（热能工程专业论文）三次风再燃降低nox排放的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 f 氮的氧化物( 即n o ，) 已经被公认为是造成酸雨的主要气体之一，火电厂燃煤产 生的氮氧化物是人类排放n o ，的主要来源，它严重地威胁着自然环境和人类的健康。 环保已经成为当代世界四大问题之一，在过去的十年里，我国政府越来越重视对自 然环境的保护。因此，必须采取强有力的措施来减少火电厂燃煤产生的n o ，。再燃 燃烧技术就是一种很有效的方法。厂。 本文主要是针对传统的缺少有效降低n o ，方法的热风送粉机组进行研究，通过 对制粉系统和燃烧器的改造与调整，利用三次风中的含粉作为再燃燃料送入炉膛， 实施再燃烧以降低n o 。的排放。 本文主要包括以下内容： 首先，通过基础的实验分别对四种具有代表性煤种一、三次风所含煤粉的物 理特性( 粒径分布、孔隙率、孔容积和比表面积) 和热解特性进行研究，从理论上 分析煤粉细化后，较细颗粒( 即三次风含粉) 在燃烧特性上的优越性，为三次风含 粉用于再燃燃烧打下基础。 然后，具体针对一台热风送粉机组提出了三次风再燃降低n 0 ，排放的技术方 案。该方案是这样进行的：由于三次风含粉量少，首先将三次风浓缩，然后将浓缩 后的三次风煤粉作为再燃燃料通过调整后的燃烧器再燃燃料喷口送入炉膛，以降低 n o i 排放。这是在磨煤机启用时采用的，方案同时考虑到在磨煤机停用时，使用空 气分级燃烧来确保炉膛的低n o i 排放。 最后，为了便于锅炉运行调整，作者在实验炉上研究了人工神经网络方法进 行炉膛n o ，排放在线监测的可行性。为神经网络方法应用于实际炉膛n o ，排放的监 测进行了尝试和探索。 关键词：三次风n 吼再燃燃烧孔隙率超细化煤粉 分级燃烧神经网路 塑垩奎兰堡主兰垡堕茎 一笪型竺量一 u s e i n gt h ep u l v e r i z e dc o a l c o n t a i n e dw i t h i nt e r t i a r y a i ra sr e b u r n i n g f u e lt or e d u c et h en o xe m i s s i o n a b s t r a c t n i t r o g e no x i d e s ( n o k ) h a v eb e e nr e c o g n i z e da s a c i dr a i np r e c u r s o rt h a ti m p o s ea s i g n i f i c a n tt h r e a t t ot h ee n v i r o n m e n tc o a lc o m b u s t i o no fp o w e rp l a n tb o i l e r si sam a j o r a n t h r o p o g e n i cs o u r c eo fn o xd u r i n gt h ep a s td e c a d e ，o u rg o v e m m e n tp a ym o r ea n d m o r ea t t e n t i o nt oe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n t h e r e f o r , w em u s tt a k ep o w e r f u lm e a s u r e st o c o n t r o ln o xe m i s s i o nf r o mp o w e rp l a n tc o a lc o m b u s t i o nr e b u r n i n gt e c h n o l o g y i sa v a l i dm e t h o d t h i sp a p e rf o c u s e so nn o x - e m i s s i o np r o b l e mo ft r a d i t i o n a lu n i t sw i t hh o ta i r t r a n s f e r r i n gp u l v e r i z e d c o a lt h em a i nt e c h n i c a lr o u t eo ft h i s p a p e r i st ou s et h e p u l v e r i z e dc o a lc o n t a i n e dw i t h i nt e r t i a r ya i rt or e d u c e t h en o xe m i s s i o na st h er e b u m i n g f u e l t h i sp a p e rc o n s i s t so f t h e f o l l o w i n gp a r t s ： f i r s t l y , t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e s ( p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n ，s p e c i f i ca r e a ，p o r o s i t y r a t i oa n dp o r ev o l u m e ) a n dp y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e ns t u d i e di ne x p e r i m e n t s w i t hf o u rk i n d so fc o a l s a c c o r d i n gt o e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e a d v a n t a g e s o f c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o - p u l v e r i z e dc a o l sa r ea n a l y s e do nt h et h e o r y s e c o n d l y , t h er e c o n s t r u c t i n gp l a ni sd e s i g n e di nd e t a i l sf o rac o n v e n t i o n a ls y s t e m o ft h eh o ta i rt r a n s f e r r i n gp u l v e r i z e dc o a lt or e d u c en o x e m i s s i o n t h ep l a n sc o r ei st h e p u l v e r i z e dc o a li nt e r t i a r ya i ri sc o n c e n t r a t e da n dt h e nu s e da sr e b u r n i n gf u e lt oc o n t r o l n o xe m i s s i o nw h e nt h e m i l li s o p e r a t i n g ，a t t h es a m e t i m e ，t a k i n g t h e s t a g i n g c o m b u s t i o nt og u a r a n t e el o wn o xe m i s s i o nw h i l et h em i l ls t o p p i n g a tl a s t ，f o re a s yt ot h eb o i l e r sr u n n i n g r e g u l a t i o n ，t h ef e a s i b i l i t yo f n e u r a ln e t w o r k m e t h o df o rt h em o n i t o r i n go fn o xe m i s s i o ni ss t u d i e do nt h ee x p e r i m e n t a lf u r n a c ei t c a l lb et h eb a s i so nw h i c hn e u r a in e t w o r km e t h o dm a yb eu s e dt om o n i t o rn o xe m i s s i o n o fa c t u a lf u m a c e k e yw o r d s ：t e r t i a r ya i r n o x r e b u m i n gp o r o s i t ym i c r o p u l v e r i z e dc a o l s s t a g i n gc o m b u s t i o n n e u r a ln e t w o r k j 潮囊藤毯i 朝 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 环境问题是当代世界四大问题( 经济、资源、人口、环境) 之一，我国环境 污染也已成为经济和社会可持续发展的一个重要问题。 在能源的利用过程中，化石燃料的燃烧要排放出各种污染物。在排放到大气 的污染物中，9 9 的氮氧化物( n o , ) 、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。我国能源以煤为主，燃煤产生的大气污染 物占污染物排放总量的比例较大。例如，二氧化硫占8 7 ，氮氧化物占6 7 ，一 氧化碳占6 7 ，烟尘占6 0 。燃煤是我国大气污染的主要来源。 早在1 2 世纪初，人们就知道煤烟造成空气污染会给人类带来危害。1 3 0 6 年英 国国会曾发布文告，禁止伦敦工匠和制造商在国会开会期间用煤；1 6 6 1 年英国出 版了约翰爱林写的驱逐烟气一书论述煤烟的危害。但由于用煤量少，燃烧造 成的危害面不大，只是局部的。到1 9 世纪3 0 年代，英国的煤产量从年产5 0 0 万吨 猛增至约3 0 0 0 万吨，煤烟污染已成为严重的公害。在1 9 世纪工业革命期间，在化 工厂、金属冶炼厂、炼油厂等工业区附近，树木和其它植物大量死亡，濒l 临灭绝。 从1 9 世纪中叶以来的1 0 0 多年问，中欧、东欧的森林遭受污染危害，从北欧到地 中海，到处可见遭酸雨破坏的森林。根据资料显示，1 9 8 8 年中国遭酸雨污染的农 田达4 0 0 0 万亩，1 9 9 5 年我国向大气排放二氧化硫估计高达1 8 9 l 万吨，估计每年 因燃媒污染造成的损失高达1 0 0 亿元以上。 n o ，是氮氧化物的统称，现在知道的氮的氧化物中有n o 、n 0 2 、n 。o 、n 2 0 。、n z o 。、 n 。0 5 等。氮氧化物的危害主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 氮氧化物对人类健康的影响。 各种污染源排放出的氮氧化物中，绝大部分为n 0 ，其毒性不大。但氮氧化物 进入大气后发生一系列化学变化，形成更毒物质。n 0 在大气中可氧化为n o 。，对人 眼睛有刺激作用，对人的呼吸器官有强烈的刺激。二氧化氮参与光化学烟雾的形成， 其毒性更强，据研究表明，甚至有致癌作用。 ( 2 ) 对森林和作物生长的影响。 大气污染对农业和林业的损害是相当大的，可引起农作物和林木枯黄，产量 降低，品质变劣。随着污染物质的扩散可危及广大地区。由二氧化硫形成的硫酸和 氮氧化物形成的硝酸是酸雨的主要成分。酸雨会破坏作物和树根系统的营养循环； 酸雾与臭氧结合会损害树的细胞膜，破坏光合作用。这种现象循环发生从而导致树 麓蕊l i 珏潮 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 木的损害。 ( 3 ) 氮氧化物对气候变化的影响以及对臭氧层的破坏。 全球气候的变化和臭氧的减少都直接与氧化亚氮的增加有关。n z o 和二氧化碳 一样，会引起温室效应。大气中的氯氟化碳和n 2 0 在光合作用下释放出氯和氮原子， 而氯和氮原子参与催化循环，两者都可以破坏无数的臭氧分子，导致臭氧层的减少， 使较多的紫外线辐射得以射到地球表面。研究表明，皮肤癌、免疫系统的抑制、暴 雨、水中和陆上生物系统的损害、聚合物的破坏和地面雾的恶化都可能与此有关。 煤炭是我国分布最广、较为丰富的能源，而石油、天然气资源则相对不足， 预计到下世纪中叶，我国以煤为主的能源结构将不会改变。随着国民经济的发展， 我国电力工业也得到了迅速的发展。根据电力工业的规划，预计年耗用原煤6 3 亿 吨，到2 0 1 0 年，火力发电量将达到2 2 7 0 0 亿k w h ，那么，全国火电机组n o 。的排 放总量将达到5 9 4 7 4 万吨。尽管随着我国火力发电技术的进步，大容量机组在总 装机容量中所占比例逐年增加，发电煤耗不断下降以及单位发电量的n 吼排放量逐 年减少，但是，由于发电量的快速增长，到2 0 1 0 年n 0 。的排放总量将比1 9 9 5 年 增长2 2 9 万吨左右。因此，控制n o ，的排放量已成为电力工业发展所面临的一大课 题，同时也是我们广大燃烧领域的科技工作者所面临的重要任务。我们应该提出适 应于我国国情而又经济、实用的低n o 。燃烧技术，为人们的生活环境、国家的电力 事业和经济建设服务。 1 2 课题的提出 由于长期粗放型的发展，9 0 年代以前我国很多的机组都缺少有效的洁净煤燃 烧技术，这和当前日益严格的环保要求显得格格不入。为了保护环境的同时更加合 理的利用资源，就需要对这些锅炉机组进行有效的低污染改造。在这样的背景下， 作者在导师池作和教授的指导下开始了燃煤锅炉的低n o i 排放研究，研究工作同时 也与池作和教授的全国优秀博士论文基金项目有机氮释放、迁移机理和可调节煤 粉再燃降低劣质煤 4 0 ，排放和9 7 3 三级子课题煤粉炉同时脱硫脱氮机理研究 相结合，作者有幸参这些项目的前期研究工作。由于我国燃用无烟煤、贫煤及劣质 烟煤的锅炉，几乎都采用中间储仓式热风送粉系统，为了使研究的课题更具有针对 性和使用价值，本课题就主要研究热风送粉系统的三次风再燃燃烧改造以降低n o 、 的排放。因此，本课题的开展不仅具有很强的工程应用背景，同时，开展再燃烧降 低n 0 ，排放研究具有一定的理论意义。 浙江大学硕士学位论文 第一章结论 1 3 主要研究内容 本文在上述的工作背景下，酋先通过对煤粉颗粒的显微特性和热解特性的基 础实验研究，从理论上说明三次风含粉作为再燃二次燃料的优越性。然后，具体针 对一台4 2 0 t h 中间储仓式热风送粉再热煤粉炉( 燃烧特定的煤种) ，提出了具体的 低n o 。燃烧改造方案。最后，通过在实验炉上的尝试，使用神经网络监测炉膛出口 n o ，的排放量。 ( 1 ) 、三次风含粉颗粒的基础试验研究 本文分别在l s 2 3 0 激光粒径分布仪、压汞仪和t g d - - - 5 0 0 0 r h 差示热天平上对 四个具有代表性煤种的一、三次风含粉进行了粒径实验、孔隙实验和热解实验。通 过这些基础实验可以得到：一、三次风含粉颗粒显微特征的规律，同时了解在高温 热解条件下挥发分析出特性的不同。从而进一步分析出三次风含粉在着火和燃烧特 性上与常规次风含粉的不同，从理论上说明以三次风含粉作为再燃二次燃料的优 越性。 ( 2 ) 具体针对的一台热风送粉机组提出三次风改造进行再燃燃烧降低n o ，排 放的研究方案。根据前面的基础研究和理论分析，具体针对一台机组进行三次风改 造方案的设计和计算，并且通过分析进一步对改造方案进行优化，从而既能达到利 用三次风含粉进行再燃燃烧降低n o 排放量的目的，同时又通过优化方案保证机组 的运行效率和安全性。 ( 3 ) 为了便于锅炉的运行调整，作者在实验炉上尝试通过b p 神经网络模型 及算法来进行炉膛出口n 0 。排放量的监测，为神经网络用于实际炉膛出口n o 。排放 的在线监测进行探索和尝试。 逡l 蘸壶瀵。i 浙江大学硕士学位论文 第二章n 0 。的排放机理及低n ( 】，燃烧技术综述 第二章n 0 ，的排放机理及低n 0 。燃烧技术综述 2 1 引言 人们已经清楚地认识到氮氧化物( n o ，) 的排放是人类社会中不可避免地一个 基本问题。人类活动排入大气中的n o ! 中，9 0 以上产生于各种燃料的燃烧过程。 n o 。虽有多种，但是燃烧过程中产生的氮氧化物几乎都是一氧化氮( n o ) 和二氧化 氮( n 0 2 ) 。据统计，大约5 0 以上的n o 。来自固定燃烧源，其余的主要来自汽车尾 气，而在固定燃烧源中，发电厂是主要的污染源，作为一名电力能源工作者，如何 降低n o 。的生成量，保护环境，避免人体受到伤害，是摆在我们面前的艰巨课题。 二三十年前各国对n o 。的危害便给予了重视，很多高校、科研机构作了大量的 研究“1 ，通过不断的交流，达成共识，那就是在煤燃烧过程中，生成n o ，的途经 有三种： ( 1 ) 温度型n o ，( t h e r m a ln o 。) ：它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的 n o 。 ( 2 ) 燃料型n o 。( f u e ln o ! ) ：它是燃料中含有的氮氧化物，在燃烧过程中 被氧化而生成的氮的氧化物。 ( 3 ) 快速型n o ，( p r o m p tn o ，) ：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n o 。它是碳化氢类燃料燃烧时，当燃料过多时 所特有的现象。 图2 1 3 是煤粉炉中三种类型的n o , ，其各自的生成量的范围和炉膛温度的关 系。由图可见，煤粉燃烧所生成的n 仉 中，燃料型n o 。是主要的，它占n o ，生 成总量的6 0 8 0 以上；热力型n q 的生成和燃烧温度的关系很大，在温 度足够高时，热力型n o , 的生成量可占 到n o 。总量的2 0 ，快速型n o , 在煤燃 烧过程中的生成量很小。 通过大量的研究及数值模拟，人 们逐渐掌握了n 0 。的生成及预防规律， 研制出很多低n q 生成方法，主要有低 氧燃烧法、二段燃烧法、排烟再循环 法、燃料再燃烧法等，相应的也研究 出很多低n o 。燃烧器，这些都大大降低 了n 0 。在炉内的生成。 。篷滋交撬莲i ： 4 穗2 1 煤耪妒中备特类型w o x 的 生成嚣暑h 妒黩温度的必系 浙江大学硕士学位论文 第二章n 0 ，的排放机理及低n o ，燃烧技术综述 2 2n o 。的排放机理及其控制原理 n o ，的不同生成途经决定了产生各种n o ，的机理及其控制原理各不相同。 2 2 1 温度型n o ，的排放机理及其控制原理 温度型n 0 ，是燃烧时空气中的氮( n 2 ) 和氧( 0 2 ) 在高温下生成的n o 和n o z 总 和。目前普遍公认的描述氮氧化物生成的反应式是前苏联科学家z e l d o v i c h ( 捷里 多维奇) 首先提出的，称为捷里多维奇机理“，按这一机理的扩展形式，n o 的生成 可用如下一组不分枝链锁反应来说明“”“。 0 t 七秘举嫩气0 - 斟 。+ 敞寺凇+ 辩 q 娃苗端；瑞斡0 融 礴，t 未k 0noo n o ，鼍警 4 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 2 4 ) 根据捷里多维奇的实验结果，通过推导、计算，可以得到捷里多维奇机理的 n o 生成速度表达式： 掣：量【：p ：彤 ( 2 5 ) 式中：根据捷里多维奇的实验结果，k = 3 1 0 “e 。5 ” 可得： 4 n _ o l ：3 1 0 ，【：i o ：眵e - 5 4 一一 ( 2 6 ) 式中： 0 。 、 n 2 、 n o 卜一一0 2 、n 。、n o 的浓度，克摩尔厘米3 ； t 一一一一绝对温度；k t 一时间，秒： 从上式可以看出，温度型n o 。的生成对温度具有很强的依赖性。当温度低于 1 7 5 0 k 时，温度n o ，的生成量很小，但随着温度的升高，n 吼的生成量迅速增加，这 种关系如图2 2 “”示。当温度从2 2 3 0 k 降低到1 8 9 0 k 时，停留时间可以增加2 5 0 倍而不使n o 浓度超过l o o p p m ，可见，温度的影响具有决定作用。所以，把这种在 高温下空气中的氮氧化而生成的氮的氧化物称作温度型n o ，( t h e r m a ln o 。) 。 从图2 2 中还可以看出，同一温度下，随着停留时间的增加n o 的生成浓度大 幅增加，因此烟气的停留时间也对n o 。的生成有很大影响。 影响温度型n 0 ，生成的另一主要因素是氧浓度。氧浓度越高，n 0 ，的生成嚣就 越多。按扩大的捷里多维奇机理对c h 和空气混合物计算的结果表明：n o 、的生成量 。+ 薹溆薮蕊 浙江大学硕士学位论丈 第二章n o ，的排放机理及低n o ，燃烧技术综述 在燃料过多时，随氧浓度继续增大而成比例增大。在过量空气系数略少于1 时达到 名 金 一 壁 1e 300 10 1 1 101 0 0 一 。 j 0 露参么 ， 一j ， 夕 图2 2n o 在各种温度下随时间的变化曲线 最大，随后，虽然氧浓度继续增大，但由于温度影响的原因，生成量下降。燃烧温 度在过量空气系数等于l 附近出现最大值，相应的n o 。的生成速度d l 。场也达到 最大。在过量空气系数远离1 0 时，生成速度d 【哕磊将急剧下降。 燃烧过程中，氮浓度基本上不变，因而，影响n o 。生成量的主要因素是温度、 氧气的浓度和停留时间。综合以上所述，可得到如下控制温度型n o 。生成量的方法： ( 1 ) 降低燃烧温度水平； ( 2 ) 降低氧气浓度； ( 3 ) 使燃烧在远离a = 1 的条件下进行； ( 4 ) 缩短在高温区的停留时间。 2 2 2 快速型n 0 ，的排放机理及其控制原理 快速型n 0 ，是1 9 7 1 年费尼莫尔( f e n i m o r e ) 通过实验发现的。他在测定g h 4 和c 也与空气的混合物燃烧火焰中各成分浓度时，发现火焰面内有大量的n o ，生成， 将这种n o ，命名为快速型n o ，( p r o m p tn o 。) 。快速型n o i 是碳化氢类燃料燃烧时，当 燃料过多时所特有的现象。快速型n o ，是燃料燃烧时产生的烃( c h ；) 等撞击燃烧空 气中的n ：分子而生成c n 、h c n ，然后h c n 等再被氧化成n o 。如以a = 0 7 o 8 的 预混天然气进行燃烧测试，所生成的几乎都是快速型n o l 。同时发现，其生成地点 不是火焰的下游，而是在火焰的内部。对快速型n 0 。的生成机理还没有定论。 b o w m a n 等认为：快速型n 0 。的产生，是由于氧原子浓度 0 远超过氧分子离解 的平衡浓度的缘故。测定发现氧原子的浓度比平衡时的浓度高数十倍。并且发现， 鑫熬泣潦 浙江大学硕士学位论文 第二章n o ，的排放机理及低n o 。燃烧技术综述 在燃烧火焰内，由于反应： 月+ 0 】；= = 苎o h + 0 ( 2 7 ) 0 + 胃，；= 土o h + h ( 2 一吕) o h + ，；= = o h + h 3( 2 9 ) 加快，使0 、o h 、h 的浓度偏离其平衡浓度。按b o w m a n 的说法，快速型n 0 ，的生成 可以用扩大的捷里多维奇机理来解释，但不遵守氧气离解反应处于平衡状态这一假 定。 与b o w m a n 说法相对立的，是费尼莫 尔的反应机理，按照费尼莫尔的反应机 理，快速型n o 。的产生，如图2 3 “”所 示。 由图2 3 可见，快速型n o i 的生 成过程共由四组反应构成： ( 1 ) 在碳氢化合物燃烧时，特别 是富燃料燃烧时，会分解出大量的c h 、 图2 - 3 快速型l o x 的生成途径 c h 2 、c 地和g 等离子团，它们会破坏燃烧空气中n 。分子的健而反应生成h c n 、c n 等 c h + n 1 ；= h c n + n c h l + n 1 ；= h c n + n h c h 3 + m ；h c n + 删， 岛+ m 2 c n ( 2 一z o ) ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) ( 2 一i a ) 式( 2 - - i o ) ( 2 - - 1 3 ) 的反应活化能很小，故其反应速度非常快。其中，式( 2 一1 0 ) 是控制h c n 和n 0 及其它氮化物生成速率的最重要的反应。 ( 2 ) 以上反应中生成的n 、h c n 、c n 等中间产物，再经过如下反应而生成 n c o ： h c n + 0 ；= 兰n c 0 + h h c n + o h ；n c o + 】 c n + 0 j ；= 2 n c o + 0 ( 3 ) n c 0 被进一步氧化成n o ： 脚+ o ；= 兰 ，d + n c 0 + d h ；= 2n o + c o 十h ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 一i a ) ( 4 ) 此外，在h c n 浓度达到最高点转入下降阶段时，n o 的生成量会急剧 = 升，这是由于此时有大量的氨化物( n h ；) ，这些氨化物会和氧原子等快速反应而 被氧化成n o ： 。蠢港速罐瓢 7 浙江大学硕士学位论文 第二章n 0 。的排放机理及低n 0 。燃烧技术综述 埘+ 0 ；= = 主n + 0 何( 2 一】9 ) w + 0 = = n o + 月 ( 2 2 0 ) + o h ；t 。+ 日( 2 2 1 ) + 岛；n o + d( 2 2 2 ) 从图2 一l 中可以看出，快速型n o ，对温度的依赖型很弱，就其机理而言，相当 复杂，至今尚未有定论。根据快速型n o ，的特点，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 。，因为燃烧温度超过1 5 0 0 。c 时，热 力型n o ，将起主导作用。 2 2 3 燃料型n o 。的排放机理及其控制原理 燃料中的氮化合物经热分解和氧化反应生成的n o ，称为燃料型n o ，。研究表 明燃料型n 0 ，是煤燃烧时产生的n o 。的主要来源。因此，分析、研究燃料型n 0 。的产 生特性，找到控制燃料型n o ，的方法，可以最有效的降低燃烧过程中n o ，的排放。 一、排放机理 燃料型n o 。的生成机理非常复杂，f e n i m o r e ”3 认为从燃料n 向n o 的转换是由两 个相互竞争的过程所决定。这两个过程是：由燃料n 高温分解生成含氮原子的中间 产物( 主要是n ，c n ，h c n ，n l 。等) ，然后中间产物和含有氧原子的反应物( o ，o h ， 0 2 等) 反应生成n o ；而在缺氧时，则和n o 反应，一方面使n o 还原成n 2 ，同时含氮 的中问产物也最终反应得到n ：，降低了燃料氮的转化率。这两个过程可用下图表示： 一喜甥鬻锄一n o + 由于燃料n 生成中间产物的速度使很快的，因而，最终的n 0 生成量就取决于这两 个过程的竞争。 在煤燃烧的过程中，煤种的n 一部分随挥发分释放出来，另一部分残留在焦 炭中并随焦炭的燃烧释放出来。不同煤种的挥发分n 和焦炭n 的比例是不同的。一 般挥发分多的煤，挥发分n 的比例也较大。 l 、挥发分中最主要的氮化物是h c n 和n 凡。在挥发分n 中h c n 和n h 3 所占比例 不仅取决于煤种及挥发分的性质，而且与氮和煤的碳氢化合物的结合状态等化学性 质有关，同时还与燃烧条件如温度等有关。h c n 和n h 。即是n o 的生成源，又是n ( ) 的还原剂，其主要基元反应“”“7 8 1 如下文。 b 浙江大学硕士学位论文 第二章n o 。的排放机理及低n ( ) 。燃烧技术综述 挥发分n 中t t c n 被氧化的主要反应途径如图2 4 所示。 燃料n + 挥发分，卜一h c n n i x ) 图2 - 4h c n 被氧化的主要反应途径 主要有两条反应途径，方程式如下： h c n + o n c o + h ( 1 ) 在氧化性气氛中，n c o 直接氧化成n 0 n c o + o + n o + c o n c o + o h + n o + c o + h ( 2 ) 在还原性气氛中，n c o 生成n h ： n c o + h n h + c o 如n h 在还原性气氛中，则有下面的反应： n h + hon + h 、 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) n h + n o 斗n 2 + o h ( 2 2 8 ) 如n h 在氧化性气氛中，则有下面的反应，进一步氧化生成n 0 n h + 0 2 n o 十o h ( 2 2 9 ) 川h + o 一o + h ( 2 3 0 ) n h + o h 寸n o + h 2 挥发分n 中n b 被氧化的主要反应途径如图2 5 所示。 ( 2 3 1 ) n h 0 h j0 j h 0 2 ，o ，o h 燃料n 挥发分n n h 3 j 塾旦里n h 2 _n o n 0 缸。 图2 - 5n h 。氧化的主要反应途径 根据这一反应途径，n 1 3 可能作为n 0 的生成源，也可能成为n ( ) 的还原剂。按 照这两种途径的反应方程式为： 囊瓣照j i i 塑翌奎堂堡主堂垡堡兰笙三兰! 坠塑堡垫垫堡垦堡! ! 坐堕堕望竖! ! 奎一 ( 1 ) n h 。被氧化生成n o ： n h 3 + o h j n h 2 七h p n i t 3 + 0 j n i l 2 + o h n i t 3 + h 斗n i l 2 + 胃2 n h 。一步氧化成n h ： n i l 2 + o h jn i t + h z 0 n i l 2 + 0 j n h + o h n i l 2 + 。n i l + h 2 n i 进一步氧化成n o ： n i t + 0 2 寸n o + o h n i l + d 斗n o + t t n h + o hj n o + h 2 ( 2 ) n i l ；还原n 0 n i t + n o j n 2 + o h n h l - l - n o j n ：+ o h n i l + t t 斗n + 2 n h + o h n + h p n h + o d n 七o h n + n o _ n 1 + o ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) 2 、在通常的煤燃烧温度下，燃料型n o ，主要来自挥发分n 。焦炭n 的释放机理 比较复杂，它与煤的组织结构有关。研究表明，焦炭n o , 的生成速度与焦炭中的n 含量、氧浓度和温度以及颗粒孔隙结构等因素有关。同时焦炭表面c 0 等还原性气 体对已生成的n o , 产生还原作用，使n 0 。直接减少。一般来讲，焦炭中的n 生成n o 。 是与焦炭燃烬速度成比例的。 二、燃料型n 0 ，产生的影响因素 燃料型n 0 ，的生成量不但和燃料n 含量有关，还与很多因素有关，特别是燃烧 方式的影响很大。 薤氯漆蘸j 塑坚奎兰堡圭兰竺堡苎整三皇! 垒塑! ! 垫垫堡垦堡! ! ：塑丝塾查堡! 查一 l 、燃料中氮的含量 在燃料燃烧的过程中并不是所有的燃料n 能够全部转变为燃料型n o ，只有一 部分能够转化，我们把能够转化为燃料型n o ，的燃料n 的比例称为燃料n 的转变率 或燃料型n o 。的转变率。研究表明，转变率与所含氮的化合物的种类无关。如图2 6 1 所示，燃料中含氮量越高，燃料n 向燃料型n o i 的转化率反而越低。普通燃烧 条件下，燃油炉中的转化率大多在3 2 4 0 ；煤粉炉中的转化率一般在2 0 2 5 ， 不超过3 2 。图2 - - 7 “表明燃料中的含氮量对排气中n o 含量的影响，可以看到， 燃料中含氮量的大小对n o ，排放量的影响是决定性的，虽然燃料的含氮量越大，转 化率越低，但是总的n 0 ，排放量还是增加的。 蛊 置 v 趟 蛏 上二 糙 z 羽 世 、 、 、 燃料氮含量( ) 图2 6 燃料n 转化率与燃料n 含量的关系 总燃料一空气当量比 图2 7 燃料中含n 量对排气q h n o 含量的影响 2 、过量空气系数 根据f e n i m o r e 的竞争机理可以知道：中间产物越多，就有可能使较多的燃料 n 转变为n ：，方法是让燃料在空气不足的条件下进行燃烧。加拿大李天明等研究不 同过量空气系数时的热解产物成分时，得到煤的热解产物成分与过量空气系数的关 系，如图2 8 “1 所示。图2 - - 9 “6 1 则比较全面的研究了过量空气系数对燃料n 转化 ，羹虢鲻瓢；i 帕 o 浙江大学硕士学位论文 第二章n o ，的排放机理及低n o ，燃烧技术综述 率的影响。通过对两图的分析可以知道：在a l 时，随着过量空气系数的降低， 燃料n o 生成量基本无变化；但是在过量空气系数a l 的富燃料情况下，n o 的生成 量和转化率急剧降低。因此，过量空气系数也是影响燃料n o ，生成的极其重要的因 素。 目 宝 一 世 避 o5o 6o70 8 过量空气系数 图2 8 热解产物成分与过量空气系数的关系 鬟 v 褂 s 趣 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 60 810121416 过量空气系数。 图2 9 燃料n o 与过量空气系数的关系 3 、燃烧温度 实验结果表明，燃料型n o i 和热力型n o ，不同，它受温度影响较小，这是因为 燃料中n 的热分解温度比火焰温度低，当燃烧时达到热分解温度而进行分解，生成 n o ，和火焰温度关系不大。 根据上述分析，控制燃料型n o 。生成的方法主要有： ( 1 ) 燃用燃料n 含量低的燃料： ( 2 ) 采用燃料过浓燃烧； 麓魏蠹藤 浙江大学硕士学位论文 第二章n o ，的排放机理及低n o 。燃烧技术综述 ( 3 ) 扩散燃烧时，抑制燃料和空气的混合。 2 3 控制n o 。排放的措施。2 8 2 3 1 控制n o 。排放措施的分类 对燃烧过程中生成的n o ，实施控制是一项较复杂的技术，由于n o 。的生成机理 不问，影响其生成量的因素也各不相同，同一控制因索对它们的影响程度也各有差 异，甚至一项控制因素对一类型n o , 可以实施有效控制，而对另一类型n o 。的控制 则完全无效。例如：降低燃烧温度对控制温度型n o 。的效果非常显著，而对控制燃 料型n 仉则没有什么效果。此外，在采用n 0 ，控制措施时，还要考虑该项措施不影 响燃烧设备的能力和效率；不增加能耗；不产生新污染物及经济因素等条件。通常， 电站锅炉采用的n o 。控制方法可以分为以下四大类：改善运行条件、改进燃烧方法、 烟气脱硝技术和循环流化等新型低污染燃烧技术。 一、改善运行条件 这些措施不要求对燃烧系统做大量的改动，只是对燃烧装置的运行方式或部 分运行方式做调整或改进。因此简单易行，可方便地使用于现役装置，但是n o ，的 降低幅度十分有限，同时还可能导致设备生产率下降，热效率降低及不完全燃烧成 分增加。 1 、低过量空气系数运行 这是一种优化装置燃烧，降低n o ，生成量的简单方法。它不需要对燃烧装置做 结构改造，并有可能在降低n 饥排放的同时，提高装置运行的经济性。 低过剩空气系数运行抑制n o , 生成量的幅度与燃料种类、燃烧方式以及排渣方 式有关。总的过量空气系数不能象过去一样仅仅以高效率的要求确定其最佳值，而 应按高效率和低n o ，排放的综合性能来确定。试验研究表明，当a 增大时，n o ，是增 加的，q 3 和吼热损失降低。但q 。损失增加，因此，最佳a 应由试验确定。 需要说明的是，电站锅炉实际过剩空气系数不能做大幅度的调整。对于燃煤 锅炉而言，限制主要来自于过剩空气系数低时会造成受热面的粘污结渣和腐蚀。汽 温特性的变化以及因飞灰可燃物增加而造成经济性下降。对于燃气、燃油锅炉而言， 主要限制在于c o 浓度超标。 鬃懿滚蓦。 浙江大学硕学位论文 第二章n o 。的排放机理及低n o ，燃烧技术综述 2 、降低助燃空气预热温度 降低助燃空气预热温度可降低火焰区的温度峰值，从而减少热力型n o ，的生成 量。这一措施不宜用于燃煤、燃油锅炉，对于燃气锅炉，则有降低n o ，排放的明显 效果。 3 、部分燃烧器退出运行 这种方法适用于燃烧器多层布置的电站锅炉。其具体做法是停止最上层或几层 燃烧器的燃料供应，只送空气。这样，所有的燃料从下面的燃烧器送入炉内，下面 的燃烧器区实现富燃料燃烧，上层送入的空气形成分级送风。这种方法尤其适用于 燃气、燃油锅炉而不必对燃料输送系统进行重大改造。德国把这种方法用在褐煤机 组上，效果不错。 二、改进燃烧方法 所谓改进燃烧方法就是通过采用一系列特殊燃烧方法以达到抑制n o , 生成的 目的。目前已采用的此类方法很多，诸如烟气再循环法( e x h a u s tg a s r e c i r c u | a t i o n ) 、二段燃烧法( t w o s t a g ec o m b u s t i o n ) 、浓淡燃烧法一亦称非化 学当量燃烧( o f fs t o i c h i o m e t r i cc o m b u s t i o n ) 或称偏离燃烧( b i a sc o r n b u s t i o n ) 、 低n o , 燃烧器( l o w n 仉b u r n e r ) 、燃料分级等等，通过一项或几项技术的并用，可 使n o ，的控制效果达5 0 左右。 1 、炉膛内烟气再循环( e g r ) 把烟气掺入助燃空气，降低助燃空气的氧浓度，是一种降低燃煤液态排渣炉， 尤其是燃气、燃油锅炉n o i 排放的方法。 通常的做法是从省煤器出口抽出烟气，加入二次风或一次风中。加入二次风时， 火焰中心不受影响，其唯一作用是降低火焰温度，有利于减少热力型n 0 ，的生成。 对固态排渣锅炉而言，大约8 0 的n o , 是由燃料氮生成的，这种方法的作用就非常 有限。 对于不分级燃烧器，在一次风中掺入烟气效果较好，但由于燃烧器附近的燃烧 工况会有所变化，要对燃烧过程进行调整。 2 、二段燃烧法( t s c ) ( 又称“火上风”) 二段燃烧法是用于氮氧化物控制的最老式的改进技术之一，也被公认为是降低 n o ，排放量最有效的燃烧方法之一。自五十年代以来，二段燃烧技术不断得到发展， 技术也相对成熟。 浙江大学硕士学位论文 第二章n o ，的排放机理及低n 0 。燃烧技术综述 二段燃烧法的原理( 如图2 一i o ) ：把供给燃烧器的空气量减少到理沦空气量以 下，使燃烧在燃料过浓的条件下进行，不仅使燃烧在还原性气氛中进行抑制n o 。的 产生，同时由于燃料无法完全燃烧，使得火焰温度较低，同样起到抑制n o ，产生的 效果。燃料完全燃烧需要的空气通过专门的喷口送入炉内，与燃料过浓燃烧生成的 烟气混合，完成整个燃烧过程。由于空气分两次供给燃烧，所以，称为二段燃烧， 也就是我们常说的空气分级燃烧法。从炉内 主燃烧区上方加入的空气，常被称为“火上 风”，因此有些资料将这种方法又称为“火 上风”。火上风风量与入炉总风量之比称为 偏离率。偏离率的大小对二段燃烧降低n 仉 排放的效果有很大影响。如图2 1 1 “，从 图中可以看出偏离率逐渐增加时，n o ，排放 量大幅降低，但是当偏离率超过0 2 时，继 续增加偏离率，n 仉不再明显降低，甚至还 会增加，这是由于火上风量太大，一次风量 过小，主燃烧区产生大量的中间产物，它们 超过n 0 。的浓度，这些中间产物除了还原n o 。 图2 1 0 二段燃烧原理图 以外，还有一部分剩余量在火上风加入时燃烧氧化成n o 。从而导致n o ，排放增加。 另外火上风喷口位置也会影响到二段燃烧降低n 0 。排放的效果，如图2 一1 2 1 所示。 从图中可以看出，火上风送入位置距离一次风喷口越远，烟气在主燃烧区内停留时 间越长，使得中间产物可以充分对n o , 还原分解，n o ，排放量越低，但是，距离增加 到一定程度后，n o , 呈饱和状态，排放量不再继续降低。 偏离率( ) 图2 1 1 偏离率对n o x 排放量的影响 囊氨藏箍，弧 一5 。 琶。 量a 。 世2 。 2 1 。 0 0123 距燃烧器轴向距离( m ) 图2 1 2 火上风送入位置 对n o x 的影响 浙江大学硕士学位论文 第二章n o ，的排放机理及低n o ，燃烧技术综述 3 、浓淡燃烧技术( o s o 这种方法是让一部分燃料在空气不足的条件下燃烧，即燃料过浓燃烧：另一部 分燃料在空气过剩的条件下燃烧，即燃料过淡燃烧。无论是过浓燃烧还是过淡燃烧， 其过剩空气系数n 都不等于1 。前者o 1 ，故又称为非化学当量燃烧 或偏差燃烧。 浓淡燃烧时，燃料过浓部分因氧气不足，燃烧温度不高，所以，燃料性n o 。和 热力n o , 都会减少。燃料过淡部分因空气量过大，燃烧温度降低，热力型n o 。生成 量也减少。总的结果是n o 。生成量低于常规燃烧。 按此原理设计的浓淡燃烧器( w r 燃烧器) 已被证明是一种高效低n o 。燃烧装置。 试验表明，随着煤粉浓淡比增加，由于着火热减少，着火提早，淡煤粉浓淡比太大， 则因浓侧煤粉缺氧影响挥发分燃烧会使着火延迟，因此，从着火热的角度来说，存 在一最佳煤粉浓度值即最佳煤粉浓淡比值。在此情况下，炉温最高、飞灰可燃物也 最少。但对于n o , 排放量来说，随着煤粉浓淡比增加，n o 。排放量是逐渐下降的。因 此，从高效低n o ，排放综合性能考虑，煤粉浓淡比应以某一煤种