（化学工程专业论文）热解燃烧链条炉低nox排放特性与炉膛结构参数影响的数值模拟.pdf

摘要 我国工业锅炉有5 0 多万台，主要采用层燃方式，且多为链条炉，普遍存在燃烧效 率低、污染物排放量高等问题。其中，造成大气污染重要来源之一的氮氧化物( n o x ) 的 排放约占我国n 仉排放总量的1 5 - - 2 0 。因此，研发工业锅炉低n o x 燃烧技术对于 减排燃煤n o x 、保护大气环境具有十分重要的现实意义。 热解燃烧链条炉是根据中国科学院过程工程研究所提出的层燃链条炉热解燃烧技 术原理设计出的新型层燃炉。与普通层燃链条炉相比，热解燃烧链条炉融合了燃料再燃 技术可以有效抑制炉内n o x 的生成。其实现方式如下：将链条炉分解为前段热解和部 分气化区以及后段半焦和可燃气燃烧区。前段热解气化区产生的对n o x 具有还原作用 的可燃气被导入后段燃烧炉堂后，形成了燃料再燃，可对链条炉排半焦燃烧生成的n o x 起到很好的抑制效果，从而达到降低n o x 排放的目的。 本文采用流体力学软件f l u e n t ，模拟揭示热解燃烧链条炉降低n o x 的排放特性， 并考察炉膛结构参数对降低n o x 排放的影响，为热解燃烧链条炉的开发设计提供理论 指导。模拟过程中，选取后段燃烧炉膛作为计算物理模型，将前段流化床气化产生的可 燃气简化为甲烷，采用添加元素n 的乙烯空气混合物燃烧模拟炉排半焦层燃烧及其生 成的n o ，建立了炉膛燃烧的数学模型及n o 生成与还原模型。模拟结果表明，传统燃 烧时，炉膛出1 ：3n o 浓度为1 7 8 p p m 。而在同等燃烧条件下，热解燃烧链条炉由于在炉 膛中形成一局部还原燃烧区，炉膛出口n o 排放量降为1 5 2 p p m ，n o 还原率为1 4 6 。 这说明该技术相对于传统燃烧，具有一定的n o x 减排作用。对于热解燃烧链条炉，计 算结果表明，减小过量空气系数、增大再燃比和减弱炉排前段风室配风量有利于提高出 口n o 还原率；增大前拱长度、减小前拱角度、增大前后拱间距会减弱n o 减排效果， 而后拱角度的改变对出口n o 还原率没有影响。 关键词：链条炉，再燃，热解燃烧，n o x ，数值模拟 a b s t r a c t i nc h i n a , t h ee x i s t i n gp r o b l e m so fi n d u s t r i a lb o i l e r sw h i c ha r ea b o u tm o r et h a n5 0 0 t h o u s a n du n i t sa n dm a i n l ya d o p tt h eg r a t e f i r e dm a n n e ra r eg e n e r a ll o wc o m b u s t i o n e f f i c i e n c ya n dh i g he m i s s i o no fp o l l u t a n t a m o n gt h e m , a ni m p o r t a n ts o u r c oo fa t m o s p h e r i c p o l l u t i o nc a u s e db yn i t r o g e no x i d e s ( n o x ) e m i s s i o na c c o u n t sf o ra b o u t 15 - - - 。2 0 o f a m o u n t i n gt on o xe m i s s i o ni nc h i n at h e r e f o r e ，i t i sv e r yi m p o r t a n ti nv i e wo ft h e e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o no fc h i n at od e v e l o pn e wc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a lb o i l e r f o rl o wn o xe m i s s i o n p y r o l y s i s - c o m b u s t i o n c h a i ng r a t eb o i l e ri n v e n t e d b y t h ei n s t i t u t eo fp r o c e s s e n g i n e e r i n g ， c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s ，i san e w - s t y l es t o k e rb o i l e r i nc o m p a r i s o nw i t h t r a d i t i o n a lc h a i ng r a t eb o i l e r , p y r o l y s i s c o m b u s t i o nc h a i ng r a t eb o i l e rc o m b i n e dw i t hf u e l r e b u m i n gc a nb ee f f e c t i v e l ys u p p r e s s e dt h eg e n e r a t i o no fn o x t h ep y r o l y s i s - c o m b u s t i o n c h a i ng r a t eb o i l e ri sc o m p o s e do ft w os e c t i o n si n c l u d i n gf r o n ts e c t i o no fp y r o l y s i sa n dp a r t i a l g a s i f i c a t i o n ，a n db a c ks e c t i o no fs e m i c o k ec o m b u s t i o n t h ef l a m m a b l eg a sp r o d u c e db yc o a l p y r o l y s i sa n dp a r t i a lg a s i f i c a t i o ni nf r o n ts e c t i o nc a nb ei m p o r t e di n t ot h eb a c kf u m a c e ， w h i c hf o r mf u e lr e b u m i n gw h i c hc a nr e d u c en o xe m i s s i o nf i o ms e m i c o k ec o m b u s t i o no nt h e c h a i ng r a t e i nt h i sp a p e r , f l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n tw 鹊u s e dt os i m u l a t en o xe m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp y r o l y s i s c o m b u s t i o nc h a i ng r a t eb o i l e ri no r d e rt op r o v i d et h e o r e t i c a l g u i d a n c eo fd e s i g n m e a n w h i l e ，t h ee f f e c t so fp a r a m e t e r so ff u r n a c es t r u c t u r eo nn o x e m i s s i o nw e r ei n v e s t i g a t e d d u r i n gt h es i m u l a t i o np r o c e s s ，b a c kc o m b u s t i o nf u m a c oi s s e l e c t e da st h ec a l c u l a t i n gp h y s i c a lm o d e l m e t h a n ei sa d o p t e da sr e b u m i n gf u e l ，w h i l et h e c o m b u s t i o no fa i r - e t h y l e n em i x t u r ea d d e dw i t hne l e m e n tw h i c hf o r m e dn oi nc o m b u s t i o n p r o c e s si se m p l o y e dt os i m u l a t et h ec o m b u s t i o no f s e m i c o k eo nt h eg r a t e o nt h e o t h e rh a n d , t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa b o u tf u m a c ec o m b u s t i o n ，n of o r m a t i o na n dr e d u c t i o n ，a r e e s t a b l i s h e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tn oc o n c e n t r a t i o no ff u m a c eo u t l e ti s17 8 p p m i nt h et r a d i t i o n a lc o m b u s t i o n ，w h e r e a so nt h es a m ec o m b u s t i o nc o n d i t i o n s ，n oe m i s s i o n o ff u m a c oo u t l e tc a nb ed e c r e a s e dt o1 5 2p p mw i t hr e d u c t i o ne f f i c i e n c yb e i n g1 4 6 f o r m i n gap a r t i a lr e d u c t i o nz o n ei n t h ef u r n a c eb yp y r o l y s i sg a sr e b u m i gi st h em a j o r c o n t r i b u t i o nf o rt h er e d u c t i o no fn o x t h i ss h o w st h a tp y r o l y s i s c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yh a sa c e r t a i ne f f e c to nt h en o xr e d u c t i o nc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lc o m b u s t i o n f o rt h e p y r o l y s i s - c o m b u s t i o nc h a i ng r a t eb o i l e r , t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a ti m p r o v i n g n or e d u c t i o ne f f i c i e n c yb yd e c r e a s i n ge x c e s sa i rr a t i o ，i n c r e a s i n gr e b u mf u e lf r a c t i o na n d d e c r e a s i n ga i rv o l u m ei nt h ea i rp l e n u mu n d e r n e a t hf o r e p a r to ft h et r a v e l i n gg r a t e v a r y i n g t h ec o n f i g u r a t i o no fb o i l e rf u m a c ec l a r i f i e dt h a tn or e d u c t i o ne f f i c i e n c yd e c l i n e dw i t h i n c r e a s i n gt h ef r o n ta r c hl e n g t h ，d e c r e a s i n gt h ef r o n ta r c ha n g l ea n de x t e n d i n gt h ew i d t ho f t h ef o r e a n d - a f ta r c h n o n e t h e l e s s ，c h a n g i n gt h eb a c ka r c ha n g l eh a sl i t t l ee f f e c to nt h en o r e d u c t i o ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：c h a i ng r a t eb o i l e r ，f u e lr e b u m i n g ，p y r o l y s i s c o m b u s t i o n ，n o x ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n l n 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部l 、j 或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：要矗辇 指导教师签名： z 呷年f 月7 日 年月日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 丘 思o 学位沦文作者签名：贾端华 硼7 年厂月( 日 西北大学硕士学位论文 1 1 我国工业锅炉概况 第一章绪论帚一早珀比 工业锅炉是工业生产和人民生活中广泛应用的一种热能动力设备，在国民经济中占 有重要地位。具有使用量大、需求面广的特点，主要包括工业蒸汽锅炉、采暖热水锅炉、 民用生活锅炉等。目前，我国工业锅炉有5 0 多万台，总容量在1 2 1 1 万吨【1 1 ，主要采用 层燃方式。其中，链条炉排占主导地位，产量占工业锅炉总台数的5 2 7 0 , ，占总容量的 5 9 ：其次为往复炉排，分别占总台数的2 1 和总容量的1 7 ；再次为固定炉排，约占 总台数的1 7 ，总容量的4 左右【2 i 。我国工业锅炉主要以燃煤为主，年耗煤量在4 亿 多吨，约占全国原煤产量的三分之一【l l 。下图1 1 为一普通层燃链条炉示意图，其燃烧 方式为传统的固定床燃烧：由煤斗加入的煤直接在炉膛内链条炉排上燃烧，产生的烟气 在前后拱的作用下折流进入炉膛上部空间，燃烧所需的空气由炉排下方的风室提供。 ； j f r o n ta r c h ；：j j c o a lb o p p e r 。 _ 栅赫 _ l a 1 1 啪m t e s ti n t 锄 。j ：j ”砑， j 多妻静o mp d。磁謦耘；。， ；_ f 詈乎i 丐鼍鼍匕三f 矛f i 下 ：、毪藁黧囊篓雯蓦霎耋：_ j 图1 - 1 普通层燃链条炉示意图 f i g1 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft r a d i t i o n a lc h a i ng r a t eb o i l e r 我国工业锅炉的设计效率普遍为7 2 - 8 0 ，但实际运行时大部分都在6 0 6 5 之间，形成了低效率、高耗能的现状。与国外先进水平相比，能源浪费十分严重。造成 这一问题的主要原因是：锅炉使用时间过长，设备陈旧，自动化程度不高，锅炉操作人 员缺乏必备的技术素质，燃用的煤种多、煤质差，燃烧不完全和过大的过量空气系数( 2 o ) 等。除此以外，锅炉燃烧排放的黑烟造成严重的“煤烟型”大气污染，包括烟尘、s 0 2 和n o x 的污染。对于s 0 2 的排放已经有了相对较好的控制措施，但n o x 排放控制的工 作才刚刚起步，而且主要集中在电站锅炉上，工业锅炉特别是层燃炉由于其本身n o x 的排放值较低，还没有引起足够的重视。但是因为工业锅炉数量多、耗煤量大，n o x 排 放总量占我国大气污染物氮氧化物( n o x ) 排放的1 5 , - - - , 2 0 ，所以，工业锅炉n o x 污染 第一章绪论 问题不容忽视 3 , 4 1 。 综上所述，提高工业锅炉效率和降低污染物排放是我国洁净煤技术发展的关键内容 和重要环节。如果我国工业锅炉能达到发达国家同类产品的同等效率，则每年可节省约 1 亿吨原煤，节约开支约3 0 0 亿元，相对于目前的总污染排放量，可减少烟尘、s 0 2 、 c 0 2 和n q 排放量5 1 0 。因此，开发高效、低污染的新型层燃技术符合我国国情， 具有十分重要的现实意义和社会意义。 1 2n 0 。的危害 氮氧化物( n o x ) 是一氧化氮( n o ) 、二氧化氮( n 0 2 ) 及其它氮和氧的化合物的总称，其 中造成大气污染的n o x 主要是n o 和n 0 2 。煤燃烧过程中产生的n o 进入大气后，逐渐 与大气中的氧气或臭氧结合生成n 0 2 ，而n 0 2 的毒性更大，约为n o 的4 , - 一5 倍。n 0 2 很容易和动物血液中的血红素相结合，使血液缺氧，引起中枢神经麻痹症。n 0 2 还对呼 吸器官粘膜有强烈的刺激作用，引起肺气肿和肺癌，其毒性较s o z 和n o 更强。人在含 n o 为1 0 0 p p m 的大气中停留l 小时，或在含n 0 2 为4 0 0 p p m 的大气下停留5 分钟就会 死亡。此外n 0 2 对心脏、肝脏、肾脏和造血组织都有损害p j 。 氮氧化物形成光化学烟雾，其毒性更强。n 0 2 在阳光的照射下分解为n o 和o ，o 与碳氢化合物作用生成有机过氧化合物r 0 2 ( 过氧烷基) ，o 与0 2 反应生成0 3 ，0 3 将丁 烯氧化为丙烯醛和甲醛等。这些反应生成一系列有毒的光化学氧化物。这种以0 3 、 聊d 呗过氧基硝酸酯) 和h 2 s 0 4 ( 如果有s 0 2 存在) 为主要成分的光化学烟雾不仅降低能见 度，而且对人的眼睛与呼吸道有强烈的刺激性，使眼睛红肿，肺功能发生变化，且p a n 有致癌作用，对人体危害极大。 n o 会破坏平流层中的臭氧层，使其失去了对紫外光辐射的屏蔽作用，对地面生物 造成危害。 n o x 与s o z 和粉尘共存，可生成毒性更大的硝酸或硝酸盐气溶胶形成酸雨，对农作 物、森林、土地和建筑物等都能造成严重损害。 煤在低温下燃烧能生成大量的n 2 0 ，n z o 吸收红外线能力较c 0 2 要大2 0 0 倍，因此 n 2 0 是一种温室效应很强的气体。n 2 0 同样能能破坏臭氧层，对人类造成危害【6 j 。 2 西北大学硕士学位论文 1 3 课题的提出和研究内容 1 3 1 课题的提出 为降低工业锅炉污染物的排放，中国科学院过程工程研究所提出了层燃链条炉热解 燃烧技术【7 引，并根据该原理设计出一种新型的工业锅炉：热解燃烧链条炉，旨在同时 实现高效燃烧、抑制n o x 的生成和炉内固硫。热解燃烧技术( p c tp y r o l y s i s - c o m b u s t i o n t e c h n o l o g y ) 原理如图1 - 2 所示将煤的燃烧依次分两步进行：煤首先在流化床内进行热解 和部分氧化气化，所生成半焦和可燃气在层燃炉中燃烧，从而将层燃炉分解为前段热解 气化区和后段半焦和热解气燃烧区。煤首先被送入上游的流化床热解气化炉内的燃料颗 粒床层上，被空气流化的同时与空气中的氧气相互作用，在8 0 0 c 左右发生热解和部分 气化，生成的半焦及可燃气于高温状态下进入下游的层燃炉进一步燃烧。半焦在炉排上 堆积并燃烧，而可燃气在下游层燃炉炉膛内部结构如前、后拱的引导下在半焦层的表面 附近燃烧。半焦和可燃气燃烧释放的热量通过对流、传导以及辐射换热的方式加热锅炉 换热面内的工质，生成热水或蒸汽。 烟气 煤 空气 图1 - 2 层燃炉热解燃烧技术原理图 f i g1 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fp y r o l y s i s - c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo fs t o k e rb o i l e r 与普通层燃链条炉相比，热解燃烧链条炉融合了燃料再燃技术可以有效抑制炉内 n o x 的生成。这是因为煤在流化床热解和部分气化过程中所生成的可燃气从流化床上方 的连通口进入下游燃烧炉膛时，在前拱的作用下绕流与炉排上燃料燃烧产生的烟气强烈 混合，在炉排上方形成一局部还原燃烧区。该燃烧区域含有大量可将n o x 还原为n 2 的 可燃性气体如c o 、h 2 等。对于炉排上的燃料燃烧来说，还原燃烧区的形成实质上实现 了使用燃料热解和部分气化气作为再燃燃料的“再燃技术，从而可以有效降低层燃炉 第一章绪论 n o x 的排放量。 1 3 2 研究内容 本文作为国家自然科学基金项目( 2 0 6 0 6 0 3 4 ) 和国家8 6 3 计划资助项目 ( 2 0 0 7 a a 0 5 2 3 0 4 ) 内容的一部分，其研究主要包括以下两点： ( 1 ) 通过流体力学软件f l u e n t ，对采用层燃炉热解燃烧技术原理所设计的热解燃 烧链条炉降低n o x 的排放特性进行数值模拟。一方面，从流场、温度场和浓度场角度阐 述热解燃烧链条炉抑制n o x 生成的机理：另一方面，模拟揭示锅炉实际运行操作参数对 再燃降低n o x 的影响： ( 2 ) 适当改变炉膛结构参数，分析其对还原性可燃气再燃降低n o x 的影响，以便用 于炉膛结构的优化，为热解燃烧链条炉的开发设计提供理论指导。 4 西北大学硕士学位论文 2 1n 0 ，的种类 第二章n 0 。控制技术 煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要是n o 和n 0 2 ，此外，还含有少量的氧化二氮 ( n 2 0 ) 。和s 0 2 的生成机理不同，煤燃烧过程中，氮氧化物的生成量和排放量与煤燃烧 方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件关系密切。在通常的煤燃烧温度下， 生成的n o 。中，n o 占9 0 以上，n 0 2 占5 - - 一1 0 ，而n 2 0 只占l 左右。其生成的 n o x 可分为三类： ( 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氧化下生成的： ( 2 ) 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； ( 3 ) 快速型n o 。( 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n o x 。 一般情况下，三种n o x 在煤燃烧过程中情况很不相同。快速型n o x 所占比例不到 5 ；在温度小于1 3 5 0 c 时，几乎没有热力型n o x ，只有当温度超过1 6 0 0 c ，才可能占 到2 5 3 0 ；而燃料型n o x 是最主要的，占到6 0 - - , 8 0 。对于层燃炉中更是有9 0 以上的n o 。属于燃料型n o x 9 l 。 2 2 不同类型n 0 。的生成机理与控制措施 2 2 1 热力型n 仉 热力型n o x 是空气中的氮气和氧气在高温条件下生成的，其反应机理可用扩展的 z e l d o v i c h l l o ，1 1 1 机理来描述。主要的反应如下： d + 2 n + n o ( 2 1 ) + q 营o + n o ( 2 2 ) + o h h + n o ( 2 3 ) 对于热力型n o x ，其生成速率和温度的关系符合阿累尼乌兹定律，随着温度的升高， n o x 的生成速度按指数规律迅速增加。在上述三个反应式中，第一个反应的速率较慢， 决定了整个反应的速率。燃烧过程中，这一反应比主燃烧反应慢好几个数量级，所以在 在火焰中只有少量的n o x 生成。影响热力型n o 。生成的决定性因素是燃烧温度，当温 5 第二章n o x 控制技术 度低于1 5 0 0 c 时，n o x 生成量很小，超过1 5 0 0 c ，温度每增加1 0 06 c ，反应速率可增加 6 - - - 7 倍。除此以外，锅炉的过量空气系数和烟气在炉内的停留时间对热力型n o x 的生 成也有一定影响。研究表明，当过量空气系数为1 1 ，烟气在炉内的停留时间为0 1 s 时， n o 浓度约为5 0 0 p p m ，但停留时间为l s ，则浓度达到1 3 0 0 p p m ，若过量空气系数为1 4 ， 停留时间为l s 时，n o 浓度仅为5 0 0 p p m l l 2 1 3 1 。 抑制热力型n o x 的生成可用下列方法： ( 1 ) 降低燃烧温度，并防止产生局部高温区； ( 2 ) 降低氧气浓度，使燃烧在偏离空气量下进行； ( 3 ) 缩短烟气在高温区内的停留时间。 2 2 2 快速型n o 快速型n o x 最早是f e n i m o r e t l 4 1 通过实验发现的。一般在燃烧温度较低、停留时间 较短的富燃料燃烧条件下，才会生成较多的快速型n o x ，例如在平焰燃烧器、分段燃烧 和燃气轮机中【15 1 。 快速型n o x 主要是碳氢化合物和空气中的氮作用生成的【1 6 】。碳氢燃料在过浓的条 件下燃烧时，会产生c h 、c h 2 和c 2 等基团，它们与空气中的氮反应生成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自由基如o 、o h 等进一步反应 生成n o x 。由于其反应在火焰面上，所以生成速度非常快。快速型n o x 的生成机理比较 复杂，图2 1 是快速型n o 的生成步骤【1 0 1 ： 图2 - 1嬲n o 转化途径 f i g2 - 1 r e a c t i o np a t hd i a g r a mi l l u s t r a t i n gt h em a j o rs t e p si np r o m p tn of o r m a t i o n 快速型n o x 对温度的依赖性很弱，一般情况下，对于燃煤设备，与热力型和燃料 型n o 。相比，其生成量非常小，可忽略不计。只有不含氮的碳氢化合物在低温燃烧时， 6 剧 眺 i班 西北大学硕士学位论文 煤中的氮主要来源于成煤植物和菌种的蛋白质、氨基酸、生物碱等【1 7 1 ，一般含量在 等形式。挥发份中h c n 和n h 3 转化为n o x 的机理比较复杂，图2 - 2 和图2 - 3 简要的说 明了它们向n o x 的转化【1 8 l 。研究表明1 9 】，影响挥发份n 转化为n o 的主要因素是过量 ：兰c n ! 立兰抓 n 兰。州删，八上 n h 3 图2 - 3n 1 t 3 的转化途径 f i g2 - 3 r e a c t i o np a t hd i a g r a mf o r t h eo x i d a t i o no fa m m o n i ai nf l a m e s 焦炭燃烧过程中焦炭n 主要以n o 、n 2 0 和n 2 的形式释放出来，也可能释放出前 7 第二章n o x 控制技术 驱物h c n 和n h 3 【2 0 1 。对于焦炭n 向n o x 的转化目前有两种不同的观点：一种认为焦炭 n 是通过焦炭表面多相反应直接生成n o x ；一种认为焦炭n 同挥发份n 一样，先析出 前驱体h c n 和n h 3 ，然后前驱体进一步被氧化生成n o x 。影响焦炭燃烧生成n o x 的主 要因素有焦炭含氮量及焦炭的生成条件。二者对焦炭n o x 的生成影响非常复杂。在这方 面，已经进行过大量的研究。s h i m i z u 等1 2 l j 利用流化床研究发现焦炭的表面积对n o 的 产生量有一定影响，焦炭的表面积越大，n o 的产率越小。t u l l i n 等【2 2 】研究了流化床中 燃烧氮氧化物排放与碳转化关系情况，研究发现焦炭燃烧过程中燃料n 向n o 转化率随 c 转化而不断提高。 综上所述，抑制燃料型n o x 可采用以下的措施： ( 1 ) 选用含氮量较少的燃料； ( 2 ) 降低过量空气系数： ( 3 ) 当火焰为扩散燃烧时，推迟燃料与氧化剂的混合。 2 3 再燃原理 1 9 7 3 年，w e n d t 1 在试验中发现将甲烷喷入燃烧器下游附近后，锅炉n o 排放量可 降低5 0 ，随即提出“再燃 概念并开始相应的研究。再燃技术发展至今，如图2 4 所 示，其主要形式是：在沿锅炉炉膛高度方向，将燃烧区域分为三部分，第一区域为主燃 区，将7 5 - 一9 0 的燃料投入到锅炉内在过量空气系数大于l 的条件下进行燃烧。该区 域是n o x 主要的生成区。第二区域也即再燃区域，在过量空气系数小于1 的情况下，通 入1 0 - - - - 2 5 的再燃燃料进行燃烧，在该区域，由于再燃燃料与主燃区燃烧生成的n o x 发生还原反应生成n 2 ，导致n o x 水平降低。炉膛最上部的区域为燃尽区，主要的作用 是在过量空气系数大于l 的条件下，使没有完全燃烧的燃料充分燃尽。 图2 - 4 再燃原理示意图 f i g2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fr e b u r n i n gc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y 再燃区的n o x 还原反应包括均相反应机理和非均相反应机理，均相还原反应主要包 括c h i 、c n h m 、h c n 、n i - i j 、c o 、h 2 与n q 之间的反应。非均相还原反应则是依靠焦 炭的吸附作用，在焦炭表面发生反应将n o x 还原。这些反应的总反应式如下： 8 西北大学硕士学位论文 4 n d k ：h 4 - + 2 n 2 + c 0 1 2 + 2 h 2 0( 2 4 ) 2 n o + 2 c h m + ( 2 n + m 一1 ) 0 2 - * n x + 2 n c 0 2 + m h 2 0 ( 2 5 ) 2 n o + 2 c o - - - n 2 + 2 c 0 2( 2 6 ) 2 n o + 2 c _ n 2 + 2 c o( 2 7 ) 2 n 饼- 2 h 2 一n 2 + 2 h 2 0( 2 8 ) 关于n o x 还原机制侧重点目前还没有统一的观点。大部分研究者认为均相还原反应 是主要的机制，尤其是碳氢化合物的还原作用，h c n 和n h 3 也不能忽视2 3 ，弘2 5 1 。其它 一些研究者则侧重非均相还原作用，认为低阶煤的异相还原效果更为重要，占到9 0 以 i - - 1 2 6 lo 再燃技术又称之为燃料分级燃烧技术，对于普通的再燃工艺可降低n o x 5 0 以上， 如果使用先进再燃技术，那么n o x 的排放量将会减少8 5 。使用再燃技术，常用的再燃 燃料有煤、天然气和油。其中由于天然气不含氮，具有较高的n o 。脱除率，所以是一种 最理想的再燃燃料【2 7 1 。除此以外，为了节省能源，现在正开发一些可替代的新型再燃燃 料如生物质、含碳氢化合物较高的废旧物等。目前，关于再燃技术的研究已进行了大量 的工作。c a s a c a 等【2 8 】利用实验装置考察了生物质作为再燃燃料时，颗粒尺寸影响n o x 还原率的规律，实验结果表明，存在一个最佳的粒径分布，低于或高于这个粒径分布， n o x 的还原率都减小。n i m m o 等2 9 1 对废旧轮胎作为一种新型的再燃燃料进行了深入研 究，研究表明，再燃区使用废旧轮胎和煤的混合物，主燃区不论是煤还是丙烷，还原效 果都非常接近，在1 9 - 8 1 之间。h a m p a r t s o u m i a n 掣3 0 1 考察了煤种特性、再燃比、停 留时间等因素对先进再燃技术的影响，并与普通再燃技术做了比较。实验结果表明，使 用先进再燃技术可降低n o x 8 5 。v i t a l i 等3 1 1 利用5 种生物质气化生成气作为再燃燃料， 考察了再燃比对n o x 的影响。最后的实验结果表明，再燃比从0 增大到2 0 时，n o x 还原率与再燃比的变化趋势一致，继续增大再燃比，n o x 还原率基本不变或略有下降。 2 4 低n 0 ，排放技术 对燃烧过程中生成的n o x 实施控制是一项较为复杂的的技术，由于n o x 生成机理 不同，影响其生成量因素也各不相同，同一控制因素对它们的影响程度也各有差异，甚 至一项控制因素对一类的n o x 可以起到有效控制，但是对另外一种类型却完全无效。例 如，降低燃烧温度对热力型n o x 非常有效，对于燃料型n o x 则没有显著影响。此外， 所采用的措施还必须考虑是否会影响到锅炉的效率。因此，采用n o x 控制措施时，需要 9 * = 章n o x 控制拄$ 综台考虑各项因素。目前关于低n o x 排放技术可分为三大类：使用低氪燃料；基于改 变燃烧条件控制n o ；生成的低n o 。燃烧技术；对燃烧产生的烟气进行尾处理的烟气脱 硝技术。其中，低n o ；燃烧技术包括低氧燃烧、空气分级、燃料分级、烟气再循环、浓 淡偏差燃烧、低n o ；燃烧器和炉内喷射脱硝；烟气脱硝技术包括干法和湿法脱硝两大类。 在各类燃料中固体燃料的含氮量最高( o5 25 ) 原油次之( 1 左右) ，气体燃 料最低( 天然气中几乎不含氮) 。固此，采用天然气等气体燃料是母好的选择。 低氧燃烧就是使燃烧过程尽量在接近理论空气量的条件下进行。使烟气中的过剩氧 量减少，从而降低燃烧生成的n o 。量，这种方法简单经济，可使n 0 x 排放量降低15 2 0 0 0 。但同时也存在不利因索采用较低的过量空气系数会导致锅炉化学不完全燃烧损 失和机械不完全燃烧损失增大，降低了锅炉燃烧效率。也容易导致炉壁结渣和腐蚀。 浓淡偏差燃烧技术依据n o x 对过量空气系数的依赖关系，使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下燃烧也即燃料过淡燃烧。燃 烧过程中，过量空气系数部不等于1 。这种方法又被称为偏差燃烧或化学计量数配比燃 烧。对于燃料过浓燃烧，由丁氧量不足，燃烧温度不高，所咀燃料型n o 。和热力型n 仉 都很不高。燃料过淡部分因空气量很大，燃烧温度降低，使热力型n o x 降低。使用这 种燃烧技术可减少n o 。排放量近3 0 ，通常多用于燃烧器多层布置的电站锅炉。 空气分级燃烧又称为二级燃烧，如罔2 - 5 吲所不：一般将助燃风( 二次风) 单独引入 图2 - 5 空气分缓燃烧示意图 f i g2 - 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo fa i rs t a g e dc o m b u s t i o n t e c h n o l 0 2 ) 炉内或燃烧器内，引入炉内的助燃风称为燃尽风，它是指从原来的二次风分出一股，在 主燃烧区的下游引入，从而使原来单一的二次风变成了燃烧器的二次风和炉膛燃尽风两 部分。在主燃区内，燃料燃烧的空气量占总空气量的7 0 9 0 ，使燃料在缺氧的条件 墼，j法嘧 一 |*目霉 d | 匕大# 硕学位* i 下燃烧。由于过量空气系数小于l ，导致主燃区的燃烧速度和温度都降低，从而抑制了 燃料型n o i 的牛成量。通入的燃尽风约占1 0 3 0 ，从主燃烧器的下游喷入，在空气 过量的情况下完成燃烧过程。这一阶段的燃烧温度也较低，阻碍了热力型n o 。的生成。 空气分级燃烧技术是目前使用最为普遍的低n o ；燃烧技术之一。 常规的燃烧器易十产生较多的n 仉。从燃烧角度和n o x 生成机理看，不同结构和形 式的燃烧器将形成不同的燃烧工况和n o x 生成特性。因此通过特殊设计的燃烧器结构 及改变其运行方式，并结合空气分级、燃料再燃等低n o x 燃烧技术原理，从而设计出低 n 吼燃烧器。它可以用来控制燃料与空气的混合特性，改善火焰结构，降低燃烧温度火 焰峰值，实现低n o ；排放。现在有许多公司致力于开发低n 0 x 燃烧器扭| 英国的m i t s u i b a b c o c k e n e r g y 公司、美国b w 公司、a b b c e 公司等。在降低n 仉排放上，也取得r 不错效果。如a b b 公司开发的分离式燃烧器能达到3 0 6 0 的n 仉还原率p ”。图2 - 6 是一个空气分级型低n o 。燃烧器示意图。 图2 空气分缓型低n o ，燃烧嚣示意圈 f i g26s e h e m a l i cd i a g r a mo f l o wn o xh u r f l e ro f a i rs t a g e d 烟气再循环技术是将部分低温烟气直接送入炉内，或与空气( 一次风或二次风) 混合 后送入炉内这样使炉内温度和氧含量降低，导致燃烧速度也随之降低，因此抑制了炉 内热力型n o x 的生成。这种方法对于燃气锅炉n 吐的减排效果最为显著，可减少 2 0 0 旷7 0 ；对于燃用重油的锅炉也具有一定的效果，可降低n o ；含量1 0 0 o - 5 0 ：但对 于煤粉炉而言，由于燃烧生成的主要是燃料型n o 。，所以采用这种方式降低n o 。作用有 限n 0 。降低量在1 5 以下。在燃用着火困难的煤时受到炉温和燃烧稳定性降低的限 制，故不宣采用。烟气再循环方法可以在一台锅炉上单独使用，也可以和其它低n o x 燃烧方法配合使用。 炉内喷射脱硝是在炉膛上方喷入某种物质，能够在一定条件下将主燃区燃烧生成的 第二章n o x 控制技术 n o x 还原，以降低n o x 排放量。喷入的物质可以是二次燃料也可以是氨或尿素等还原剂。 如果喷入的是二次燃料就是燃料分级燃烧。这样由于二次燃料与氧气的反应，使得二次 燃料的消耗量增加，同时二次燃料的燃烧也使烟气温度上升，所以这种方法在实际应用 中受到限制。如果喷入氨、尿素等还原剂，那么炉内喷射脱硝又称为选择性非催化还原 法( s n c r ：s e l e c t i v en o n c a t a l y t i cr e d u c t i o n ) 。采用这种方法具有投资少、运行费用较低 和n o x 还原率较高等优点。但是由于氨还原n o x 的反应只能在一个狭窄的温度范围 ( 9 5 0 。c - - 一1 0 5 0 c ) 内进行，所以必须有良好的混合和反应时间。同时，炉内喷氨存在n h 3 泄漏量过大等问题，应用也受到一定限制。 干法烟气脱硝技术包括采用催化剂促进n o x 还原的选择性催化还原法( s c r ： s e l c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ) 、电子束照射法、脉冲电晕等离子体法等。s c r 技术就是将 氨气作为还原剂喷入烟道气流中，混合后的气体通过催化剂层时，在催化剂的作用下， n o x 与氨气发生还原反应生成氮气和水，从而降低n o x 排放量。该法所用催化剂主要有 钛、铁的氧化物或活性焦炭。前者的反应温度在3 0 0 - - 4 0 0 ，后者在1 0 0 1 5 0 。c 。 使用该法程序简单，可减少n o x 8 0 - - - 9 0 ，并适合较大容量的烟气处理，所以目前得 到广泛应用。电子束和脉冲电晕等离子体法是近年发展起来的新型干法烟气同时脱硫脱 硝工艺。二者的脱硝脱硫原理相近，都是通过特殊装置产生的电子将烟气中的氧、水蒸 汽等分子激发转化为氧化能力很强的o h 、o 和n 0 2 等游离基，这些游离基团使烟气中 的硫氧化物和氮氧化物很快被氧化，产生中间产物硫酸和硝酸，再与预先加入反应器中 的氨气反应生成硫酸铵和硝酸铵。 湿法烟气脱硝技术主要是利用强氧化剂将烟气中的n o 氧化成为n 0 2 ，然后再用水 吸收，生成硝酸溶液。该法脱硝率比较高达到9 0 以上，但整个系统复杂，存在二次污 染，现在已经很少被采用。 1 2 西北大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章炉内燃烧降低n 0 。的数学模型 锅炉燃烧是一个非常复杂的物理化学过程，包含湍流流动、传热、传质及湍流燃烧 等。其燃烧方式可分为固定床、流化床和气流床。随着计算流体力学( c f d - c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 的出现与发展、燃烧理论和数值方法的结合，对于炉内燃烧过程的预测 逐步从可能变成现实，尤其是关于气流床的燃烧模拟已经日趋成熟。s m o o t 3 4 1 对煤粉锅 炉燃烧过程的全模拟发展过程作了较为全面的综述，概括起来主要有三个阶段： 模型的发展与完善阶段：主要集中在七十年代。代表性的有g i b s o n 的化学动力学 模型；s p a l d i