低NOx燃烧技术.docx
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低NOx燃烧技术
燃煤锅炉得低ＮＯx燃烧技术
NＯｘ就是对Ｎ2O、NO2、ＮO、N2O5以及PAN等氮氧化物得统称。
在煤得燃烧过程中、NOx生成物主要就是NO与NO2、其中尤以NＯ就是最为重要。
实验表明、常规燃煤锅炉中NO生成量占NＯx总量得９0％以上、ＮO2只就是在高温烟气在急速冷却时由部分NO转化生成得。
N２O之所以引起关注、就是由于其在低温燃烧得流化床锅炉中有较高得排放量、同就是与地球变暖现象有关、对于N2O得生成与抑制得内容我们将结合流化床燃烧技术进行介绍。
因此在本章得讨论中、NＯx即可以理解为ＮO与NO2.
一、燃煤锅炉ＮOx得生成机理
根据NOｘ中氮得来源及生成途径、燃煤锅炉中ＮOｘ得生成机理可以分为三类：
即热力型、燃料型与快速型、在这三者中、又以燃料型为主。
它们各自得生成量与炉膛温度得关系如图3-１所示。
试验表明、燃煤过程生成得NOx中NＯ占总量得9０％、ＮO２只占5%~10％.
1、热力型NOx
热力型ＮOx就是参与燃烧得空气中得氮在高温下氧化产生得、其生成过程就是一个不分支得链式反应、又称为捷里多维奇（Zeｌdｏvｉch）机理
ﻩ（3－１）
（３-2）
ﻩ（3-3）
如考虑下列反应
ﻩ（3－4）
则称为扩大得捷里多维奇机理。
由于N≡N三键键能很高、因此空气中得氮非常稳定、在室温下、几乎没有NＯｘ生成。
但随着温度得升高、根据阿仑尼乌斯（Arrheniuｓ）定律、化学反应速率按指数规律迅速增加。
实验表明、当温度超过1200℃时、已经有少量得NＯx生成、在超过１５０0℃后、温度每增加1００℃、反应速率将增加6～７倍、ＮOx得生成量也有明显得增加、如图3-１所示.
但总体上来说、热力型NＯx得反应速度要比燃烧反应慢、而且温度对其生成起着决定性得影响。
对于煤得燃烧过程、通常热力型NOx不就是主要得、可以不予考虑。
一般来说通过降低火焰温度、控制氧浓度以及缩短煤在高温区得停留时间可以抑制热力型NOx得生成。
２、快速型NＯx
快速型NOx中得氮得来源也就是空气中得氮、但它就是遵循一条不同于捷里多维奇机理得途径而快速生成得。
其生成机理十分复杂、如图3－２所示。
通常认为快速型NOx就是由燃烧过程中得形成活跃得中间产物ＣHｉ与空气中得氮反应形成HＣN、ＮH与N等、再进一步氧化而形成得.在煤得燃烧过程中、煤炭挥发分中得碳氢化合物在高温条件下发生热分解、生成活性很强得碳化氢自由基（CH·、CH2·）、这些活化得CHｉ与空气中得氮反应生成中间产物HＣＮ、ＮH与N、随后又进一步被氧化成NO、实验表明这个过程只需6０ms、故称为快速型NOx、这一机理就是由费尼莫（Fenｉｍore）发现得、所以又称为费尼莫机理。
（３－5）
ﻩ（3-6）
由图3—1可以瞧出、在煤粉燃烧过程中快速型NＯｘ生成量很小、大致在（1０～100）×1０—6、且与温度关系不大。
但随着NＯx排放标准得日益严格、对于某些碳氢化合物气体燃料得燃烧、快速型NOx得生成也应该得到重视。
3、燃料型NOx
由燃料中得N生成得NOｘ称为燃料型NOx、由图3－1可知、燃料型NＯx就是煤粉燃烧过程中NOｘ得主要来源、占总量60％～8０％。
同时由于煤得热解温度低于其燃烧温度、因此在600～８0０℃时就会生成燃料型NOx、而且其生成量受温度不大.
煤得氮含量在0、４%～２、9％之间、且随其产地得不同有较大差异。
煤中绝大多数得氮都就是以有机氮得形式存在。
在燃烧过程中、一部分含氮得有机化合物挥发并受热裂解生成Ｎ、ＣＮ、HCN与NHｉ等中间产物、随后再氧化生成NＯx；另一部分焦炭中得剩余氮在焦炭燃烧过程中被氧化成ＮＯx、因此燃料型NOx又分为挥发分NＯx与焦炭NOx.该过程如图３—3所示.
实验表明、在通常得燃烧条件下、燃煤锅炉中大约只有２0%~25％得燃料氮转化为NOｘ、而且受燃烧过程空气量影响很大、常用过量空气系数（α）来表示燃烧过程空气量得多少、一般定义在化学当量比下得过量空气系数为1、大于1表示空气过量、小于１表示空气量不足。
如图3—4所示、当过量空气系数α＝0、7时、燃料型NOｘ得生成量接近于零、然后随过量空气系数得增加而增加。
同时进一步研究表明、焦炭氮向NOｘ得转化率很低、大多数燃料型NＯx属于挥发分NOx、以上知识对于研究与开发燃料型NOx得控制技术就是相当重要得。
煤燃烧得氮氧化物形成实际上就是一个非常复杂得过程、与煤种、燃烧方式及燃烧过程得控制密切相关。
对于各种不同得煤种得原始NOｘ排放情况、一般来说无烟煤燃烧时得NOx排放量最大、褐煤燃烧时为最小、这不但与煤种有关、更重要得就是与煤得燃烧方式有关、煤中得挥发分越低、燃烧时为了燃烧得要求、组织得燃烧温度越高、同时风量一般也最大、就形成了原始得ＮOｘ排放也越高。
图3-５所示得就是不同得燃煤锅炉炉型所产生得原始ＮOx排放量得状况、从图中可以瞧来、对于循环流化床锅炉具有最好得低NＯx排放性能、原始排放量最大得就是液态排渣煤粉炉、这也就是为什么目前液态炉用得不多得原因之一。
图3-6进一步给出了都就是煤粉炉不同燃烧方式得条件下得NOｘ排放量、从图中可以瞧出、从NOｘ原始排放量来瞧、最佳得就是固态排渣得切向燃烧锅炉、这类锅炉也就是煤粉炉中应用最广得一种炉型。
在图3-6中同时还给出了为了满足环保要求、不同炉型得NOx排放控制要求得简单线算方法、因此通过这张图就可以初步判断用什么方法可以达到排放得要求。
二、燃煤锅炉得低NOx燃烧技术
低NOx燃烧技术就就是根据NOx得生成机理、在煤得燃烧过程中通过改变燃烧条件、或合理组织燃烧方式等方法来抑制NＯx生成得燃烧技术。
正如前文所述、在燃煤过程中燃料型NOx、尤其就是挥发分ＮOx得生成量占得比例最大、因此低NＯx燃烧技术得基本出发点就就是抑制燃料型NOx得生成。
根据燃料型NOx得生成机理、可以将其生成过程归纳为如下竞争反应
燃料氮→I （R1）
（Ｒ2）
其中I代表含氮得中间产物（Ｎ、ＣN、HCN与ＮHｉ）、RO代表含氧原子得化学组分（ＯH、O、O2）。
反应R1就是指含氮得中间产物被氧化生成ＮＯｘ得过程、反应R2指生成得ＮＯx被含氮中间产物还原成N2得反应。
因此抑制燃料型NOｘ得生成、就就是如何设计出使还原反应R２显著得优先于氧化反应R１得条件与气氛。
除此之外、抑制热力型NOx得生成也能在一定程度上减小NOx得排放量、只就是效果很小。
一般来讲抑制热力型ＮOx得主要原则就是：
①降低过量空气系数与氧气得浓度、使煤粉在缺氧得条件下燃烧;
②降低燃烧温度并控制燃烧区得温度分布、防止出现局部高温区；
③缩短烟气在高温区得停留时间。
显然、以上原则多数与煤粉炉降低飞灰含碳量、提高燃尽率得原则相矛盾、因此在设计开发低ＮＯx燃烧技术时必须全面考虑.
目前常见得低NOｘ燃烧技术主要有:
低ＮOx燃烧器技术、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术（又称再燃技术）与烟气再循环技术.各项技术得利用方式也不同、在燃煤锅炉中得布置位置也不同、如图3－7所示.
1、烟气再循环技术
烟气再循环法就是指将一部分燃烧后得烟气再返回燃烧区循环使用得方法。
由于这部分烟气得温度较低（１40～180℃）、含氧量也较低（8%左右）、因此可以同时降低炉内得燃烧区温度与氧气浓度、从而有效地抑制了热力型NOx得生成。
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、如图３-8所示。
用于再循环得烟气量与不采用再循环时得总烟气量得比值称为再循环率、再循环率与NOx排放量得关系如图３—９.但就是、再循环率得提高就是有限度得、循环烟量得增加、入口处速度增大、会使燃烧趋于不稳定、发生脱火现象同时增加了未完全燃烧得热损失;一般再循环率控制在1５%~20％、此时ＮOx排放可以降低2５％左右。
另外该法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得限制。
由于热力型NOx在燃煤锅炉中生成比例较小、所以该方法对降低总NOx排放得效果也相对较小。
另外必须注意得就是、采用烟气再循环技术虽然降低了燃烧温度与氧气浓度、但也从而造成未燃炭得增加。
2、空气分级燃烧技术
空气分级燃烧技术就是目前最为普遍得低NＯx燃烧技术、它就是通过调整燃烧器及其附近得区域或就是整个炉膛区域内空气与燃料得混合状态、在保证总体过量空气系数不变得基础上、使燃料经历“富燃料燃烧”与“富氧燃尽”两个阶段、以实现总体NOx排放量大幅下降得燃烧控制技术.
空气分级燃烧之所以能从总体上减少NOｘ排放得基本原理就是：
在富燃料燃烧阶段、由于氧气浓度较低、燃料得燃烧速度与温度都比正常过氧燃烧要低、从而抑制了热力型ＮOx得生成、同就是由于不能完全燃烧、部分中间产物如ＨCN与NH３会将部分已生成得NOｘ还原成N2、从而使燃料型NOｘ得排放也有所减少。
然后在富氧燃烧阶段、燃料燃尽、但由于此区域得温度已经降低、新生成得ＮOx量十分有限、因此总体上ＮOx得排放量明显减少.
在空气分级燃烧技术中、合理得分配两级燃烧得过量空气系数就是影响NOx排放控制效果得关键因素。
经验表明：
富燃料区得过量空气系数如果太低、煤粉不易点燃而且燃烧不稳定；如果太高、则NOx得生成量也会上升、一般取０、8左右。
根据分级燃烧实现得区域与方式、可大致分为通过燃烧器设计实现空气分级、通过加装一次风稳燃体实现空气分级与通过炉膛布风实现空气分级三类。
①通过燃烧器设计实现空气分级。
对煤粉炉来讲、燃烧器就是燃烧系统中最为重要得设备、它得结构与布置直接决定了燃料与空气得混合情况、从而影响到燃料得着火及燃烧过程.不管就是何种燃烧器、空气得送入通常都已经分了一次风、二次风与三次风等、这为进一步得分级燃烧降低NOx得形成创造了良好得条件.因此可以通过燃烧器设计来实现空气分级燃烧、彩图2就是正在安装中得低氮氧化物燃烧器.在所利用不同方法实现降低ＮOx排放得燃烧器、即低NＯx燃烧器（LNB）中、空气分级方式就是最为常见得。
对于直流燃烧器与旋流燃烧器、其组织煤粉燃烧得方式不同、一般直流燃烧器采用四角切圆布置、通过整体火焰发生旋转来强化煤粉与空气得混合;而旋流则采用墙式燃烧、通常靠二次风得旋转来使气流强烈混合。
由此采用两类燃烧器产生生得混合与燃烧情况就是不相同得、所以采用得空气分级方式也不一样。
如图3－1０所示、同轴燃烧技术又有两种形式：
一种就是使同轴得两个切圆旋转方向同向;另一个则就是反向。
一般同向时会加剧炉内整体旋转得动量、引起炉膛出口烟气与空气得混合。
在实际应用中、经常在炉内得不同高度分别布置反向与正向切圆、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得旋转。
如图３—11为某燃烧烟煤得300MW锅炉同轴燃烧系统中一次风、二次风得布置、其各层得二次均采用反向得方式.
ｂ、直流燃烧器浓淡燃料燃烧技术。
燃料浓淡燃烧得基本原理就是在燃烧器喷口前、经过惯性分离等方法使一次煤粉气流分离成煤粉浓度不同得两股煤粉气流、一股煤粉气流实现富燃料燃烧、其火焰稳定、有利于着火过程、同时由于其相对含氧量低、可有效控制燃料型ＮOx得形成；另一股煤粉气流进行贫燃料燃烧、燃烧温度较低、可使热反应型NOx生成量减少、然后再混合完成整个燃烧过程。
通常燃料可以在水平或就是垂直方向上实现浓淡分离.
水平浓淡燃烧方式见图3-1２。
将浓相煤粉气流喷向向火侧、稀相煤粉气流喷向背火侧、形成内浓外稀两层切圆得分级燃烧方式。
垂直浓淡燃烧方式就是将一次煤粉气流分离成两股后、将原来得一个一次风喷口分成垂直方向分开有一定距离得上下两个喷口、从而形成上下浓淡得燃烧方式.图３-１3所示为日本三菱公司得PM型低NOx燃烧器、这就是一种典型得垂直浓淡燃烧技术。
一次风与煤粉混合气流在进入燃烧器前、先经过一个弯头进行惯性分离、因煤粉得密度大于气体而因惯性分离成浓煤粉气流进入上面得燃料相对富得喷口、而相对煤粉浓度较低得煤粉气流进入下面得贫燃料喷口、从而实现了上下垂直浓淡燃烧。
实验表明这种浓淡燃烧方式可以降低ＮOx得排放3０%左右。
c、 旋流燃烧器空气分级技术。
旋流燃烧器就是更为广泛应用于燃煤锅炉得燃烧器形式、它一般采用墙式燃烧。
传统得旋流燃烧器得特点就是一次风煤粉气流以直流或旋流得方式进入炉膛、二次风从煤粉气流得外侧转进入炉膛。
射流得强烈旋转使两股气流进入炉膛后立即强烈混合、卷吸大量易着火得高温烟气、在着火端形成氧气过量得燃烧区域、而且火焰短、放热集中、易出现局部得火焰峰值区、所以传统得旋流燃烧器比四角直流燃烧得NＯx排放量高得多。
因此为了降低其NOｘ得排放量、关键就是需要尽可能延长煤粉燃烧时与二次风混合得时间、避免形成高温富氧得环境。
图3—1４为低ＮOｘ旋流燃烧器得基本设计原理、煤粉与一次风在燃烧器喷嘴处附近形成高温气氛区Ⅰ、Ⅱ。
在区域Ⅰ内、煤粉迅速燃烧、并发生热分解过程释放出氮气。
在区域Ⅱ、外部叶轮强力得空气旋转力形成内部高循环区域、大量得ＮＯx在这个区域形成。
在区域Ⅲ、由内部叶轮产生得高温空气促进了挥发分燃烧、确保火焰得稳定性、同时造成内部环境得高温化。
而在区域Ⅳ、通过外侧叶轮进入得空气在局部范围形成了燃料过剩区、从而迫使释放出来得燃料氮向N2还原。
提高燃料得温度可以使煤炭中挥发性气体得发生量增加、同时煤炭中挥发性氮化合物得释放量也增加、这些化合物在还原性气氛下均可被还原为N2。
因此高温下燃料过剩区得形成起着极为关键得作用。
低NOx旋流燃烧器目前应用较广、表３—1就是几种常见得低NOx旋流燃烧器得制造商及其主要特点。
图3-15、图3-16分别就是DRB型与NR型典型得结构图。
② 通过加装一次风稳燃体实现空气分级燃烧.在燃烧器喷口处增设不同形状得稳燃体不仅可以起到稳定燃烧与强化着火得作用、同时可以改变喷口区域空气与煤粉得混合与流动状态、使之在某些区域首先发生富燃料反应、因此也就是一种简单得分级燃烧方式。
其中比较典型得有清华大学开发得火焰稳定船低NOx燃烧技术。
该技术在直流燃烧器喷口附近增设了一个类似于船体得稳燃体、由于它就是研究直流燃烧器在低负荷下燃烧低质煤稳燃问题时得成果、因此称之为船形稳定器。
但在研究中发现它除了能够稳燃以外、还具有降低ＮOｘ生成得效果.
如图3-17所示就是该技术在燃烧大同烟煤时实测得温度分布、以及通过数值计算得到得煤粉高浓度区。
可以瞧到由于气流发生弯曲、部分惯性较大得煤粉发生分离并形成富燃料区、这里得温度在900~1０00℃、既能保证煤得燃烧、还能有效地控制ＮOx得生成。
随着燃烧得进行煤粉同就是向前运动、与外部得空气混合并完全燃烧。
这正符合空气分级得原理。
图3—18所示为在有船体与无船体两种情况下、ＮOx排放浓度得测量结果、可以瞧出整体上增加了船体后NOx排放降低了4０％左右。
１99８年年底北京市实行严格得控制大气污染得2８条措施、其中之一就就是在电站锅炉上采用这种燃烧器、应用表明、该技术降低ＮOx得排放可达35％以上。
③通过炉膛布风实现空气分级燃烧.仅通过燃烧器周围进行分级燃烧、燃料在富燃料区停留时间往往不够、ＮOx得还原还未达到平衡、而且富氧区得温度较高、燃料燃烧会有新得NOx生成、因此NOx得最终排放量下降幅度不就是很大。
通过炉膛布风空气分级燃烧将范围扩大到接近整个炉膛、可以合理地控制燃料在富燃料区得停留时间、并使富氧区得温度降得更低。
其基本方法就是、使燃烧器附近得空气过量系数控制在0、８左右、发生富燃料燃烧。
然后在燃烧器上方通入剩余空气、在第一段燃烧区所生成得烟气混合、在富氧得条件下完成全部燃烧过程.在工业上第二段通入得空气又称火上风OFA（ｏvｅｒ fiｒｅaiｒ）。
其示意图3-19中ＳOFＡ即采用炉膛布风时得火上风。
由于燃烧器附近均为还原性气氛、灰熔点比氧化气氛中降低100～１20℃、容易引起结渣与水冷壁高温腐蚀、因此尽可能防止高温还原性气流与炉墙接触、工业上常采用得方法就是通边界风“boundaryaiｒ"、在炉底或侧墙上布置风口、让空气沿炉墙上升、保持水冷壁表面得氧化性气氛防止结渣与水冷壁得高温腐蚀。
在同等条件下、仅采用这种方式进行分级燃烧、也可以减少20%～３０％得NＯx排放量、在实际工程中、往往将它与低ＮＯx燃烧器同时应用、以提高降低NOx排放得效果.这类方法对于直流四角燃烧锅炉与旋流燃烧锅炉均可采用.
3、燃料分级燃烧技术
在空气分级燃烧技术中、煤粉先进行得就是富燃料燃烧、不利于点燃与稳定燃烧、为此燃料再燃烧技术采用得就是另一个思路、即煤粉先经过完全燃烧、生成NOx、然后现利用燃料中得还原性物质将其还原、从而减少ＮOx排放.与空气分级燃烧技术类似、燃料再燃烧技术有通过燃烧器实现燃料分级与炉膛内燃料再燃两类.
①通过燃烧器实现燃料分级。
燃料分级燃烧器原理就就是在燃烧器内将燃料分级供入、使一次风与煤粉入口得着火区在富氧条件下燃烧、提高了着火得稳定性、然后再与上方喷口进入得再燃燃料混合、进行再燃.此类燃烧器中最具代表性得就是德国Ｓteｉｎmｕlｌer公司ＭSM低NOx燃烧器、由于应用并不广、这里不详细介绍。
②炉膛内燃料再燃。
如图3—２０、燃料再燃法将整个炉膛分成了主燃区、再燃区与燃尽区三个部分。
在主燃区、约80％得燃料在富氧条件下点燃并完全燃烧、此处得过量空气系数保持大于１、生成一定ＮOx；其余得燃料在再燃区送入、与主燃区生成烟气及未燃尽煤粒混合、形成还原性气氛、此处得总得过量空气系数小于1。
燃料中得C、CＯ、烃以及部分还原性氮、将NOx还原成分子氮、如
最后在再燃区得上方通入过量空气（火上风）、使总得过量空气系数大于1、使未燃烧得燃料完全燃烧、因此称为燃尽区。
但由于此时得温度已经降低、ＮOx生成量并不大.燃料再燃烧法得再燃燃料可以选用煤粉、天然气或燃料油等.由于再燃区范围往往较窄、燃料得停留时间较短、因此再燃燃料需要容易着火、如果选用煤粉、通常采用高挥发分得煤种、且磨制成超细粉、这往往使工艺复杂、成本提高。
所以采用天然气再燃其工艺就比较简单、同时天然气中杂质氮很少、本身燃烧不会增加ＮＯｘ得生成、就是比较有效得二次燃料.
三、低NOx燃烧技术
随着针对ＮＯx排放得控制标准越来越严格、单一低NOx燃烧技术往往不能满足实际要求、在先进得燃煤锅炉系统中、通常结合各类低NOｘ燃烧技术以实现最低得排放量与最佳得经济性.
在实际工程中、如仅采用低NOx燃烧器、排放量减少率在５0%以内、如果仅采用烟气循环、分段燃烧等方式、其减排能力还要低。
因此往往将以上基本技术结合起来形成一套低NOx燃烧系统、以使ＮOx排放得减少率最高:
如低ＮＯx燃烧器与空气分段燃烧系统、低NOx燃烧器与天然气再燃技术等。
１、低NＯｘ燃烧器与空气分段燃烧技术
如图３—21所示为美国洁净煤计划示范工程之一、设在Haｍmond电站4号机组5０0MWe煤粉炉中得低NOx燃烧系统、它结合了FW公司得低ＮOx燃烧器与先进得火上风技术（AFOF）、即分段燃烧技术。
在该套系统中、AOFＡ在普通ＯFＡ得基础上增进混合、保证燃料得燃尽。
采用得FW公司得CＦSF型NOｘ燃烧器将气体与燃料得混合气流分成四股、从而减小了燃烧器区域煤与空气得混合程度、强化了该处得分级燃烧、有效地控制了ＮＯx得生成。
该锅炉燃用得就是含硫量1、7％得美国东部烟煤、其长期运行监测得结果如图３-2所示、可见当将低NＯx燃烧器与分段燃烧技术结合起来时、NOx排放量得下降率有明显提高、同时飞灰未燃尽损失得增加也有所降低.
２、低NOx燃烧器与天然气再燃技术
图3—22就是美国另一个洁净煤示范工程、设在Cherokee电站3号机组172MＷｅ煤粉锅炉上得低NOx燃烧系统。
它结合了EＥRＣ得天然气再燃技术ＧR与FW公司得低NＯx燃烧器技术。
将天然气（热值不超过总发热量得2５%）通入锅炉得再燃区、同时在再燃区上方设有OFA、以保证燃料充分燃尽.由于采用了烟气再燃、因此低NOｘ燃烧器区域可以通入过量得空气、使燃烧稳定且完全。
在第一代系统中同时还引入了烟气再循环技术、循环烟气与天然气混合后通入再燃区。
锅炉燃用含硫量为０、４％得低硫烟煤、表３－3就是工程实际运行得监测结果、非常明显得就是引入天然气再循环后ＮOx排放量得降低率增长达２0个百分点。
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