NOx的排放与控制ppt课件.ppt

燃煤过程中NOx的排放与控制技术 1 基本内容目录 一 氮氧化物概述二 燃煤中NOx的生成机理三 低氮氧化物燃烧技术四 烟气脱硝技术 2 一 氮氧化物概述 1 1氮氧化物的种类及来源1 2氮氧化物的危害1 3国内NOx排放与污染现状1 4相关政策法规 3 一 氮氧化物概述 1 1氮氧化物的种类及来源NONO2N2O 笑气 温室效应为二氧化碳的310倍N2O3亚硝酸酸酐N2O4剧毒 有腐蚀性N2O5常态下为固体 NOx 4 一 氮氧化物概述 天然源 闪电 火灾 微生物固氮作用人为源 燃煤电厂 硝酸厂 汽车排放等 5 一 氮氧化物概述 雷电 火山喷发等自然过程 6 一 氮氧化物概述 氮氧化物的来源 在人类活动中所产生的氮氧化物中 燃料燃烧占90 其中NO占90 7 一 氮氧化物概述 1 2氮氧化物的危害氮氧化物对人体健康的危害产生光化学烟雾形成酸雨产生温室效应 8 一 氮氧化物概述 氮氧化物对人体健康的影响可通过呼吸进入人体 刺激呼吸道和肺部 对心脏 肝脏 肾脏造成损害 引起急性或慢性中毒 并有致癌作用氮氧化物中对人体危害最大的是NO2 主要破坏呼吸系统 可引起支气管炎和肺水肿 NO浓度大时对人体毒性很大 可与血液中血红蛋白结合成高铁血红蛋白 降低血液输氧能力 9 一 氮氧化物概述 产生光化学烟雾光化学烟雾是NMHC 大气中的氮氧化物和挥发性有机物 达到一定浓度后 在太阳光照射下 经过一系列复杂的光化学氧化反应 可生成含有臭氧 PAN 过氧乙醚硝酸酯 丙烯醛 甲醛等醛类 硝酸酯类化合物 具有强烈刺激性的淡蓝色烟雾 10 一 氮氧化物概述 光化学烟雾的反应过程NMHC OH O2RO2RO2 NO O2NO2 HO2 CARBHO2 NOOH NO22NO2 hv O22NO O2NMHC 4O2 2hvCARB 2O2 11 一 氮氧化物概述 形成条件 大气中存在一定氮氧化合物和碳氢化合物 光化学烟雾一般发生在大气相对湿度较低 气温为24 32度的夏季晴天 高峰在中午或稍后 12 一 氮氧化物概述 洛杉矶光化学烟雾事件 1943年美国洛杉矶发生光化学烟雾 附近农作物一夜之间严重受害 6 5万公顷的森林 29 严重受害 33 中等受害 其余38 也受轻度损害 13 一 氮氧化物概述 产生酸雨 pH 5 6 氮氧化物在大气中最终被氧化成硝酸和硝酸盐颗粒 造成酸雨 酸性物质对酸雨的贡献为 硫酸60 70 硝酸30 左右 在我国主要是硫酸型酸雨 14 一 氮氧化物概述 产生温室效应 控制的6种温室气体为 二氧化碳 CO2 甲烷 CH4 氧化亚氮 N2O 氢氟碳化合物 HFCs 全氟碳化合物 PFCs 六氟化硫 SF6 15 一 氮氧化物概述 全球增温潜势 GWP 是某一给定物质在一定时间积分范围内与二氧化碳相比而得到的相对辐射影响值 可以用来评价各种温室气体对气候变化影响的相对能力 CO2的GWP值为1 N2O的GWP值为310 N2O对全球温室效应的贡献率为5 16 一 氮氧化物概述 17 一 氮氧化物概述 1 3国内NOx排放与污染现状近年来 我国总颗粒物排放量基本得到控制 二氧化硫排放量有所下降 但氮氧化物排放量随着我国能源消费和机动车保有量的快速增长而迅速上升 研究结果显示 氮氧化物排放量的增加使得我国酸雨污染由硫酸型向硫酸和硝酸复合型转变 硝酸根离子在酸雨中所占的比例从上世纪80年代的1 10逐步上升到近年来的1 3 18 一 氮氧化物概述 根据中国环境规划研究院的研究 我国的环境容量二氧化硫1200 1800万吨 氮氧化物为1200万吨 而从2009年的排放数据来看 仅电力行业就已经排放了近2000万吨二氧化硫和1400万吨氮氧化物 排放量早已超过国家环境容量上限 19 一 氮氧化物概述 20 一 氮氧化物概述 近年氮氧化物排放趋势 21 一 氮氧化物概述 22 一 氮氧化物概述 1 4相关政策法规根据 十二五 节能减排综合性工作方案 十二五 期间 实现节约能源6 7亿吨标准煤 2015年 二氧化硫排放总量控制在2086 4万吨 比2010年的2267 8万吨分别下降8 全国氮氧化物排放总量控制在2046 2万吨 比2010年的2273 6万吨分别下降10 23 一 氮氧化物概述 24 一 氮氧化物概述 125大气污染规划 全面开展氮氧化物污染防治大力推进火电行业氮氧化物控制 加快燃煤机组低氮燃烧技术改造及脱硝设施建设 单机容量20万千瓦及以上 投运年限20年内的现役燃煤机组全部配套脱硝设施 脱硝效率达到85 以上 综合脱硝效率达到70 以上 加强对已建脱硝设施的监督管理 确保脱硝设施高效稳定运行 25 二 燃煤中NOx的生成机理 2 1燃煤中的NOx2 2热力型NOx的生成机理2 3快速型NOx的生成机理2 4燃料型NOx的生成机理2 5N2O的生成机理2 6燃煤中的NOx的控制机理 26 二 燃煤中NOx的生成机理 2 1煤燃烧中的NOx煤中的氮含量一般在0 3 3 5 之间 主要来源于形成煤的植物中的蛋白质 氨基酸 生物碱 叶绿素 纤维素等含氮成分 在通常的燃烧温度下 煤燃烧生成的NOx中 NO占90 以上 NO2占5 10 还有少量N2O 27 二 燃煤中NOx的生成机理 NOx的生成量与燃烧方式特别是燃烧温度和过量空气系数密切相关 研究燃烧过程中的NOx对有效抑制它的产生有重大意义 按其形成机理的不同NOx可分为三类 热力型NOx 燃料型NOx 快速型NOx 28 二 燃煤中NOx的生成机理 29 二 燃煤中NOx的生成机理 2 2热力型NOx生成机理 ThermalNOx 燃烧时 空气中氮在高温下氧化产生 其生成机理可用捷里多维奇 Zeldovich 反应式表示 热力型NOx的浓度随温度和氧浓度的增大而增加 N2 O NO NN O2 NO ON OH NO H 30 二 燃煤中NOx的生成机理 NO生成量与反应温度和停留时间的关系 31 二 燃煤中NOx的生成机理 NO氧化成NO2时的平衡常数 32 二 燃煤中NOx的生成机理 研究数据说明 室温条件下 几乎没有NO和NO2生成800K左右 NO与NO2生成量仍然很小 NO生成量已经超过NO2常规燃烧温度 1500K 下 T每增加100K 反应速率增大6 7倍 有可观的NO生成 NO2量很小 33 二 燃煤中NOx的生成机理 结论 热力型NOx主要影响因素是燃烧温度 氧浓度和高温区的停留时间 34 二 燃煤中NOx的生成机理 2 3快速型NOx生成机理 PromptNOx 快速型NOx是碳氢类燃料在过量空气系数 1富燃料条件下 在火焰面内快速生成的NOx 其生成过程经历了空气中的N2和碳氢类燃料分解的HCN NH N等中间产物等的一系列复杂的化学反应 35 二 燃煤中NOx的生成机理 Hayhurst简化式 总体生成过程 CHi CHi CH N2 HCN NCH2 N2 HCN NH 36 活性基团CH来自下面的反应 二 燃煤中NOx的生成机理 式中X代表H或OH 37 二 燃煤中NOx的生成机理 进一步反应式 38 二 燃煤中NOx的生成机理 热力型NOx和快速型NOx虽然都是由空气中的N2经过系列化学反应而生成 但生成机理不同 影响因素不同 快速型对温度的依赖性很低 而过量空气系数对热力型NOx影响比较大 快速型NOx在富燃料条件快速生成的 需要比较多的活性CHi自由基与N2反应生成中间产物HCN 39 二 燃煤中NOx的生成机理 2 4燃料型NOx生成机理 FuelNOx 燃料型NOx指燃料中的氮在燃烧过程中经过一系列的氧化 还原反应而生成的NOx 它是燃煤燃烧过程中NOx生成的主要来源 约占总的NOx生成量的80 90 40 二 燃煤中NOx的生成机理 燃料型NOx值中 主要是挥发分NOx 焦炭NOx所占比例不大 41 二 燃煤中NOx的生成机理 燃料氮的转化模型 42 二 燃煤中NOx的生成机理 1 HCN的氧化反应 43 HCN和O的反应控制着HCN的消除 二 燃煤中NOx的生成机理 NCO和NH与H反应生成N N继续进行下面的反应 决定了火焰中NO和N2的分布 44 二 燃煤中NOx的生成机理 2 NH3的氧化反应 NH3 NH2 HNO NO NH N2O N2 NNH N OH H O O OH NH2 O OHO2 HOH NO NO NO H NO NO HOH OHO2 45 二 燃煤中NOx的生成机理 46 二 燃煤中NOx的生成机理 2 5N2O的生成机理N2O主要在1000 1200K左右温度下形成 当超过1200K后生成的N2O很少 循环流化床燃烧过程中生成的N2O总量相对煤粉燃烧锅炉中排放的N2O较多 原因就在于燃烧温度 流化床中800 9500C燃烧时 煤中的挥发分HCN NH3与自由基O OH等发生反应 生成N2O 47 二 燃煤中NOx的生成机理 生成N2O最重要的反应是 NCO来源 48 二 燃煤中NOx的生成机理 在高温下 1200K NCO很快就被H O OH等自由基分解 生成NH NO 随后NH与H基发生下面的反应 而N原子和含氧的基团发生反应生成NO 49 二 燃煤中NOx的生成机理 结论 在高温下HCN主要被氧化为NO 在较低温度下NCO和H O等自由基的反应减慢 因此被破坏的NCO减少 大部分的NCO可以通过反应生成N2O 但是由于在低温时 HCN与O反应生成NCO的速度很慢 所以N2O的生成量也很少 50 二 燃煤中NOx的生成机理 2 5燃煤中的NOx的控制机理控制NOx生成的方法就是从其生成过程中改变燃烧条件减少它的生成进行控制或者对已生成的NOx进行后处理两大类煤在燃烧过程中主要是燃料型的NOx 燃烧初期挥发分HCN NH3等也会生成一定的快速型 而热力型NOx相对数量也比较小 51 二 燃煤中NOx的生成机理 热力型NOx的控制 1 降低燃烧温度 避免其生成所需的高温条件 2 降低分子氧的浓度 3 降低分子氮的浓度 4 缩短在热力型NOx生成区的停留时间 52 二 燃煤中NOx的生成机理 热力型NOx的控制 1 向火焰面喷射水或水蒸气2 烟气循环 同时降低火焰的温度 3 富氧燃烧和纯氧燃烧 4 分级燃烧技术和浓淡燃烧技术 53 快速型NOx的控制 二 燃煤中NOx的生成机理 1 添加水或水蒸气2 纯氧燃烧3 预混燃烧 燃烧前燃料和氧化剂预先混合好 54 二 燃煤中NOx的生成机理 燃料型NOx的控制 1 燃烧过程中NOx的脱除 例如分级燃烧 再燃以及浓淡燃烧器 2 燃烧后含NOx的烟气处理 选择性催化还原法 SCR 热力脱硝 SNCR 等 55 NOx控制技术 影响NOx形成的因素煤种特性 挥发分 氮量 固定碳 燃烧区域的温度峰值过量空气系数 值 反应区的烟气组成 O2 N2 CO等 可燃物在反应区中的停留时间煤粉细度 56 低NOx燃烧技术 控制NOx形成的因素空气 燃料比燃烧区温度及其分布后燃烧区的冷却程度燃烧器形状 57 低NOx燃烧技术 低过剩空气燃烧空气分级燃烧燃料分级燃烧烟气再循环低NOx燃烧器 58 低过剩空气燃烧 通过调整锅炉的燃烧配风 使燃烧过程在尽可能接近理论空气量的条件下进行 随着烟气中过量氧的减少 可抑制NOx的生成 一般可降低NOx排放15 20 59 空气分级燃烧 第一阶段 由主燃烧器供入炉膛的空气被减少到理论空气量的80 左右 形成贫氧而富燃料的第一燃烧区 第二阶段 将完全燃烧所需的其余空气以二次空气输入与第一燃烧区的烟气混合 形成富氧而贫燃料的第二燃烧区 60 空气分级燃烧 分级燃烧原理 a 不分级 b 分级 两级 燃烧 实质 缺氧燃烧 61 空气分级燃烧 第一级燃烧区2CO 2NO 2CO2 N2NH NH N2 H2NH NO N2 OH第二级燃烧区CN O2 CO NO 62 空气分级燃烧 由图可见 火焰温度值降低 故热力NOX降低 由于分级燃烧可以同时明显地降低燃料NOX和热力NOX 因而是一种有效的低NOX燃烧技术 已被得到广泛采用 不分级和分级燃烧时的火焰温度 a 不分级 b 分级燃烧 c 实际运行 1 不分级2 分级 63 空气分级燃烧 64 空气分级燃烧 燃烧室中的分级燃烧 OFA示意图 65 空气分级燃烧 单个燃烧器的分级燃烧内分级混合的方式外分级混合的方式 单个燃烧器的分级燃烧 特点 燃烧器分级燃烧时 在火焰根部形成富燃区 抑制了燃料NOX的生成 二次风延迟与燃料混合 燃烧速度降低 使火焰温度降低 故也抑制了热力NOX的生成 66 燃料分级燃烧 燃烧中已经生成的NO 在遇到CH4和未完全燃烧产物CO H2 C时 会发生NO的还原反应 6NO 2CH4 3N2 2CO 4H2O2NO 2CO N2 2CO22NO H2 N2 2H2O2NO 2C N2 2CO 实质 NOX被还原 67 燃料分级燃烧 燃烧分三个区域 第一燃烧区 主燃区 氧化性或稍还原性气氛 1 第二燃烧区 再燃区 将二次燃料送入还原性气氛 1 第三燃烧区 燃烬区 送入二次风 1 再燃烧法原理图 68 燃料分级燃烧 主燃区 80 85 燃料送入 生成较多数量的NOx 再燃区 其余15 20 的燃料在主燃烧器的上部送入 富余燃料形成强还原性气氛 不仅使得一级燃烧区所生成NOx得到还原 还抑制了新的NOx生成 燃烬区 保证未燃烧产物燃尽 从而完成燃烧全过程 69 烟气再循环 将部分低温烟气直接送入炉内 或与空气 一次风或二次风 混合送入炉内 因烟气吸热和稀释了氧浓度 使燃烧速度和炉内温度降低 因而热力NOX减少 核心 利用烟气所具有的低氧以及温度较低的特点 将部分烟气再循环喷入炉膛合适位置 降低局部温度及形成局部还原性气氛 从而抑制NOX的生成 70 烟气再循环 烟气再循环法特别适用于燃用含N量少的燃料 对于燃气锅炉 NOX降低最显著 可减少20 70 燃用重油时 NOX减少10 50 NOX的降低与烟气再循环率的关系 液态排渣煤粉炉为10 25 固态排渣煤粉炉则在15 以下燃用着火困难的煤时 由于炉温降低受到燃烧稳定性的限制 故不宜采用 71 烟气再循环 再循环烟气量一般以烟气再循环率r来表示 它是再循环烟气量与无再循环时的烟气量的比值 即 当r增加时 NOX减少 当r太大 炉温降低较多 燃烧不稳定 化学与机械不完全燃烧热损失增加 因此 再循环率r一般不超过30 一般大型锅炉限制在10 20 这时NOX降低25 35 再循环烟气引入示意图 72 低NOx燃烧器 1 PM燃烧器PM燃烧器是基于过剩空气系数对NOX的变化关系 利用煤粉的浓淡偏差使部分燃烧在空气不足下进行 即燃料过浓燃烧 另一部分燃烧在空气过剩下进行 即燃料过淡燃烧 过浓燃烧或过淡燃烧时 都不等于1 前者 1 故又称非化学当量比燃烧或偏差燃烧 过浓燃烧 因氧气不足 燃烧温度不高 所以燃料NOX和热力NOX都不高 过淡燃烧 因空气量很大 燃烧温度降低 使热力NOX降低 73 低NOx燃烧器 浓淡偏差燃烧在总风量不变时 调整上下喷口的燃料与空气的比例 并保证浓淡两部分燃烧气体充分混合并燃尽 方法较简单 NOX显著减少 74 低NOx燃烧器 2 日立公司新型旋流低NOX燃烧器特点 分级送风 将一 二 三次风混合推迟 加装稳焰环 提高火焰稳定性 可明显减少飞灰中可燃物 75 低NOx燃烧器 3 美国ABT公司低NOX旋流燃烧器 OPTI FLOW燃烧器 76 低NOx燃烧器 OPTI FLOW燃烧器用于四角切圆锅炉A 二次风流量分配器 控制该二次风以确保火焰的稳定和低NOX燃烧 B 二次风的遮护板 防止外部空气直接进入炉膛和低NOX喷嘴旁路 C 可调节喷嘴角度并防止煤粉回吹 77 低NOx燃烧器 4 DRB燃烧器 美国巴威公司 DRB型双调风低NOX燃烧器 78 低NOx燃烧器 美国B W公司开发的DRB型双调风燃烧器是一种低NOX燃烧器 主要特点是二次风分为内外两个部分 内层二次风作引燃煤粉用外层二次风用来补充已燃烧煤粉所需的空气 使之完全燃烧 79 低NOx燃烧器 B W公司调风旋流燃烧器 80 低NOx燃烧器 5 阿尔斯通公司的四角切园低氧化氮燃烧系统采用下列三种关键技术同心切园燃烧系统分离式OFA 组合上二次风和 或分离上二次风 特别设计的煤粉火嘴 同心燃烧系统偏离二次风 同心切园燃烧系统的水平断面图 一次风 燃料和二次风 81 低NOx燃烧器 四角切园燃烧系统 TangentialFiringSystem 一次风 燃料和二次风PrimaryAir Fuel SecondaryAir 四角切园燃烧炉膛的水平断面图PlanViewofTangentiallyFiredFurnace 82 低NOx燃烧器 煤粉火嘴利用钝体产生的扰动强化扰动混合和使着火点提前起伏突变的表面形状能控制风煤的混合和着火点 83 低NOx燃烧器 低氮氧化物燃烧系统LowNOXFiringSystem带导向翼的组合式上二次风带钝体煤粉火嘴同心燃烧系统 84 低NOx燃烧器 HT NR型低NOX旋流式燃烧器 挥发分燃烧区 还原区 NOx分解区 碳燃尽区 85 低NOx燃烧器 86 低NOx燃烧器 与普通的双调风燃烧器相比 同一未燃尽物条件下 可减少40 的NOX 浓燃料区域 0 4 中间加入空气的区域 0 7 加入三次风的燃尽区 1 2 87 低NOX技术控制效果比较 88 烟气脱硝技术 脱硝技术的难点处理烟气体积大NOx浓度相当低NOx的总量相对较大 89 烟气脱硝技术 干法烟气脱硝技术选择性催化还原法 SCR 选择性非催化还原法 SNCR 吸附法湿法烟气脱硝技术吸收法