循环流化床锅炉氮氧化物的生成与脱除

1、收稿日期:2004-10-19卿山(1967 , 博士研究生; 650093云南省昆明市。循环流化床锅炉氮氧化物的生成与脱除卿山王华马林转(昆明理工大学材冶学院摘要随着经济的高速增长, 能源消耗急剧增加, 由此引发的环境污染日益严重。而循环流化床锅炉在燃烧的过程中可脱除S 、N 等有害气体, 其排放物可达到国家的排放标准。本文通过对云天化电厂循环流化床锅炉的生产实践研究, 探讨了循环流化床锅炉的炉温、分段燃烧、脱硫剂、气体在密相区停留时间、飞灰回燃等因素对CFB 锅炉脱氮的影响, 提出了有效控制NO X 生成的基本方法。关键词CFB 锅炉NO X 污染物生成机理Formation and co

2、ntrol of N O X in CFB boilerQing Shan Wang Hua Ma Linzhuan (Kunming University of Science and Technology Abstract With economic high growth , the energy is consumed and increased sharply , therefore the environmental pollution caused is serious day by day. And the circulating fluidized bed boiler ca

3、n get rid of harmful gas such as S , N , etc. during the process of burning , discharging things can reach the national discharge standard. This paper , through researching production practices of Yuntian power plant circulating fluidized bed , discusses the furnace tem perature of the circulating f

4、luidized bed boiler , burning by stage , desulphurization pharmaceutical staying time of gas in dense looks district , ect 1and these factors to the im pact on CFB boiler denitrification. Then it proposes the basic method of controlling formation of NO X effectively.K eyw ords circulating fluidized

5、bed boiler NO X pollution produce mechanism1概述随着经济的高速增长, 能源消耗急剧增加,由此引发的环境污染日益严重。煤炭在燃烧过程中生成大量的SO X 、NO X 等有害气体威胁全球的环境, 我国每年排入大气的SO X 约87%和NO X 约67%都来自煤炭的燃烧, 造成大面积的酸雨, 严重危害着人体健康和工农业的生产。循环流化床(CFB 锅炉由于其燃料适应性广、高效清洁燃烧, 近些年来得到了飞速的发展。CFB 锅炉采用低温、分段燃烧和烟气回燃等技术, 大大降低了NO X 的排放量。同时CFB 锅炉在燃烧过程中加入脱硫剂脱除大量的SO 2, 锅炉排放

6、烟气能达到国家一级排放标准, 实现了清洁燃烧, 并保证了CFB 锅炉的高燃烧效率。云天化电厂有4台75t/h 循环流化床锅炉。锅炉床温控制在810900左右, 床层压力控制在1000011000Pa 左右, 炉膛负压在-200-50Pa 。2CFB 锅炉燃烧过程中的脱氮NO X 是燃煤锅炉排放的主要污染物, 因此,必须控制其排放量。211NO X 的来源NO X 主要表示一氧化氮和二氧化氮。而NO6冶金能源EN ER GY FOR M ETALL U R GICAL INDUSTR Y Vol 124No 13May 12005则是煤燃烧时产生的主要NO X 。N 2O 对周围环境无直接不利的

7、影响, 却危害平流层的臭氧层。NO X 主要是通过下列途径产生的。(1 大气中的氮生成热力型又叫温度型NO X空气中的氮在燃烧的高温下氧化生成热力型的NO X , 但它仅在1540才很显著1。在CFB锅炉中产生的热力型NO X 极少, 这是因为CFB 锅炉床温太低, 反应很难进行。(2 快速型NO X 的生成快速型NO X 是指碳氢燃料在燃料过多时燃烧产生的氮的氧化物。碳氢系燃料在空气系数为017018时, 预混合燃烧生成快速型NO X 。其生成点是在火焰内部, 而不是在火焰的背后。按菲里莫认为1, 随床温的升高, 首先出现HCN , 在火焰面达到最高点。在HCN 浓度降低的同时, NO X

8、生成量剧烈上升。快速型NO X 生成量受床温的影响不大, 却与压力的015次方成正比。由于其量在总NO X 生成量的5%以下, 故不予考虑。(3 燃料型NO X 的生成机理燃料型NO X 是指燃料中含有的N 的化合物, 在燃烧过程中氧化而生成的氮氧化物2。焦炭和挥发分中的N 有77%被氧化生成NO X , 其余以N H 3形式存在。其中大部分NO X被还原为N 2, 最后只有6%的NO X 生成。在燃烧过程中, 燃料中的N 只有一部分能转变成燃料型NO X 。(4 氧化二氮(N 2O 的生成N 2O 和燃料型NO X 一样, 也是从燃料中的氮化合物转化生成的, 它的生成过程和燃料型NO X 相

9、同。焦炭表面附着的N 会在一定条件下通过多相反应生成N 2O 。在流化床燃烧条件下, 在有氧场合炭表面上的N 和NO 反应, 生成N 2O , 可能占到N 2O 总量的50%; 在其他场合, 由焦炭N 直接氧化生成N 2O 占20%。由焦炭N 转化为N 2O 占到70%。循环流化床锅炉, 由于固体床料分布于整个炉膛, 因而在整个炉膛内部存在N 2O 的生成反应。N 2O 的浓度随着炉膛高度的增加而很快增加。(5 影响N 2O 的生成因素温度影响煤燃烧时反应温度对N 2O 的生成起着决定性作用。在正常燃烧温度为850时流化床炉的N 2O 排放浓度可达250×10-6, 当温度达900后

10、, N 2O 浓度却下降。烟气中氧浓度影响烟气中氧浓度越高生成的N 2O 浓度随之升高。停留时间的影响在800850温度范围内停留时间越长, N 2O 浓度越高, 但随着温度升高, 停留时间对N 2O 影响越来越小。煤种的影响因为煤种不同, 其挥发分中H 含量与N 含量的比值不同, 对N 2O 生成浓度影响很大。212CFB 锅炉燃烧脱氮的方法CFB 锅炉的氮氧化物排放最主要的特征是其对燃料性质、床温和空气量的敏感性。在实际燃烧过程中, 还会受到设计和操作因素的影响。此外, 由于燃烧装置结构、容量的不同, 即使燃用同一煤种, 氮氧化物的排放量也不会相同。(1 降低燃烧温度低温燃烧抑制了热力型和

11、快速型NO X 的生成反应, 故在800950间, 热力型NO X 可不计。由燃料N 形成的NO X 也随炉温的降低而降低。所以, 在CFB 锅炉运行的温度范围内, 床温的变化对NO X 的生成量影响不大。(2 分段燃烧CFB 锅炉最简单最有效地减少NO X 生成量的方法是分段燃烧。这种方法对挥发分含量中等的煤尤为有效。其原因在于挥发分中包含了大量的N , 在燃烧室内很快析出, 此时由于欠氧会大大降低NO X 的生成量。若煤中碳含量多, 有机硫少, 则N 析出慢, 大量N 在二次风口上部析出, 这对降低NO X 的生成量不利。一般情况下, 二次风从床面上一定距离给入较好。一次风与理论燃烧空气量

12、的比率对NO X 生成量影响很大。以二次风口为界, 上部是富氧区, 下部是富燃料区。NO X 在富氧区析出与C 、CO 反应, 还原为N 1。当一次风与理论燃烧空气量的比率为014016时, NO X 的排放量低于100mg/m 3, 若不采用分段燃烧, 一次风全部由炉膛底部供入, 则NO X 的排放量可达400mg/m 3。(3 延长气体在密相区停留时间气体在富燃料区(密相区 的停留时间越长, NO X 被还原为氮的程度越高。N 2停留时间为1s , NO X 的排放量为100mg/m 3, 停留时间为115s , 则排放量为50mg/m 3。(4 采用细小多孔的高活性脱硫剂加石灰石等脱硫剂

13、的目的就是降低SO 2的排放, 然而它却对氮氧化物排放有显著的影响, 会造成NO 上升, 但N 2O 却保持不变。究其原因1, 可归结于未反应石灰石对NO X 生成的催化作用, 富余CaO 是燃料N 转化为NO 和N 2的强催化剂, 也是CO 、H 还原NO 的强催化剂。但细小多孔的高活性石灰石对NO 的刺激增长作用比低活性石灰石小, 因而宜采用细小多孔的高活性石灰石粉。(5 使用飞灰再循环可以降低NO X 的排放量在高负荷高床料含碳量下, 由于NO +C 1/2N 2+CO 2NO +C N 2+CO 2则NO 的排放量大大降低。CFB 锅炉采用飞灰再循环燃烧, 使床内含碳量很高, 所以能达

14、到很低的NO X 排放量3。3云天化电厂CFB 锅炉的脱氮量311CFB 锅炉NO 2的脱除云天化电厂CFB 锅炉采用三段燃烧, 一次风仅占50%, 直接利用返灰来调节床温, 并采用了飞灰再循环燃烧技术, 因此NO 2的排放量极少(见表1 。从表1看出, NO 2的排放量很低, 平均只有110mg/m 3, 远远低于国家一级排放标准。表1CFB 锅炉烟气含NO 2分析表mg/m 3时间97113112111113312云天化电厂CFB 锅炉的N 2O 的排放燃煤时, 从煤的挥发分中产生了HCN , 从而留下形成N 2O 的契机。N 2O 的还原程度随床温的升高而加大。在800900时, 焦炭中的氮形成N 2O 的速度正比于燃烧速度。当床温大于900以上, 则不明显。CFB 锅炉的N 2O 排放量在50200mg/m 3内。当负荷减小时, 排放量上升。同时, 在延CFB 锅炉床高向, N 2O 的浓度延床高的上升而增加。N 2O 在较低的燃烧温度下更容易形成。所以, 床温控制在800900的范围内有利于降低N 2O 的排放量。云天化电厂CFB 锅炉的N 2O 的排放量很少, 在锅炉考核检测中未检测出N 2O 含量。4结论(1 控制炉膛较低的燃烧温度可降低