03-_NOx机理与控制.ppt

1、燃烧过程中污染物的治理 改变燃料性质、改进燃烧方式、调整燃烧条件、适当加入添加剂 脱除率低于烟气净化，但成本低 煤粉低NOx燃烧技术 循环流化床燃烧技术 水煤浆燃烧技术,煤的先进燃烧技术,3 低NOx燃烧技术,内容,氮氧化物的生成机理 抑制与破坏机理 低NOx燃烧技术,3.1 氮氧化物的生成机理,NOX是对N2O、NO2、NO、N2O5以及PAN等氮氧化物的统称。 PAN:过氧乙酰硝酸酯 在煤的燃烧过程中，主要的三种：NO、NO2、N2O 煤粉炉中，主要是NO和NO2。其中NO占NOx总量的90%以上。NO2只是高温烟气在急速冷却过程中由部分NO转化生成的。 N2O引起关注的原因：在低温燃烧的

2、流化床锅炉中排放量较高（讲流化床时再详细介绍）；是一种温室气体。,进一步认识NOX,大气中的NOx主要来自天然过程，如生物源、闪电均可产生NOx。自然界的氮循环每年向大气释放NO约4.30108t，约占总排放量的90%，人类活动排放的NO仅占10%。 NO2是由NO氧化生成的，每年约产生5.3107t。 NOx的人为源主要是燃料的燃烧或化工生产过程，其中以工业窑炉、氮肥生产和汽车排放的NOx量最多。 城市大气中三分之二的NOx来自汽车尾气等的排放。一般条件下，大气中的氮和氧不能直接化合为氮的氧化物，只有在温度高于1200时，氮才能与氧结合生成NO,氧化亚氮(N2O)： 氧化亚氮是无色气体，主要

3、来自天然源，由土壤中的硝酸盐经细菌脱氮作用产生：NO3- + 2H2 + H+ 1/2 N2O + 5/2 H2ON2O的人为源主要是燃料燃烧和含氮化肥的施用。N2O的化学活性差，在低层大气中被认为是非污染性气体，但它能吸收地面辐射，是主要的温室气体之一。N2O难溶于水，寿命又长，可传输到平流层，发生光解作用：N2O +h N2 +ON2O +O N2 +O2N2O +O 2NO最后一个反应是平流层中NO的天然源，而NO对臭氧层有破坏作用。,氧化亚氮(N2O),15-35 km 范围内有厚有约20 km的臭氧层,燃煤锅炉中氮氧化物产生机理一般分为三种： 热力型快速型燃料型,(a)热力型 燃烧时

4、，空气中氮在高温下氧化产生，其中的生成过程是一个不分支连锁反应。其生成机理可用捷里多维奇(Zeldovich)反应式表示。,随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加 当T1500时,T每增加100,反应速率增大6-7倍。, 温度 是决定性的！,热力型氮氧化物生成机理(Zeldovich反应式),在高温下总生成式为:,热力型NOx的生成浓度与温度的关系,可能采取的措施： 降低火焰温度 控制氧浓度 缩短煤在高温区的停留时间,(b)瞬时反应型(快速型) 来源也是空气中的氮 快速型NOx是1971年Fenimore通过实验发现的。在碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会快速生成NOx。

5、由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN（氰化氢）和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成，其形成时间只需要60ms，与温度的关系不大 机理复杂,快速型NOx的费尼莫反应机理,(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CHi等离子团，它们会破坏燃烧空气中N2分子的键而反应生成HCN，CN等 (2)HCN和CN，与在火焰中所产生的大量O，OH等原子团反应生成NCO (3)NCO被进一步氧化成NO (4)此外，研究还发现，在火焰中HCN浓度达到最高点转入下降阶段时，存在着大量的氨化物(NHi)，这些氨化物会和氧原子等快速反应而被氧化成NO,

6、快速型NOx产生于燃烧时CHi类原子团较多、氧气浓度相对较低的富燃料燃烧情况，多发生在内燃机的燃烧过程对煤燃烧设备，快速型NOx要少得多，一般在总NOx生成量的5以下 快速型NOx对温度的依赖性很弱一般情况下，对不含氮的碳氢燃料在较低温度燃烧时，才重点考虑快速型NOx因为当燃烧温度超过1500时，热力型NOx将起主导作用,(c) 燃料型NOx 由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600800时就会生成燃料型，它在煤粉燃烧NOx产物中占6080。 在生成燃料型NOx过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N，CN，HCN和NHi等中间产物基团，然后再氧

7、化成NOx 。 由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型的形成也由气相氮的氧化（挥发份）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）两部分组成。,(1)燃料中氮分解为挥发分N和焦炭N,煤粒,N,挥发分,挥发分N,焦炭,焦炭N,NO,N2,N2,燃料N,燃料型NOX的生成机理,热解温度对燃料N转化为挥发分N 比例的影响,在常规燃煤设备的燃烧温度12001350的条件下，燃料N的7090会转化成挥发分N,煤粉细粒对燃料N转化为挥发分N比例的影响,越细，煤粉在炉中的加热速率越高，转化的比例越大,挥发分N中最主要的氮化合物是HCN和NH3,(2)挥发分N中HCN被氧化的主要反应途径,燃料N,挥发分

8、N,HCN,NCO,NO,N2,N,NH,NH2,NH3,O,O,OH,H,挥发分N中NH3被氧化的主要反应途径为,燃料N,NO,挥发分N,NH3,NH2,NH,N2,O,H,OH,O,H,OH,O2,H,OH,NH2,NH,N,NO,在通常的煤燃烧温度下，燃料型NOx主要来自挥发分N 煤粉燃烧时由挥发分生成的NOx占燃料型NO的60%-80%，由焦炭N所生成的NOx占到20%40 %,燃料型NOx的转化率CR,定义燃烧过程中最终生成的NO浓度和燃料中氮全部转化成NO时的浓度比为燃料型NOx的转化率CR CR【最终生成的NO浓度】 【燃料全部转化成NO的浓度】 试验研究表明，影响CR的主要因素

9、是煤种特性以及炉内的燃烧条件。,煤种的影响 含氮量燃料比挥发分含量,控制燃用无烟煤的锅炉NOX排放比烟煤的更难,过量空气系数对NOx转化率的影响,NOx转化率与燃烧温度和过量空气系数的关系,煤的燃烧方式对排放的影响,不同燃煤锅炉NOX的原始排放量,美国燃煤电站锅炉NOx排放量,为了满足环保要求，不同炉型的NOx排放控制要求的简单线算方法,3.2 抑制与破坏机理,三种NOx在煤燃烧过程中的情况很不相同 快速型NOx所占比例不到5；在温度小于1350时，几乎没有热力型NOx，只有当燃烧温度超过1600，如液态排渣煤粉炉中，热力型NOx才可能占到2530 对常规煤燃烧设备，NOx主要是通过燃料型的生

10、成途径而产生的 因此，控制和减少煤燃烧产生的NOx，主要是控制燃料型NOx的生成,从燃料型NOx的生成和破坏机理可知，为了减少燃料型NOx，不仅要尽可能地抑制NOx的生成，而且对已生成的NOx，则要创造条件尽可能地促使NOx的破坏和还原,抑制与破坏,抑制NOx生成和促使破坏NOx的途径,在常规燃煤设备的燃烧温度12001350的条件下，燃料N的7090会转化成挥发分N 在1的贫燃料燃烧时，5761的燃料型NOx是来自挥发分N 而在1的富燃料燃烧时，由挥发分N生成的NOx会大大地减少。 因此，利用挥发分N转化为NO时对当地空气/燃料比十分敏感这一特点，在煤燃烧过程一定阶段和一定区域，设法建立1的

11、富燃料区，使燃料氮在其中尽可能多的转化成挥发分N，从而在还原性气氛下促使燃料氮转变成为分子氮（N2）,抑制,采用“抑制”思想的相关技术 空气分级燃烧 低过量空气系数法 烟气再循环,破坏,采用“破坏”思想的相关技术 燃料分级燃烧 ( NO再燃烧 ),对于已生成的NOx则可根据NOx的破坏和还原机理，利用某种燃料作为还原剂，喷入炉膛的某一合适部位以还原燃烧产物中的NOx,3.3 低NOX燃烧技术,低过量空气系数 空气分级燃烧 低NOX燃烧器 燃料分级燃烧 烟气再循环,通过改变燃烧条件来控制燃烧关键参数，以抑制生成或破坏已生成的达到减少排放的技术称为低燃烧技术,一、低过量空气燃烧 一般来说，此法可以

12、降低NOx排放1520 但如果氧含量（浓度）3%时，会使CO浓度剧增 飞灰含碳量的增加 使热效率降低 低氧浓度会使炉膛内的某些地区成为还原性气氛，从而降低灰熔点引起炉壁结渣与腐蚀,煤粉燃烧时一次风比例和烟气中飞灰含碳量与NOx含量的关系,二、空气分级燃烧 最为普遍的技术 将燃料的燃烧过程分阶段完成。 第一阶段减少供气量到70%-75%(=0.8)； 第二阶段将完全燃烧所需的其余空气通过布置在主燃烧器上方的专门空气喷口OFA（Over Fire Air）”火上风”喷入炉膛。 为了保证既能减少排放，又能保证锅炉燃烧的经济、可靠性，必须正确组织空气分级燃烧过程。, 垂直方向的空气分级,两个阶段: 富

13、燃料燃烧富氧燃尽,切圆燃烧方式下的布置,旋流燃烧器墙式布置时,W.A. Parish Unit 6 - Retrofit Burnerand OFA Port Arrangement,(16) Coal-only DRB-4Z burners (40) Coal-gas DRB-4Z burners (12) OFA ports 690 MW boiler unit,基本原理,在富燃料燃烧阶段，由于氧气浓度较低，燃料的燃烧速度和温度都比正常过氧燃烧要低，从而抑制了热力型NOx的生成 同时由于不能完全燃烧，部分中间产物(如HCN和NH3会将部分已生成的NOx还原成N2，从而使燃料型NOx的排放也

14、有所减少 然后在富氧燃烧阶段，燃料燃尽，但由于此区域的温度已经降低，新生成的NOx量十分有限，因此总体上NOx的排放量明显减少,一级燃烧区内过量空气系数、燃料中氮含量与NOx生成量的关系,关键参数之一：富燃料区过量空气系数,太低 不完全燃烧、燃烧不稳定； 太高 则NOx的生成量也会上升 一般取0.8左右,关键参数之二：OFA喷口的高低,排放率 燃尽 炉膛出口烟温,降低效果,旋流燃烧器时,切向燃烧,副作用 不完全燃烧 炉膛出口烟温容易升高 近壁区的还原性气氛结渣高温腐蚀,水平方向的空气分级 结合各种“风包火”技术十分必要,水平方向的空气分级,直流燃烧器同轴燃烧技术 其特点是将燃烧器的二次风向外偏

15、转一个角度，形成一个与一次风同轴，但直径较大的切圆。由于二次风向外偏转后，在煤粉气流喷口出口处推迟了二次风与一次风的初期混合，一次风切圆形成缺氧燃烧，从而达到了空气分级的效果。,一举三得稳燃防结渣腐蚀低NOX,同向: 加剧炉内整体旋转的动量，引起炉膛残余旋转加大，温度偏差增大； 反向:切圆则可促进煤粉与空气的混合。 在实际应用中，经常在炉内的不同高度分别布置反向和正向切圆，既可以使混合程度加强，也可以互相产生抵消降低炉内整体的旋转。,如石洞口二厂利港600MW超临界锅炉,利港燃烧器布置,主风箱设有6层强化着火（E I）煤粉喷嘴 在煤粉喷嘴四周布置有燃料风（周界风） 在每相邻2层煤粉喷嘴之间布置

16、有1层辅助风喷嘴包括上下2只偏置的CFS喷嘴 在主风箱上部设有2层CCOFA（紧凑燃尽风）喷嘴 在主风箱下部设有1层UFA（火下风）喷嘴 主燃烧器与炉膛出口之间布置有SOFA风箱,低NOx同轴燃烧系统(LNCFS)技术,低NOx同轴燃烧系统(LNCFS)技术,LNCFS的主要组件 a. 紧凑燃尽风（CCOFA） b. 可水平摆动的分离燃尽风（SOFA） c. 预置水平偏角的辅助风喷嘴（CFS） d.强化着火（EI）煤粉喷嘴,一次风切圆与偏转二次风,假想切圆直径： 1548（45）mm 1744（36）mm 辅助风正偏转22时 10131（45）mm 10290（36）mm,CFS 喷嘴,SOF

17、A燃烧器布置图,已生成的NO在遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2和CnHm时，会发生NO的还原反应而生成N2 利用这一原理，将80%-85%燃料送入一级燃烧区，在1条件下燃烧生成NOx，送入一级区的燃料称为一级燃料；其余15%-20%则在主燃烧器上部送入二级燃烧区，在1条件下形成还原性气氛，使NOx还原。二级燃烧区又称再燃区。 降低率50%,三、燃料分级燃烧,主燃区：过量空气系数1NOx大量生成 再燃区：过量空气系数1还原剂：二次燃料 燃尽区：燃尽,影响因素 二次燃料的种类： 最有利于NOX还原的是烃根Chi 天然气是最有效的二次燃料 超细煤粉的研究 再燃燃料的比例20% 再燃区过量空气

18、系数有一个最佳值0.7-1之间 再燃区内温度温度越高降低率越大 再燃喷口的位置高低 使再燃区内烟气和燃料停留0.7-1.5s之间 火上风要有足够的穿透性和扰动,存在的问题 燃尽率可能比空气分级更低,四、烟气再循环法,将一部分燃烧后的烟气再返回燃烧区循环使用的方法。 由于这部分烟气的温度较低(140180)、含氧量也较低(8左右)，因此可以同时降低炉内的燃烧区温度和氧气浓度，从而有效地抑制了热力型NOx的生成。 循环烟气可以直接喷入炉内，或用来输送二次燃料，或与空气混合后掺混到燃烧空气中，工业实际中最后一种方法效果最好，应用也最多 当烟气再循环率为15%20%时，煤粉炉的NOx排放可降低25%左

19、右 可以配合其它低污染技术一起使用,对热力型NOx更有效,循环烟量的增加，入口处速度增大，会使燃烧趋于不稳定，发生脱火现象; 增加了未完全燃烧的热损失 需要添加配套设备如风机、风道等，使系统变得复杂并增加了投资 对于旧机组改造时往往受到场地的限制。,存在的问题,五、低NOx燃烧器,PM型三菱重工 WR型ABB-CE 水平浓淡燃烧器 DRB双调风旋流燃烧器BW HT-NR3 日巴 CF/SF FW,直流,旋流,空气分级燃烧的思想用于单只燃烧器 煤粉的浓淡分离,共性,1、PM燃烧器 日本三菱重工（MIE）首先研制出来的,火上风,它由靠近燃烧器一次风管的一个弯头及两个喷口组成。煤粉气流流过分离器时进

20、行简单的惯性分离，富粉流进入上喷口，贫粉流进入下喷口，实行浓淡分离。此外，燃烧器还包括再循环烟气及燃尽风喷口。 PM燃烧器实际上是集烟气再循环、分级燃烧和浓淡燃烧于一体的低NOX燃烧系统 再循环烟气推迟二次风与一次风的混合 推迟富粉流与贫粉流的混合,浓的一侧：还原性气氛燃料型NOx生成的少 淡的一侧：空气量多，温度低热力型NOx生成的少 可以达到比一般的空气分级燃烧器更低的排放值 降低率30%左右,具有V形扩流锥的WR燃烧器 (ABB-CE公司),1）上部煤粉浓度高，利于着火，还可降低NOx生成 2)扩流锥形成回流区：回流高温烟气 3）可以降低不投油稳燃负荷 4）若采用水平方向浓淡分离，效果更

21、佳,2、WR燃烧器,主要目的是稳定燃烧,3、水平浓淡燃烧器,二次风：内二次风内环：轴向叶片 外二次风外环：切向叶片 内二次风的风量可调轴向拉动调节风门，间隙 内外二次风均可以调节旋流强度,4、DRB型双调风旋流燃烧器,视频,空气分级燃烧的思想低NOx 1、有效降低温度型NOx 富燃料区温度低 2、有效限制燃料型NOx 在富燃料区的还原性气氛下，抑制挥发分N向NOx转化,美国巴布科克.威尔科克斯（BW）DRB型双调风燃烧器,一次风量1520%；内二次风量3545%；外5565% 一次风周围还有一股冷空气或烟气 距喷口1.2米处的温度由1600降到1400度，NOx降低39% 外二次风可把还原性气氛与水冷壁分开，避免结渣或腐蚀,Development of B&Ws Lo