低氮氧化物燃烧技术资料

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1、第三章 煤粉炉低NOX燃烧技术 3-1 概述 3-2 煤燃烧过程NOX生成机理和降低NOX排 放的理论依据 3-3 燃煤电厂锅炉降低NOX排放的燃烧技术 3-4 NOX排放控制技术改造存在的问题 4-9 烟气脱氮技术 3-1 概述 一、氮氧化物排放现状及控制 与SOX排放不同，燃煤锅炉NOX排放水平与煤种、锅 炉和燃烧器形式、炉内温度水平、炉内烟气气氛等因素 有关。 不同燃煤锅炉的NOX排放水平见下表 火电厂大气污染物排放标准GB132232003 表3 火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度单位： mg/m3 时段第1时段第2时段第3时段 实施时间 2005年1月1日2005年1月

2、1日2004年1月1日 燃煤锅炉 Vdaf10%150013001100 10%Vdaf20% 1100650 650 Vdaf20%450 燃油锅炉650400200 燃气轮机组 燃油 150 燃气 80 第3时段火力发电锅炉须预留烟气脱除氮氧化物装置空间。液态排渣煤粉炉执 行Vdaf10的氮氧化物排放浓度限值。 二、氮氧化物排放控制技术 常规燃煤粉电站锅炉控制NOX排放的技术措施大致 可分为两大类： l低氮氧化物排放燃烧技术。包括低过量空气燃烧、 空气分级燃烧、燃料分级燃烧以及烟气再循环技术等 。 l尾部烟气脱氮氧化物技术。包括选择性催化还原法 （SCR, Selective Cataly

3、tic Reduction)、非选择性催化 还原法(NSCR)、选择性无催化还原法(SNCR)、电子 束辐射烟气脱硝等。 本章介绍低氮氧化物排放燃烧技术，另外，也对烟 气脱硝技术作简单介绍。 3-2 NOX生成机理和降低NOX排放理论依据 一、煤燃烧过程NOX生成机理 (一) 热力型NOX(Thermal- NOX) (二) 燃料型 NOX (Fuel- NOX) 、燃料型NOx的生成机理 、燃料型NOx的转化率 、影响燃料型NO转化率的煤质因素 4、 影响燃料型 NOx转化率的运行因素 ( 三 ) 快速型 NOX (Prompt- NOX) 二、抑制NOx 生成的理论依据 (1) 抑制热力型

4、 NO 的基本策略 (2) 抑制燃料型NOx的基本策略 (3)利用二次燃料的燃烧还原NO 一、煤燃烧过程NOX生成机理 煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要包括NO、NO2和N2O三种， 前两种合成NOX。一般煤粉炉燃烧过程中N2O的生成量很小，可以 忽略，但流化床燃烧过程中N2O的生成量很高，不能忽略。在煤粉 炉产生的NOX中，主要是是NO，而 NO2所占份额很少。 在煤的燃烧过程中，同时存在着NOX生成的氧化反应和被破坏 的还原反应，低氮氧化物燃烧技术就是在燃烧过程中抑制前者的 进行而为后者创造有利条件。这需要知道NOX的生成机理。 NOX的生成包括三种不同的类型，即热力型、燃料型和快速型 ，后

5、面分别介绍。 返回 （一）热力型NOX(Thermal- NOX) 在高温环境下，由燃烧用空气中的氮氧化而生成的 NOX，称为热力型NOX。N2在空气中的高温氧化反应 为一组不分支的链式反应（M为不参加反应的第三种 物质原子）： 在热力型NOX的生成其中，第二步反应的活化能较 高，控制了总的反应速度。 热力型 NOX形成的主要控制因素是温度，温度对热力型NOX的生成速率 的影响呈指数函数关系。实际上 , 在 1350 以下时，热力型NOX的生成 量是很少的，但随着温度的升高 ,其生成量迅速增加，当温度达到1600 时, 其生成量可占炉内由 NOX总量的25%30%。 影响热力型NOx生成的另一

6、个主要因素是反应环境中的O2浓度，NOX的 生成速率与O2浓度的平方根成正比。 返回 ( 二) 燃料型 NOX (Fuel- NOX) l一般认为，燃料型NOX是燃料中含有的氮化合物在燃烧中发生 热分解，并进一步被氧化而生成的。它在煤燃烧NOx产物中占60 80，是NOX主要的来源。 l由于在煤的燃烧过程中不仅有NOX生成的氧化过程，也有分解 NO的还原过程，因此最终烟气中NOX量的多少取决于两者共同作用 的结果。 l影响燃烧产生NOX量的因素非常复杂，主要与煤种的特性、煤 中氮化合物的存在形态、燃料中氮热解时在挥发分和焦炭中分配 的比例和各自的成分、燃烧气氛中的氧浓度、燃烧温度等有关。 返回

7、 、燃料型NOx的生成机理 l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NHi、HCN和CN等含N的中间产物基团，然 后在氧气存在条件下再氧化成NO 。同时在还原性气氛 中NHi、HCN也会与已经生成的NO 进行还原反应。 l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NOx的形成也由气相氮化合物（挥发 份氮）的氧化与还原以及焦炭中剩余稳定氮化合物（焦 炭氮）的氧化和还原两部分组成。 燃料中氮分解为挥发分N和焦炭N的示意图 煤粒 N 挥发分 挥发分N 焦 炭 焦炭N NO N2 N2 （）由挥发分N转化为氮化合物的主要反应途径 在煤燃烧初始阶段的挥发产物析

8、出过程中 , 大部分的挥发 分氮( 气相氮化合物 ) 随煤中其他挥发产物一起释放出来 , 首先形成中间产物，NHi (i=1,2,3)、CH 以及HCN（氰氰）, 其中主要是NH3和 HCN 。 在氧气存在的条件下 , 含氮的中间产物会进一步氧化而生 成 NO； 在还原性气氛中 , 则HCN会生成多种胺(NHi) 。胺在氧化 气氛中既会进一步氧化成NO, 又能与已经生成的NO进行 还原反应。 焦炭燃烧时,在焦炭表面生成 NO 的反应和 NO 被还原的 反应均属于异相反应, 其反应机理非常复杂且尚不完全清 楚。一般认为存在以下反应过程。 （）由焦炭N转化为氮化合物的主要反应途径 l在煤粉燃烧的一

9、般环境下，挥发分氮生成的燃料型 NO占总量的60-70%，而焦炭氮生成的NO占总量的30- 40% 返回 、燃料型NOx的转化率 l由于燃烧过程存在着NO的还原反应，因此并不是燃料中所有的氮 最终会全部转化为NO。 l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最终生成的NO浓度燃料N全部转化成NO的浓度 l试验研究表明，影响CR的主要因素是煤种特性以及炉内的燃烧条 件。 返回 (1) 燃料中氮的含量 燃料中氮的含量增高时 , 燃 料型 NO的转化率呈降低的趋势 。但并不等于燃料氮越高 , 烟气 中生成的 NO 浓度也越低 , 通常 情况下 ,

10、燃料氮含量越高 , 所生 成的燃料型 NO 量也较高。 、影响燃料型NO转化率的煤质因素 (2) 固定碳与挥发分的含量之比 在一定的过量空气系数下 , 煤中固定碳与挥发分的含量比例越 高， NO的转化率越低。 （只有在1的情况下成立） (3) 煤的挥发分 挥发分对NO转化率的影响与过量空气系数的大小有关。在 1的氧化气氛中 , 煤的挥发分越多 , 燃料型 NO的转化率越高。 在1还原性气氛中, 高挥发分煤种的燃料型NO的转化率反而 降低。对高挥发分煤，在煤迅速着火后 , 使局部的氧量更进一步的降 低 , 从而抑制了燃料氮向 NO 的转化 , 因此 , 煤中的挥发分含量越高 , 其生成的 NO的

11、浓度越低。并且挥发分氮裂解产生的HCN 和NH3均较 多，还原 NO能力较强。 在1还原性气氛中，对低挥发分煤 , 其 HCN 和NH3均较少 , 已经生成的 NO即使在还原气氛中也不容易被还原 , 这也是控制燃烧 无烟煤锅炉的NO排放要比烟 煤难的一个重要原因。 返回 4、影响燃料型 NOx转化率的运行因素 (1) 过量空气系数 过量空气系数越高 , 烟气中氧含量越高 , 燃料型 NO 的 生成浓度和转化率也越高。 有研究表明，燃料型NO的生成速率与燃烧区氧气浓度 的平方成正比。因此 , 控制燃料型 NO的转化率和生成量 的主要技术措施是降低过量空气系数 , 在 NO 的生成区域 采用富燃料

12、燃烧方式是十分有效且比较方便的减排 NO的 技术措施。 但过量空气系数太低会影响锅炉的燃烧效率。 (2) 温度的影响 一般认为：燃料型NO主要生成在挥发分的析出和燃烧阶段，因此， 燃料中的气态含氮化合物在达到热解温度时开始分解 , 并最终生成 N0x。 此时，炉内N0x浓度达到最高； 当煤粉颗粒温度继续上升时，在焦炭表面上NO的还原反应使部分已 经生成的NO还原成N2，因而在一定温度范围内，燃料型NO的生成速率 与还原速率接近平衡，使 NO 的生成量变化不 大； 当煤粉颗粒温度再进一步升高时， NO的还原反应速率大于NO 的生 成速率，使燃料型NO的生成量有所降低。但温度升高时 , 热力型NO

13、x的 生成量也在急剧增加。 由于燃料型NOx的反应机理十分复杂 , 且可靠的实验数据还十分有限 ，目前还很难确切地说明温度对燃料型 NOx生成量的综合影响规律。 返回 ( 三 ) 快速型 NOX (Prompt- NOX) l快速型 NOX的生成机理目前尚有争议，一般认为是 通过碳氢化合物燃料产生 CH 原子团撞击 N2 分子 , 生 成 CN 类化合物 , 再进一步氧化成 NO 。这个反应进行 得很快 , 所以称之为快速型 NOX l以下反应式是控制快速型 NOX 生成速率的重要反应 ： CH+N2 HCN+N l快速型 NOX的生成对温度的依赖程度很弱。与热力 型 NOX 和燃料型 NOX

14、生成量相比 , 它的生成量要少得 多 , 在分析计算中一般可以不计人 , 仅在燃用不含氮的 碳氢燃料时才予以考虑。 返回 （1）抑制热力型 NO 的基本策略 热力型 NO 生成的影响因素比较明确：降低火焰峰值温度，降 低燃料在最高温度区域的停留时间，降低最高温度区域的局部 氧浓度，是抑制热力型 NO 生成的基本策略。 大型电站煤粉燃烧锅炉，炉膛内火焰中心的峰值温度接近或超 过 1600，热力型 NO占到 25%-30% 的份额，因此，降低火 焰的峰值温度和燃料在高温火焰区内的停留时间对抑制热力型 NO 的生成总是十分有效的。 另外，降低在高温火焰局部的氧浓度也是有利的。 二、抑制 NOx 生成

15、的理论依据 返回 （2）抑制燃料型NOx的基本策略 为了减少燃料型 NO的排放量 , 不仅要尽可能地抑制其生成, 还要创造 有利于NO还原的条件, 以促使已经生成的NO发生还原反应。 在煤粉燃烧的高温条件下 , 燃料氮中的 70%90% 会转化为挥发分氮, 而在1的件下, 如果可以保证一定的停留时间，由挥发分氮生成的 NO量会大大减少，而生成分子氮。对采用大型燃烧器的大容量煤粉锅 炉，是比较容易实现富燃料燃烧和较长停留时间的。在煤燃烧过程中 的一定阶段 , 创造富燃料区， 降低局部氧浓度，不仅对抑制挥发分氮 生成的NO，而且对降低热力型 NO也是有效的。 在1%2%) 与 CO 的 浓度 (

16、维持 CO02 % ), 以避免水冷壁管金属发生腐蚀。 返回 4-9 烟气脱氮技术 l各种低NOx燃烧技术能较经济地降低燃煤锅炉排放值， 但一般只降低排放50%左右。据环保法对排放的要求，应低 于40%方可，故应考虑燃烧后的烟气脱硝处理技术。 l烟气脱硝处理技术包括干法和湿法两大类，已经进行商 业应用的主要是干法烟气脱硝技术。 l干法烟气脱硝技术又分为选择性催化还原法（SCR） 、 非选择性催化还原法（NSCR） 、选择性无催化还原法（ SNCR） 、电子束照射法、活性炭法等。其中最主要的是选 择性催化还原法。 选择性催化还原法（SCR） l用氨作为还原剂, 在催化剂存在的条件下, 将烟气 中的N0还原成N2,脱氮率可达90%以上。 l根据所采用的催化剂不同, 其适宜的反应温度范围 也不同,一般为300-340。 l由于所采用的还原剂氨一般只与烟气中的NOX发生 反应, 而不与烟气中的氧发生反应, 所以 将这类有选 择性的