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1、燃烧学原理燃烧学原理NO3.NOX生成原理及低NOx燃烧技术美丽的地球美丽的地球 - 人类和动物、植物的家园人类和动物、植物的家园从太空俯瞰美丽的地球从太空俯瞰美丽的地球Surrounding of Western Kentucky University, Bowling Green, KY, USA. Fall of 2002洛杉矶光化学烟雾事件 1943年夏季，洛杉矶市250万辆汽车燃烧的1100吨汽油所产生的氮氧化物氮氧化物等气体，在太阳紫外线紫外线照射下引起化学反应.形成了浅蓝色烟雾，使该市大多市民患了眼红、头疼。1955年和1970年洛杉矶又两度发生该类事件，分别有400多人死亡和全
2、市四分之三四分之三的人患病。 大气污染著名案例大气污染著名案例 伦敦烟雾事件 l自1952年以来，伦敦发生过12次大的烟雾事件。1952年12月那一次，伦敦大雾，燃煤排放的粉粉尘尘和和二二氧氧化化硫硫无法散去。迫使所有飞机停飞，汽车白天开灯行驶，行人走路困难。烟雾事件使呼呼吸吸道道疾疾病病患者猛增，5天内有4000多人死亡，两个月内又有8000多人死去。 大气污染著名案例大气污染著名案例 煤烟型烟雾事件与光化学型烟雾事件的煤烟型烟雾事件与光化学型烟雾事件的特点比较特点比较特点 煤烟型烟雾 事件光化学型烟雾 事件污染物煤炭的燃烧产物、生产废气汽车尾气气象条件气温低、气压高、风速很低、湿度大、有雾
3、、有逆温产生气温高、天气晴朗、紫外线强烈，逆温产生地点特征河谷盆地易发生多发生在南北纬60以下的地区； 大城市多发症状特征呼吸道刺激症状眼睛及呼吸道刺激症状 氮氧化物是氮的氧化物的总称。种类很多，包括NO、NO2、N2O、NO3、 N2O3、 N2O4、N2O5等。其中N2O5是固体。 大气中除NO、NO2较稳定外，其他氮氧化物都不太稳定，故通常所指的氮氧化物，主要是NO和NO2的混合物，即NOx。 1. 氮氧化物及其性质氮氧化物及其性质1. 氮氧化物及其性质氮氧化物及其性质nNONOx x的性质的性质难溶于水难溶于水NO：大气中NO2的前体物质，形成光化学烟雾的活跃组分。NO2: 强烈刺激性
4、，来源于NO的氧化，酸沉降。 N2O：单个分子的温室效应为CO2的200倍，并参与臭氧层的破坏。1. 氮氧化物及其性质氮氧化物及其性质n 大气中50%的NOx由人为污染源产生；主要是化石燃料的燃烧过程。n 燃料燃烧生成的NOx 中，90以上是NO，NO2 只有5-10。n 但N2O的影响日益显现n NOx的生成根据N成分的来源（空气中N2、燃料中N成分）及其生成途经的不同，其生成机理、抑制机理也不同。 热力型热力型NOx （Thermal NOx，Zeldovovich NOx）：起）：起源于空气中的源于空气中的N2，在高温下氧化生成的，在高温下氧化生成的NOx。通常是在。通常是在1800 K
5、以上的高温区产生。以上的高温区产生。 快速型快速型NOx （Prompt NOx）：在碳氢化合物燃料的过）：在碳氢化合物燃料的过浓预混燃烧火焰中，有虽然是源于空气中的浓预混燃烧火焰中，有虽然是源于空气中的N2，但又是以，但又是以不同于燃料型不同于燃料型NOx的生成机理，而快速生成的的生成机理，而快速生成的NOx。 燃料型燃料型NOx （Fuel NOx）：由燃料中的氮形成的）：由燃料中的氮形成的NOx。3.1 NOx 的生成类型的生成类型三种三种NOx 在煤燃烧中对在煤燃烧中对NOx的总贡献的总贡献 热力型热力型NOx的生成机理可用的生成机理可用Zeldovich机理来描述：机理来描述：3.3
6、 热力型热力型NOx （Thermal NOx)Zeldovich NOx的生成特点是生成反应比燃烧反应慢，因的生成特点是生成反应比燃烧反应慢，因此，主要在火焰带下游生成此，主要在火焰带下游生成NOx。Zeldovich NOx反应的温度，主要在反应的温度，主要在1800 K以上区域。以上区域。第一个反应式是控制反应；高温下反应非常快。第一个反应式是控制反应；高温下反应非常快。O源于高温下源于高温下O2的分解。的分解。 快速型快速型NOx是经是经HCN（氰化氢）、（氰化氢）、NH（铵铵 ）、）、N等中间等中间产物形成的，而产物形成的，而HCN、NH、N等中间产物又是由碳氢化合等中间产物又是由碳
7、氢化合物分解过程中形成的活性炭化氢（物分解过程中形成的活性炭化氢（CH、CH2等）与等）与N2反应反应生成的：生成的：3.4 快速型快速型NOx （Prompt NOx)HCN和和NH经一系列的反应变成经一系列的反应变成CN（氰）、（氰）、N，再被氧化，再被氧化为为NO。N也可通过高温下的也可通过高温下的Zeldovich反应生成反应生成NO。快速型快速型NOx的生成量与同样起源于空气中的生成量与同样起源于空气中N2的的Zeldovich NOx不同，对温度的依赖性不同，对温度的依赖性低低。 燃料氮在燃烧中被分解后释放，形成含氮的中间产物燃料氮在燃烧中被分解后释放，形成含氮的中间产物HCN、N
8、Hi等（用等（用I表示），通过图示的竞争反应，亦称表示），通过图示的竞争反应，亦称Fenimore途径，一部分转化为途径，一部分转化为NO，一部分转化为，一部分转化为N2。R表示含氧原子的化学组分。表示含氧原子的化学组分。3.5 燃料型燃料型NOx （Fuel NOx)燃料型燃料型NOx的生成特性，不仅受反应区附近局部空气比和温度的影响，的生成特性，不仅受反应区附近局部空气比和温度的影响，同时还明显受到燃料的氧化过程、自由基同时还明显受到燃料的氧化过程、自由基(O、OH、H)浓度、等局部燃烧浓度、等局部燃烧条件的影响。条件的影响。也就是说，与化学反应的影响相比，实际燃烧炉中燃料型也就是说，与化
9、学反应的影响相比，实际燃烧炉中燃料型NOx的生成，的生成，更主要地是被燃料和空气的混合过程所控制更主要地是被燃料和空气的混合过程所控制 。因此，为了抑制燃料型因此，为了抑制燃料型NOx的生成，设计竞争反应中的还原反应，显著的生成，设计竞争反应中的还原反应，显著优先于氧化反应进行的气氛是非常重要的。优先于氧化反应进行的气氛是非常重要的。即在考虑了和氧化区域相平衡，而且不损失总的燃烧效率的前提下，把即在考虑了和氧化区域相平衡，而且不损失总的燃烧效率的前提下，把燃料过浓还原性区域燃料过浓还原性区域(低低RO浓度浓度)，设在燃烧炉内或者烧嘴附近的适当位，设在燃烧炉内或者烧嘴附近的适当位置，这是两段燃烧
10、、低置，这是两段燃烧、低NOx喷嘴、或称为喷嘴、或称为“低低NOx燃烧燃烧”技术，共同依技术，共同依据的基本原理。据的基本原理。 低低NOx燃烧技术的原理燃烧技术的原理燃料燃烧中NOx生成机理、抑制NOx生成、促使破坏NOx的途径空气中的氮空气中的氮燃料中氮的转换燃料中氮的转换NO再燃烧再燃烧氧化气氛空气N2NOx杂环氮化物烃生成物 CH，CH2烃生成物中结合的氮氰 (HCN, CN)氰氧化物(OCN, HNCO)氨类(NH3, NH2，NH，N)N2ONOxHN2还原气氛Zeldovich机理 NO 的生成及破坏与以下因素有关的生成及破坏与以下因素有关： v 煤种特性：煤的含氮量，挥发份含量
11、，空气比等。煤种特性：煤的含氮量，挥发份含量，空气比等。v 炉膛燃烧温度或燃烧区域的温度峰值。炉膛燃烧温度或燃烧区域的温度峰值。v 反应区烟气的气氛，即烟气内氧气，氮气，反应区烟气的气氛，即烟气内氧气，氮气，NO和和CHi的含量。的含量。v 燃料及燃烧产物在火焰高温区和炉膛内的停留时间。燃料及燃烧产物在火焰高温区和炉膛内的停留时间。1 . 减少燃料周围的氧浓度。包括：减少总的空气过剩系数；减少燃料周围的氧浓度。包括：减少总的空气过剩系数；减少一次风量；减少挥发分燃尽前燃料与二次风的掺混；减少一次风量；减少挥发分燃尽前燃料与二次风的掺混；2 . 在氧浓度较少的情况下，维持足够的停留时间，使生成在
12、氧浓度较少的情况下，维持足够的停留时间，使生成的的NOx经过均相或多相反应被还原分解。经过均相或多相反应被还原分解。3 . 在过剩空气的条件下，降低温度峰值，以减少热力型在过剩空气的条件下，降低温度峰值，以减少热力型NOx的生成。如采用烟气再循环等。的生成。如采用烟气再循环等。4 . 加入还原剂，使还原剂生成加入还原剂，使还原剂生成CO、NH3、HCN，它们再，它们再将将NOx还原分解。还原分解。低低NOx燃烧技术实现的重要途径燃烧技术实现的重要途径1. 低低NOx燃烧技术：低过量空气燃烧法，空气分级燃烧技术：低过量空气燃烧法，空气分级燃烧法（燃烧法（OFA），燃料分级燃烧法，烟气再循环），燃
13、料分级燃烧法，烟气再循环法。法。2. 炉膛喷射脱硝：喷氨及尿素，喷水蒸汽，喷入二炉膛喷射脱硝：喷氨及尿素，喷水蒸汽，喷入二次燃料。次燃料。 3. 烟气脱硝：烟气脱硝：l干法脱硝。干法脱硝。(SCR, SNCR, 电子束照射烟气脱硝电子束照射烟气脱硝)l湿法脱硝。湿法脱硝。降低NOx排放的主要技术措施 低低NOxNOx燃烧技术燃烧技术 空气分级燃烧技术空气分级燃烧技术 燃料分级燃烧技术燃料分级燃烧技术 煤粉浓淡燃烧技术煤粉浓淡燃烧技术 烟气再循环技术烟气再循环技术 低低NOxNOx燃烧器燃烧器 烟气脱硝技烟气脱硝技术 选择性非催化脱硝法（选择性非催化脱硝法（SNCRSNCR）向炉膛中向炉膛中喷射
14、氨、尿素等氨基射氨、尿素等氨基还原原剂，因，因为NHNH3 3等只与烟气中的等只与烟气中的NOxNOx发生生发应 选择性催化剂法（选择性催化剂法（SCRSCR）4 NH3 + 4NO + O24 NH3 + 4NO + O2 4N2 + 6H2O 4N2 + 6H2O 采用催化采用催化剂促促进NHNH3 3与与NOxNOx的反的反应，就称，就称为选择性催化性催化剂法。反法。反应温温度度为300300400400左右；而采用活性焦炭做催化左右；而采用活性焦炭做催化剂时，反，反应温度温度应选为100100150150。一般能。一般能够达到达到80809090的脱硝率，能的脱硝率，能够满足足较为严格
15、的排放格的排放标准，目前正得到广泛地的准，目前正得到广泛地的应用。用。 NOx的主要控制技术的主要控制技术1. 低低NOx 燃烧技术燃烧技术1.1 空气分级燃烧空气分级燃烧1.2 燃料分级燃烧燃料分级燃烧1.3 烟气再循环烟气再循环1.4 低过剩空气燃烧低过剩空气燃烧1.5 浓淡偏差燃烧浓淡偏差燃烧1.6 低低NOx 燃烧器燃烧器1.7 低低NOx 燃烧技术比较燃烧技术比较低低NONO燃烧技术的定义燃烧技术的定义 凡凡通通过过改改变变燃燃烧烧条条件件来来控控制制燃燃烧烧过过程程关关键键参参数数，以以抑抑制制NOx生生成成或或破破坏坏已已生生成成的的NOx使使之之还还原原为为N2达达到到减减少少
16、排排放放的的技术称为低技术称为低NOx燃烧技术燃烧技术。 将燃料燃烧所需的空气量分两级送入；将燃料燃烧所需的空气量分两级送入； 第一级燃烧区内过剩空气系数第一级燃烧区内过剩空气系数0.7- 0.8，燃料先在缺氧，燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和燃烧温度降低，的富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和燃烧温度降低，从而抑制了热力型从而抑制了热力型NOx的生成；的生成； 同时，燃烧生成的同时，燃烧生成的CO与与NO进行还原反应，以及燃料进行还原反应，以及燃料N分解成中间产物（分解成中间产物（NH、CN、HCN和和NH3等）相互作用等）相互作用与与NO还原分解，抑制了燃料型还原分解，抑制了燃料
17、型NOx的生成：的生成： 在第二级燃烧区内，将完全燃烧所需的其余空气通过布在第二级燃烧区内，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置在主燃烧器上方的专门空气喷口OFA（Over Fire Air）“火上风火上风”喷入炉膛。喷入炉膛。 空气分级燃烧可使空气分级燃烧可使NOx生成量降低生成量降低3040。1.1 空气分级燃烧空气分级燃烧煤粉炉燃烧器前墙布置时“火上风”(OFA)喷口在炉膛上布置的示意图“火上风火上风”喷口喷口一次风煤粉一次风煤粉和二次风和二次风空气分级燃烧空气分级燃烧空气分级燃烧空气分级燃烧 空气分级的低空气分级的低NOx旋流燃烧器旋流燃烧器一次火焰区：富燃，
18、含氮组分析出但难以转化一次火焰区：富燃，含氮组分析出但难以转化二次火焰区：燃尽二次火焰区：燃尽CO、HC等等 空气分级燃烧技术空气分级燃烧技术 (air staging):(air staging): 燃料的燃烧过程分段进行，燃烧用风分为一、二次风，减少煤粉燃烧区域的空气量，提高燃烧区域的煤粉浓度。 推迟一、二次风混合时间，煤粉进入炉膛时形成富燃料区，并在富燃料区进行缺氧燃烧，以降低燃料型NOx的生成。缺氧燃烧产生的烟气再与补入的二次风混合，使燃料完全燃烧。 “燃尽风”喷口的位置决定了煤粉气流在主燃烧区内的停留时间，它和过量空气系数一起，共同决定了主燃烧区内NOx降低的程度，也直接关系到其在燃
19、尽区的燃尽效果和炉膛出口烟气温度水平。沿炉膛高度空气分级燃烧 燃料分级燃烧也称燃料分级燃烧也称燃料再燃技术燃料再燃技术。 已生成的已生成的NO在遇到烃根和未完全燃烧产物和时，会发生在遇到烃根和未完全燃烧产物和时，会发生NO的还原反应。总反应式为：的还原反应。总反应式为：利用这一原理，将利用这一原理，将80%-85%燃料送入一级燃烧区，在燃料送入一级燃烧区，在1条件下燃烧生成条件下燃烧生成NOx；其余其余15%-20%15%-20%的燃料则在主燃的燃料则在主燃烧器上部送入二级燃烧区，在烧器上部送入二级燃烧区，在1条件下形成很强的还原条件下形成很强的还原性气氛，使性气氛，使NOx还原。二级燃烧区又
20、称再燃区。还原。二级燃烧区又称再燃区。再燃区上面还布置再燃区上面还布置“火上风（火上风（OFAOFA）”形成第三级燃烧区形成第三级燃烧区（燃尽区），使再燃区生成的未完全燃烧产物燃尽。（燃尽区），使再燃区生成的未完全燃烧产物燃尽。1.2 燃料分级燃烧燃料分级燃烧Reburn Zone 1Reburning FuelPrimary coal +AirSecondary airBurnout airBurnout Zone1Flue gasFigure 1 Schematic diagram of reburning 再再燃燃低低NONOX X燃燃烧烧技技术术又又称称为为燃燃料料分分级级或或炉炉内内
21、还还原原（IFNRIFNR）技技术术，它它是是近近二二十十年年发发展展起起来来的的一一种种很很有有前前途途的的低低NONOX X技技术术，其其原原理示意图见图。理示意图见图。nn再再燃燃低低NONOX X燃燃烧烧技技术术可可以以大大幅幅度度降降低低NONOX X排排放放，一一般般情情况况下下可可以使以使NONOX X排放浓度降低排放浓度降低50%50%以上以上nn再再燃燃技技术术可可以以保保证证燃燃料料燃燃烧烧初初期期的的良良好好燃燃烧烧条条件件，可可以以解解决决其其他他低低NONOX X燃燃烧烧技技术术在在燃燃用用低低挥挥发发分煤种效果较差的问题。分煤种效果较差的问题。再燃低NOX燃烧技术
22、燃料分级燃烧技术燃料分级燃烧技术 (fuel staging): (fuel staging): 根据NOx的分解机理，已生成的NOx在遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时，会发生NO的还原反应从而降低NOx排放水平。第一级燃烧区：将85%左右的燃料送入进行富氧燃烧，生成大量的NOx；第二级燃烧区：送入15%的燃料，进行缺氧燃烧，将第一区生成的NOx进行还原，从而降低NOx的排放。燃料分级燃烧时所使用的再燃燃料可以与主燃料相同，但由于煤粉气流在再燃区内的停留时间相对较短，再燃料宜于选用容易着火和燃烧的烃类气体或液体燃料，如天然气。沿炉膛高度燃料分级燃烧 它它是是在在锅锅炉炉
23、的的空空气气预预热热器器之之前前抽抽取取一一部部分分烟烟气气直直接接送送入入炉炉内内，或或者者是是与与一一次次风风或或二二次次风风混混合合后送入炉内。后送入炉内。 其其结结果果是是不不仅仅降降低低了了燃燃烧烧温温度度，而而且且也也降降低低了了氧气浓度，因此可以降低氧气浓度，因此可以降低NOxNOx的排放浓度。的排放浓度。 对对于于燃燃烧烧无无烟烟煤煤等等难难燃燃煤煤种种以以及及煤煤质质不不是是很很稳稳定的电站锅炉，则不宜采用烟气再循环技术。定的电站锅炉，则不宜采用烟气再循环技术。1.3 烟气再循环烟气再循环烟气再循环烟气再循环烟气再循环烟气再循环 低低过过量量空空气气燃燃烧烧也也称称低低氧氧燃
24、燃烧烧，即即：使使燃燃烧烧过过程在尽可能接近理论空气量的条件下进行。程在尽可能接近理论空气量的条件下进行。 但但如如果果氧氧含含量量（浓浓度度）3%1），即燃料过淡燃烧；），即燃料过淡燃烧； 部分燃烧前供应较少的空气（呈富燃料区，部分燃烧前供应较少的空气（呈富燃料区， 1 ），即），即燃料过浓燃烧；燃料过浓燃烧； 由于在化学当量比时由于在化学当量比时NOx产生量最大，因此偏离化学当量产生量最大，因此偏离化学当量比燃烧即可降低比燃烧即可降低NOx。 此法又称为非化学当量比燃烧或偏差燃烧。此法又称为非化学当量比燃烧或偏差燃烧。1.5 浓淡偏差燃烧浓淡偏差燃烧CE公司直流式煤粉燃烧器煤粉直流燃烧器煤
25、粉直流燃烧器WRWR（宽调节比）型直流燃（宽调节比）型直流燃烧器：烧器： 在WR型燃烧器中，煤粉空气混合物流经入口弯头时，由于离心力的作用大部分煤粉紧贴着弯头的外沿进入煤粉喷管，设置在WR型燃烧器煤粉喷管中间的水平肋板将浓淡两股煤粉流分开，并保持到喷嘴处，再流经摆动式煤粉喷嘴出口处的三角形扩锥，可使其出口端的火焰稳定在回流区中，改善了低负荷下的稳燃性能，再加上喷嘴出口的周界风受到扩锥的导向作用，可推迟周界风和煤粉空气混合物的混和，更有利于煤粉着火。 WR型直流燃烧器 浓淡偏差燃烧浓淡偏差燃烧 从从NOx的生成机理看，占的生成机理看，占NOx绝大多数的燃料型绝大多数的燃料型NOx是在是在煤粉的着
26、火阶段完成的。煤粉的着火阶段完成的。 因此应用抑制因此应用抑制NOx生成的原理，通过特殊设计的燃烧器结生成的原理，通过特殊设计的燃烧器结构，通过改变燃烧器的风煤比例等，就可以达到降低构，通过改变燃烧器的风煤比例等，就可以达到降低NOx的目的。具有这种功能的燃烧器就是的目的。具有这种功能的燃烧器就是低低NOx燃烧器燃烧器。 低低NOx燃烧器能在煤粉的着火阶段有效抑制燃烧器能在煤粉的着火阶段有效抑制NOx的生成，的生成，达到环保标准，因此世界上主要锅炉生产商都致力于低达到环保标准，因此世界上主要锅炉生产商都致力于低NOx燃烧器的研究和开发。已经发展了多种低燃烧器的研究和开发。已经发展了多种低NOx燃烧器。燃烧器。1.6 Low-NOx Burner德国斯坦谬勒（德国斯坦谬勒（Steinmuller）公司）公司SM型低型低NOx燃烧器燃烧器美国巴威公司低NOx燃烧器巴布科克-日立公司HT-NR型低NOx燃烧器Babcock-Wilcoks公司XCL型低NOx燃烧器德国巴威公司DS型低NOx燃烧器1.7 低低NOx燃烧技术比较燃烧技术比较低低NOx燃烧技术比较燃烧技术比较低低NOx燃烧技术比较燃烧技术比较
