+oh_n+h20(r2-23) n h + 0 寸n + o h( r 2 2 4 ) n+no寸2+d(r2-25) ( 二) 焦炭氮 焦炭氮的析出情况比较复杂，有说法表明 3 7 】，焦炭氮是通过焦炭表面多相 氧化反应直接生成n o x 。也有说法表明，焦炭氮和挥发份氮一样，是首先以h c n 和c n 的形式析出后再氧化成氮氧化物的。 煤粉燃烧时由挥发份所生成的n o x 占燃料型n o x 的6 0 8 0 ，由焦炭氮 所生成的n o x 占到2 0 - - 4 0 蛳9 】。 2 1 3 2 燃料型n o x 的抑制原理 从图2 3 中可以看出h c n 是由燃料氮与碳氢化合物分解的中间生成物快 速反应生成的，h c n 的分解按h c n n c o n h i 的路线进行。如果在着火 阶段供氧不足，则燃料中的氮大部分在燃料过浓区域分解，生成h c n 和n h i 等中间生成物，然后进一步转换为n 2 和n o x 。其中在还原性条件下h c n 和 n h , 这些中间产物主要被转化为n 2 。研究已经发现，燃料氮转换成n o x 的量 9 第= 章氮氧化物生成机理及低n o x 控制技术 主要取决于过量空气系数，在缺氧状态下，煤粉中挥发出来的氮与碳、氢竞争不 足的氧气。由于氮缺乏竞争能力，减少了n o x 的形成；同时，氮却可以互相作 用而形成无害的氮分子n 2 。因此，富燃料条件下减小空气过量系数能在很大程 度上抑制燃料型n o x 的生成。 同时煤粉中的含氮量也是影响燃料型n o x 生成的一个重要因素。根据研究 发现，煤粉中的含氮量越高其转化为n o x 的转化率越低。但是由于基数问题， 实际燃烧中高含氮量煤种所产生的燃料型n o x 要远大于低含氮量的煤种。 由于燃料氮是在较低温度下分解，所以燃料型n o x 的生成对温度的依赖性 通常比较低。 综上所述，控制燃料型n o x 生成的关键在降低氧气的浓度，使燃烧在o r l 的条件下 燃烧并生成n o x 。其余1 5 , - , 2 0 的燃料( 称为二次燃料、再燃燃料) 则在主燃烧 器的上部送k - 级燃烧区( 再燃区) ，在o r 1 的条件下形成很强的还原性气氛，在 主燃烧区生成的n o x 就会通过反应( 1 7 , 3 2 ) ( r 3 6 ) 被还原成氮分子( n 2 ) 。再 燃区中不仅能使已生成的n o x 得到还原，同时还抑制了新的n o x 生成，可使 n o x 的排放浓度进一步降低。此外，再燃区的上面还需布置“火上风”喷口以 形成第三级燃烧区( 即燃烬区) ，以保证在再燃区中生成的未完全燃烧产物的燃 烬。所以这种再燃法又叫三级燃烧技术呻- 6 7 1 。图2 - 6 为再燃技术原理的示意图。 图2 - 6 燃料分级燃烧原理示意图 本文主要研究的是以煤粉作为再燃燃料的燃料分级燃烧。 ( 2 ) 影响煤粉再燃技术效果的因素 6 8 - 7 3 j 乱煤的种类的影响 1 4 第二章氮氧化物生成机理及低n o x 控制技术 在再燃区中最有利于n o x 还原的成分是再燃煤粉中挥发出来的含氮化合物 0 q h 3 、h c n 、n o ) ，因此用高挥发分的煤粉做再燃燃料，对n o x 有较强的还原 效果。同时，由于炉膛内分三级燃烧，所以再燃燃料在炉内停留时间相对较短， 为了保证燃料的燃尽，再燃燃料应尽量选用易着火燃烧，挥发分析出快的煤种。 一般在燃煤分都选择挥发分含量较高，析出较快的烟煤。 b 不同煤粉细度的影响 通常情况下再燃煤粉细度越小，再燃过程n o x 的还原率越高。原因有以下 三点：随着再燃煤粉粒度的减小，挥发分析出的速率提高，使燃烧化学反应平 衡向着有利于析出更多挥发分的方向移动，而挥发分中的烃根是最能促进再燃区 中n o x 还原的成分。随着再燃煤粉粒度的减小，其燃烧速率显著提高，氧气 的消耗加速，颗粒表面附近氧气分压力快速下降，使再燃区还原气氛增强，促进 n o x 的还原。从再燃区异相还原反应的角度看，煤粉粒度变小后，煤的比表 面积显著增加，使异相还原反应速度大大提高，超细煤粉比常规粒度的煤粉具有 更