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1、京能集团运行人员培训教程 BEIH Plant Course 低氮燃烧技术原理 low NOX combustion technology MAJ TD NO 100 2 目 录 1 1 低氮燃烧技术低氮燃烧技术 1 1 1 NOX 产生机理和抑制方法 1 1 2 影响 NOX 生成量的因素 6 2 2 低氮燃烧技术低氮燃烧技术 13 2 1 基本原理 13 3 3 空气分级低空气分级低 NOXNOX 燃烧技术原理及其技术特征分析燃烧技术原理及其技术特征分析 14 3 1空气分级燃烧的基本原理 15 3 2空气分级燃烧的主要形式 15 3 3轴向空气分级燃烧的影响因素 16 3 4径向空气分级
2、燃烧的影响因素 16 3 5燃尽风的种类 16 3 6燃尽风布置方式的选择 22 3 7空气分级燃烧技术的应用前景 23 4 4 燃料分级燃烧燃料分级燃烧 24 4 1燃料再燃的原理 24 4 2再燃燃料的选择 25 4 3再燃燃料的选取 25 4 4影响再燃效果的主要因素 27 4 5燃料再燃技术的发展前景 27 5 5 烟气再循环低烟气再循环低 NOXNOX 燃烧技术原理及其技术特征分析燃烧技术原理及其技术特征分析 27 5 1烟气再循环机理 28 5 2烟气再循环率的选择 28 5 3利用烟气再循环实现 HTAC 29 6 6 低低 NOXNOX 燃烧器技术原理及型式燃烧器技术原理及型式
3、 29 6 1低 NOX 燃烧器的原理 29 6 2直流煤粉燃烧器 30 6 3旋流煤粉燃烧器 32 6 4双调风燃烧器 33 7 7 低低 NOXNOX 燃烧器的发展前景燃烧器的发展前景 39 8 8 题题库库 41 1 1 低氮燃烧技术低氮燃烧技术 1 1 NOX 产生机理和抑制方法 锅炉燃烧过程中成成的氮氧化物 主要是 NO 和 NO2 严重地污染了环境 因此 抑制 NOX 的生成已成为大容量锅炉的燃烧器设计及运行时必须考虑的主要问题之一 锅炉燃烧 过程中产生的 NOX 一般可分为三大类 即热力型 NOX Thermaol NOX 燃料型 NOX Feul NOX 和快速型 NOX Pr
4、ompt NOX 上述 3 种氮氧化物的组成随燃料含氮量不同有差别 对于燃煤 通常燃料型 NOX 占 70 85 热力型 NOX 占 15 25 其余为少量的快 速型 NOX 图 1 1 不同类型 NOX 生成量与炉膛温度的关系 1 1 1 热力型 热力型 NOX 是高温下空气中氮气氧化而成 其生成机理是由原苏联科学家捷里道维奇 提出来的 温度对热力型 NOX 的影响十分非常明显 热力型 NOX 又称为温度型 NOX 当 燃烧温度低于 1800K 时 热力 NOX 生成极少 当温度高于 1800K 时 反应逐渐明显 且随 温度的升高 NOX 生成量急剧升高 控制热力型 NOX 的关键在于降低燃
5、烧温度水平 避免 局部高温 1 产生机理 1 化学反应及反应物 生成物活化能的影响 按泽尔多维奇机理 NO 生成可用如下一组不分支连锁反应来说明 O2 O O N2 O NO N N O2 NO O 上述反应是一个连锁反应 决定 NO 生成速度的是原子 N 的生成速度 反应式 N O2 NO O 相比于式 N2 O NO N 是相当迅速的 因而影响 NO 生成速度的关键反应 链是反应式 N2 O NO N 反应式 N2 O NO N 是一个吸热反应 反应的活化能由反应 式反应和氧分子离解反应的活化能组成 其和为 542X103J mol 分子氮比较稳定 只有较 大的活化能才能把它氧化成 NO
6、在反应中氧原子的作用是活化链接的环节 它源于 O2在 高温条件下的分解 热力型 NOX 的生成量伴随氧气浓度和温度的增大而加大 正因为氧原 子和氮分子反应的活化能很大 而原子氧和燃料中可燃成份反应的活化能又很小 在燃烧 火焰中生成的原子氧很容易和燃料中可燃成份反应 在火焰中不会生成大量的 NO NO 的 生成反应基本上在燃料燃烧完了之后才进行 热力型 NOX 的生成速度要比相应的碳等可燃 成份燃烧速度慢 主要生成区域是在火焰的下游位置 2 反应时间的影响 在锅炉燃烧水平下 NO 生成反应还没有达到化学平衡 因而 NO 的生成量将随烟气在 高温区内的停留时间增长而增大 另外 氧气的浓度直接影响
7、NO 的生成量 氧浓度水平 越高 NO 的生成量就会越多 当温度高于 1500 时 NO 生成反应变得十分明显 随着温 度的升高 反应速度按阿累尼乌斯定律按指数规律迅速增加 通过实验得到 温度在 1500 以上附近变化时 温度每升高 100 上述反应的速度将增大 6 7 倍 可见温度具有 决定性影响 因此也就把这种在高温下空气中的氮氧化物称之为温度型 NOX 2 热力型 NOX 的抑制 热力型 NOX 的产生源于空气中的氮气在 1500 以上的高温反应环境下氧化 所以 控 制热力型 NOX 的主要从一下几方面入手 1 降低燃烧反应是的温度 避开其反应所需要的高温环境 2 使氧气浓度处于较低的水
8、平 3 减少空气中的氮气浓度 4 缩短热力型 NOX 生成区的停留时间 一般来说 工业燃烧过程中以空气为氧化剂时控制 N2的浓度不容易实现 而富氧燃烧 或纯氧燃烧技术就是以减少 N2从而减少热力型 NOX 的一种方法 降低燃烧温度在工程实 践中是通过向火焰面喷射水 水蒸气来实现的 降低氧浓度可以通过烟气循环来实现 使一 部分烟气和新鲜空气混合 既可以降低氧浓度 同时可以降低火焰的温度 此外分级燃烧 和浓淡燃烧技术也可以控制热力型 NOX 1 1 2 快速型 快速型 NOX 主要是指燃料中的碳氢化合物在燃料浓度较高区域燃烧时所产生的烃与燃 烧空气中的 N2 分子发生反应形成的 CN HCN 继续
9、氧化而生成氮氧化物 因此 快速型氮 氧化物主要产生于碳氢化合物含量较高 氧浓度较低的富燃料区 快速温度型 NOX 是空气 中的氮分子在着火初始阶段 与燃料燃烧的中间产物烃 CHi 等发生撞击 生成中间产物 HCN 和 CN 等 在经氧化最后生成 NOX 其转化率取决于过程中空气过剩条件和温度水平 1 产生机理 快速温度型 NOX 的产生是由于氧原子浓度远超过氧分子离解的平衡浓度的缘故 测定 发现氧原子的浓度比平衡时的浓度高出十倍 并且发现在火焰内部 由于反应快 O OH H 的浓度偏离其平衡浓度 其反应如下 H O2 OH O O H2 OH H OH H2 H2O H 可见 快速温度型 NO
10、X 的生成可以用扩大的泽尔多维奇机理解释 但不遵守氧分子离 析反应处于平衡状态这一假定 经实验发现 随着燃烧温度上升 首先出现 HCN 在火焰面内到达最高点 在火焰面 背后降低下来 在 HCN 浓度降低的同时 NO 生成量急剧上升 还发现在 HCN 浓度经最高 点转入下降阶段时 有大量的 NHi 存在 这些胺化合物进一步氧化生成 NO 其中 HCN 是 重要的中间产物 90 的快速温度型 NOX 是经 HCN 而产生的 快速温度型 NOX 的生成量 受温度的影响不大 而与压力的 0 5 次方成正比 在煤粉炉中 其生成量很小 一般在 5 以下 正常情况下 对不含氮元素的碳氢燃料的较低温度的燃烧反
11、应中 才着重考虑快速 型 NOX 2 快速型 NOX 的抑制原理 快速型 NOX 的特征是温度依赖性低 生成速度快 根据快速型 NOX 的生成机理考虑 它是由 N2 分子和 CHI 自由基反应生成的 HCN HCN 又被数个基元反应氧化而成的 所 以快速型 NOX 的控制主要从两个方面来入手考虑 抑制 N2 分子和 CHI 自由基的反应以及 HCN 的多个基元反应 1 1 3 燃料型 燃料型 NOX 是燃料中氮化合物在燃烧过程中热分解且氧化而生成的 是燃煤电厂锅 炉产生氮氧化物的主要途径 其生成量主要与氧浓度 化学当量比 有关 燃料型 NOX 包 括挥发分中均相生成的 NOX 和由残焦中异相生
12、成的 NOX 两部分 挥发分中的氮主要以 HCN 和 NHi的形式析出 随后氧化生成 NOX 焦炭中氮可以通过异相反应氧化生成 NOX 其中由挥发分燃料氮转化而成的燃料型 NOX 简称挥发分燃料型 NOX 约占 60 80 由焦炭燃料氮转化而成的 NOX 简称焦炭燃料型 NOX 约占 20 40 燃料中氮的化合物中氮是以原子状态与各种碳氢化合物结合的 与空气中氮相比 其 结合键能量较小 因而这些有机化合物中的原子氮较容易分解出来 氮原子的生成量大大 增加 液体与固体燃料燃烧时 由于氮的有机化合物放出大量的氮原子 因此无论是挥发 燃烧中还是焦炭燃烧阶段都生成大量的 NO 就煤而言 燃料氮向 NO
13、X 转化过程大致有三 个阶段 首先是有机氮化合物随挥发分析出一部分 其次是挥发分中氮化合物燃烧 最后是 炭骸中有机氮燃烧 1 产生机理 燃料燃烧时 燃料氮几乎全部迅速分解生成中间产物 I 如果有含氧化合物 R 存在时 则这些中间产物 I 指 N CN HCN 和 NHi 等化合物 与 R 指 O O2 和 OH 等 反应生成 NO 同时 I 还可以与 NO 发生反应生成 N2 燃料 N I I R NO I NO N2 燃煤中的氮分为挥发性氮和焦炭氮 其中挥发性氮被释放后含有一定量的 NH3 并按 下式进行反应 NH3 02 NO 焦炭 N O2 NO 燃煤中的氮生成 NOX 主要取决于煤中的
14、含氮量 显然煤中的含氮量越高 生成的 NOX 越多 当锅炉内生成 NOX 时 还存在一系列氧化还原反应 燃料氮的转化率主要受温度 过量空气系数 富裕氧浓度 和燃料含氮量的影响 一般 在 10 45 范围内 随着氮的转化率 主要受温度影响 升高 燃料氮转化率不断提高 但这主要发生在 700 800 温度区间内 因为燃料 NO 既可通过均相反应又可通过多相反应生成 燃烧温 度很低时 绝大部分氮留在焦炭内 而温度很高时 70 90 的氮以挥发分形式析出 浙 江大学研究表明 850 时 70 的 NO 来自焦炭燃烧 1150 时 这一比例降至 50 由 于多相反应的限速机理 在高温时可能向扩散控制方向
15、转变 故温度超过 900 以后 燃 料氮转化率只有少量升高 其主要的生成阶段是燃烧起始时候 在煤粉炉占 NOX 生成总量的约 60 一 80 左右 目前对燃料型 NOX 的研究仍在继续深入 燃煤中氮元素的含量一般约为 0 5 2 5 以 N 原子状态与煤中的碳氢化合物相紧密结合 以链状或环状形式存在 主要是以 N C 和 N H 键的形式存在 N C 和 N H 键要比分子氮的 N N 键能小的多 更容易被氧化断裂生成 NOX 从这个反应的机理可以看出燃料型 NOX 要比热力型 NOX 更容易产生 由于这种氮氧 化物是燃料中的氮化合物经过热分解和氧化产生的 故称之为燃料型 NOX 而焦炭氮煤在
16、通常的燃烧温度下以产生燃料型和热力型 NOX 为主 对不含氮的碳型燃 料 只在较低温度燃烧时 才需要重点考虑快速型 NOX 而当温度超过 1000 时 则主要 生成热力型 NOX 可见 降低燃烧温度可有效减少 NO 的生成 但当温度降低到 900 以 下时 燃料 N 向 N2 O 的转化率将提高 因此 仅通过降低燃烧温度来控制 NOX 的排放是 不够的 需要兼顾各方面因素 2 燃料 NOX 的抑制 经理论和试验研究结果表明 煤粉中氮转化成 NOX 的量主要取决于炉内过量空气系数 的高低 当煤粉在缺氧状态下燃烧时 挥发出来的 N 和 C H 竞争环境中不足的氧气 但 是由于氮竞争能力相对较弱 这就减少了 NOX 的形成 氮虽竞争氧能力较差 但是却可以 之间相互作用而生成无害的氮气分子 由以上结论可以看出 在富燃料条件下降低炉内的 过量空气系数能在很大程度上抑制燃料型 NOX 的生成 同时 燃料中的含氮量也是影响燃料型 NOX 生成的一个重要因素 研究发现 含氮量 越高的燃料生成 NOX 的转化率越低 但是由于基数相对较大 实际燃烧过程中高含氮量燃 料最终所产生的燃料型 NOX 要远大于含
