火电环保处理一Word格式文档下载.docx
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因此，炉膛内已明显冒黑烟时所造成的不完全燃烧损失还不到0.1%。
2.剩余型烟尘
剩余型烟尘是液体燃料燃烧时剩余下来的固体烟尘，通常称为油灰。
颗粒尺寸较大，通常为10～300m。
其中，大颗粒较少，大多数是外形接近球形的微小空心粒子。
部分粒子的表面上残留有气体喷出的痕迹，部分粒子表面光滑，而且致密，又称做空心微珠。
3.酸性尘
酸性尘是含有硫酸蒸汽的烟气，当温度低到露点温度以下时，凝结的亚硫酸和硫酸侵蚀金属；
如果硫酸蒸汽凝结在微粒的表面上，然后这些微粒粘结在一起，长大成雪片状的酸性尘；
通常又称作雪片。
4.积炭
积炭也是剩余型烟尘的一种，是油滴附着在燃烧器、燃烧器旋口、燃烧室炉墙上，受炉内高温、气化而剩下来的。
由于油滴附着处的形状不同，附近烟气流动情况不同，积炭的形状不定，但其颗粒度较大。
气体和液体燃料燃烧所产生的烟尘一般可认为是含炭物质，但并非由单一的炭所组成，还含有许多其他物质。
分析表明，含水1～3%左右，还含有很多游离基，如C40H16等，是一种复杂的集合物。
至于雪片，还含有硫酸H2SO4。
重油锅炉产生的雪片，分析结果，含有25%左右的无水硫酸，含有20%左右的灰。
而固体燃料产生的粉尘主要是碳和灰所组成。
5．粉尘
固体燃料燃烧所产生的粉尘，煤粉炉飞灰粒度大多在3～100m之间，火床炉飞灰的粒度多在10～200m之间。
排烟中的粉尘浓度，随煤质不同，变化范围较大。
一般，煤粉炉空气预热器出口排烟中的粉尘浓度为20～50克/标米3或更高。
二、烟尘的形成
固体燃料中含有灰分，在燃烧之后，部分变成炉渣，另一部分以飞灰的形式离开锅炉。
以煤粉炉为例，一般有10～15%的灰，沉落在冷灰斗和尾部烟道中，而85%的灰分以飞灰形式，随烟气离开锅炉。
由于煤质相差很大，锅炉排烟中的粉尘浓度变动很大，例如当燃用发热量为28600KJ/Kg、灰分为10%的优质煤时，排烟中的粉尘浓度仅为9.35g/m3左右，而当燃用发热量为14470KJ/Kg、灰分为47.05%的劣质煤时，其粉尘浓度可达83.2g/m3。
图16-3表示煤粉炉中燃用粒度为5～100m的煤粉时所生成的飞灰粒度分布。
由图可见，一般煤粉炉粉尘中，粒度小于10m的飞灰粉尘占20～40%左右，小于44m的粉尘占70～80%左右。
锅炉排烟中的粉尘粒度和浓度，与燃烧方式、磨煤机的型式以及煤质情况有关。
其中影响最大的因素是煤粉细度。
煤粉越细，飞灰的粉尘浓度越大。
燃烧条件的影响表现在燃烧温度越高，煤灰中的Hg、Na和K越容易挥发而凝结成难以收集的微粒。
研究表明，大于10m的粉尘会很快沉落在地面上，称为降尘，而小于10m的粉尘属于不可见的微粒，它飘游在空气中，称为飘尘。
火床炉排烟中的粉尘，大部分属于降尘；
而煤粉炉排烟中的粉尘中，两者都有，其百分比取决于除尘器的型式和效率。
使用电气除尘器、湿式文丘里式除尘器和布袋式除尘器后，排出的粉尘多属飘尘。
图16-3煤粉炉飞灰的粒度分析
三、影响烟尘产生的因素
燃料在炉内燃烧，影响烟尘产生的因素很多，下面分别予以叙述。
1．燃料种类的影响
燃料种类不同，烟尘产生的情况也不同。
例如，氢H2燃烧时，看不到火焰，没有烟尘产生。
甲醇燃烧也没有烟尘。
一般，碳氢化合物类型燃料燃烧时，烟尘较少。
烟尘发生特性的表示方法，多采用比较法。
对轻质液体燃料，通常采用烟点6或其倒数来表示。
如煤油灯，当灯芯伸出长度增大时，就要产生炭黑。
不产生炭黑的最大允许火焰长度，对各种燃料是不一样的。
这一长度越短，这种燃料的烟点就越低，就越容易产生烟尘。
这种火焰是扩散燃烧，空气从四周向火焰扩散，在火焰面上进行燃烧，而火焰中心处的油汽得不到氧气，随火焰尺寸增大，受热时间增大，就要热分解而产生炭黑。
碳原子数多的碳化氢燃料，用烟点的倒数所表示的烟尘发生特性越大，越容易产生炭黑而冒黑烟。
这一方法对气体燃料和液体燃料都可以使用。
液体燃料烟尘浓度和残留炭含量有关。
油质越重，残留炭含量越多。
图16-4是各种锅炉燃用不同燃料时，残留炭含量和烟尘浓度的关系。
由图可知，随残留炭含量增加，烟尘浓度增大，虽然波动较大，但还是与残留炭含量成比例。
重油中残留炭含量高达10%左右，与不含残留炭的燃料相比，烟尘浓度高100～150毫克/标米3。
图16-4烟尘浓度和残留炭含量的关系
固体燃料不完全燃烧时，同样产生炭黑，然而，燃料中的灰分以飞灰形式出现的粉尘，数量较大，对一定型式的燃烧设备，灰分变成飞灰的份额基本一定，如煤粉炉为0.85～0.9，火床炉为0.15～0.2左右。
一般，煤粉炉烟气中的飞灰浓度决定于燃煤的灰分，其关系如下：
=940A毫克/米3（16-1）
式中A——燃煤中灰分含量，%。
由于燃煤灰分变动较大，特别是锅炉燃用煤，多数是灰分或水分较高的劣质煤，锅炉排烟中的飞灰量相当可观。
多灰的劣质煤，不论是对锅炉的设计或运行，还是灰的处理、除尘等，都带来了相当大的困难。
2．洒精燃烧时，氧气浓度和空气过量系数小，没有烟尘产生，其原因是酒精分子中含氧较多。
实践也证实，如让碳氢化合物燃料与足够的氧气混合，能够防止烟尘产生。
防止产生烟尘所需要的氧气量，随燃料种类而异。
预混合燃烧时，烟尘的生成量很低，但实际上，工业燃烧设备，大多采用扩散燃烧，混合过程和燃烧反应同时进行，混合过程对燃烧过程的影响比较大，如混合不好，尤其是当过量空气少时，将产生大量烟尘。
图16-5是烟尘浓度和氧气剩余浓度的关系。
如图所示，氧气浓度降低时，烟尘浓度将增大。
即使剩余氧气浓度相同，烟尘浓度也上差较多，这是由于燃料种类不同，燃烧器型式不同而引起的。
3．油滴粒径的影响
重油燃烧时，油滴破裂后产生的焦块或空心微珠，其直径都与油滴的直径成正比。
特别是较大的油滴，虽然数量可能不多，但其所占的重量比例较大，不完全燃烧时，将使残留型烟尘浓度急剧增大。
大颗粒油粒碰到炉墙时，如炉墙上没有布置水冷壁时，由于炉壁温度较高，油滴还可能燃烧；
如果炉墙上布置有水冷壁，由于温度低，油滴将焦化成碳块，其达到一定大小时，将脱落随烟气进入大气，使烟尘浓度增大。
4．惰性气体的影响
在燃烧用空气中渗入惰性气体时，烟尘浓度将降低。
空气中渗入惰性气体二氧化碳时，效果较好。
图16-6是烟尘浓度与渗入惰性气体百分比的关系。
图中同时给出了渗入氮气N2和氩气Ar时的效果。
惰性气体能降低烟尘浓度的原因还不清楚。
对扩散燃烧，如果燃料耗量不变，由于体积增大，出口速度将增大，混合能力提高，其结果使烟尘浓度下降。
这一点已被实践所证实。
四、烟尘的控制
图16-7旋流强度和烟尘浓度的关系
锅炉燃烧设备中，防止烟尘产生的最重要措施是改善燃料和空气的混合；
其次是保证足够高的温度水平和足够的燃烧时间。
实际锅炉内的燃烧过程很复杂，尽管能够满足氧气量、烟气温度和停留时间这几个条件，但仍然会产生大量的烟尘和不完全燃烧产物。
锅炉中采用的燃烧器大部分属于紊流扩散型，空气分配不均性还是相当大的，在空气不足地区就会产生大量烟尘。
从减少烟尘的生成量来看，燃料与空气的混合是重要条件。
以液体燃料的雾化燃烧为例，要改善燃料与空气的混合，就必须保证良好的雾化，粒径和油滴分布适当，具有适当的旋流强度，使空气与油雾配合得满意等。
图16-7是一台9吨/时燃油锅炉旋流强度和烟尘浓度的实测结果。
油雾化角为80°
，当叶片角度改变时，空气旋流强度将发生变化，这时，由于油雾与空气配合不同，烟尘量变化很大。
如图所示，空气旋流强度在0.84左右时，烟尘生成量最小，比0.84大或小，烟尘量都将增大。
旋流强度大于0.84时，由于空气旋流强度大，而被甩离油雾区，致使油与空气混合不良，烟尘浓度大幅度增加；
旋流强度小于0.84时，油与空气混合过早，使温度下降，其结果也是烟尘浓度急速上升。
可见，旋流强度为0.84时，是油雾与空气混合最佳工况。
如前所述，碳氢化合物在没有氧气条件下将会热分解而产生炭黑粒子。
而供给一定氧气时，即使不够完全燃烧的需要，也不会热分解而产生炭黑。
所以，不管调风器的结构如何，都必须在燃料受热前，与一部分空气混合，这是防止烟尘产生的重要措施。
一次风量对烟尘的生成有很大影响。
当一次风比重过低时，烟尘量增大，这是由于缺氧热分解的缘故。
一般，一次风量为10～20%时，烟尘生成量最低。
当一次风量过多时，由于着火后温度降低，燃烧不完全的结果，也使烟尘量增大。
使燃烧过程中产生的烟尘在离开炉膛之前烧掉也是控制烟尘的重要课题。
要使烟尘能够在炉膛内燃烬，除及时供给足够氧气外，还必须使烟尘在一定的温度条件下，停留一定的时间。
第三节NOX的生成机理
燃料燃烧过程中所生成的氮氧化物主要是NO和NO2，通常，把这两种氮氧化物合称NOX，而其中NO约占95%以上。
燃烧用空气中的N2，是以三键氮（N≡N）形式存在，键能为945Kj/mol；
燃料中的有机氮则以碳氮三键（C≡N）和单键（N-C和N-H）形式存在，其键能分别为791kJ/mol和450kJ/mol，因而燃料受热时，氮容易释出。
至于燃烧反应介质，在碳氢化合物火焰中有两种：
一种是在氧化性区域或火焰面上的碳氢化合物基团（HC）和燃料分子的碎片；
另一种是在燃烧产物中的H、OH和O基团。
由于氮的键能不同，以及与氮进行反应的介质成分的不同，因而有三种不同生成机理的NOX
即：
（1）热力NOX：
它是燃烧用空气中的
N2在高温下氧化而生成的氮氧化物；
（2）快速NOX：
碳化氢系燃料在燃烧时分解，其分解的中间产物和N2反应生
成的氮氧化物；
（3）燃料NOX：
燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化生成的氮氧化物。
一、热力NOX
的生成机理
热力NOX的生成机理是由原苏联科学家捷里道维奇提出来的，因此，它又称为捷里道维奇机理。
按照这一机理，空气中的N2在高温下氧化，是通过一组不分支的连锁反应进行的。
根据捷里道维奇机理，在此连锁反应中，NO生成的速度表达式为：
（16-2）
其中2k0k1按捷里道维奇的试验结果，Ｋ＝2k0k1=3×
1014exp（-542000/RT），最后可得：
（16-3）
对氧气浓度大、燃料少的贫燃预混燃烧火焰，用这一表达式算NO生成量，其计算结果与试验结果相吻合。
但是当燃料过浓时，还需要考虑下式所示的反应：
（16－4）
式（16-3）的意义。
由于氮分子的分解所需的活化能较大，故该反应必须在高温下才能进行。
正因如此，整个链式反应速度就取决于最慢的反应。
在氮的连锁反应中，一个氧原子O首先和氮分子N2反应，生成一个NO和一个N；
接着，N立即和O2反应，生成另一个NO。
亦即，每产生一个氧原子O，同时生成两个NO分子。
显然，氧原子在这整个链式反应中起着活化链的作用。
它来源于O2的高温分解，或被H原子撞击分解而成。
由式（16-3）可以看出，生成NO的活化能很大。
其原因在于，O和N2的反应比较困难。
通常，氧原子与燃料中可燃成分之间反应的活化能较小，反应较快。
这一情况表明，NO不会在火焰面上生成，而是在火焰的下游区域生成。
从式（16-3）可知，NOX生成速度与燃烧温度关系很大，故热力NOX
又称为温度型NOX。
由于NOX生成的活化能较大，故当燃烧温度低于1500℃时，热力NOX生成量极少；
当温度高于1500℃时，反应明显，随着温度升高，根据阿累尼乌斯定律，反应速度按指数规律迅速增加。
实验表明，温度在1500℃附近变化时，温度每增大100℃，反应速度将增大6～7倍。
这说明，在实际炉内温度分布不均匀的情况下，局部高温的地方会生成很多的NOX，它可能对整个炉内的NOX生成量起决定性的影响。
从式（16-3）还可以看出，热力NOX生成量与氧浓度（过剩空气系数）关系较大。
如果氧浓度增加，则氧原子浓度随之增加。
同时，在较高的燃烧温度下会使氧分子分解所得的氧原子浓度增加。
因此，热力NOX生成量增加。
在预混火焰的情况下，上述情况只是在空气量小于理论所需空气量（α<
1）时才会出现。
这是因为，在α>
1的情况下，如果氧气浓度再增加，将使NO稀释，并使燃烧温度降低，因而使NO降低，并且这种降低要比氧浓度增加而使NO增加的影响大，所以，这时总的NO生成量是减少的。
也就是说，在NO和过剩空气系数的关系曲线上，α=1时的NO最大；
α<
1或α>
1，NO都降低。
在扩散火焰的情况下，燃料与空气边混合、边燃烧，由于混合不良，所以在α=1时，NO达不到最大值。
这时，NOX的最大值要移至α>
1的区域，而且，因扩散燃烧时的温度较预混火焰低，NOX最大值要降低些。
显然，如果燃料与空气混合越差，NOX最大值的位置越向右推移，NOX最大值也将有所降低。
综上所述，影响热力NO生成量的主要因素是温度、氧气浓度和在高温区内停留时间。
由此而得到控制热力NO生成量的方法概括为：
1）降低燃烧温度水平，避免局部高温；
2）降低氧气浓度；
3）燃烧在偏离α=1的条件下进行；
4）缩短在高温区内的停留时间。
在实际过程中，燃烧反应大多属于扩散燃烧。
实际条件不同，NOx生成也不尽相同。
影响NOx生成量的因素很多，而且也较复杂，既有扩散过程的影响，也有化学反应过程的影响，还有放热与换热等因素的影响。
所以，在讨论各种控制NOx的燃烧技术之前，先研究一下研究过程中，扩散燃烧时的NOx生成过程是有必要的。
二、炉内热力NOX生成特性
锅炉炉内燃烧过程，除气体燃料预混合燃烧外，都属于扩散燃烧，即一面混合、一面燃烧，是一个复杂的物理化学过程。
因而，影响NOx生成的因素，除化学反应外，燃料和空气的混合过程具有决定性的作用。
同样的过量空气系数条件下，由于混合特性不同，NOx的生成量也有不同。
NOx浓度和空气过量系数的关系，如图16-8所示。
可大体上分为三种类型。
曲线a是混合良好的情况，在某一过量空气系数下，NOx浓度出现最大值。
比这一值高或者低时，NOx的浓度都要降低。
高的过量空气系数，虽然氧气浓度增大，但由于火焰温度下降，NOx生成量依然降低。
低的过量空气系数时，由于氧气浓度不足，一方面火焰温度下降，另一方面燃烧是在还原气氛中进行，没有氧存在，因而NOx的生成量下降。
实践证明，还原性气氛具有决定性的作用。
在通常的锅炉燃烧设备中，过量空气系数约在1.20附近，出现NOx浓度最大值。
而预混合燃烧，通常在过量空气系数稍大于1.0时，出现最大值。
曲线b和c相当于曲线a的右半个曲线和左边半个曲线。
目前所看到的资料，对大型电站锅炉，大多属于c型曲线。
这种锅炉装有多只大容量燃烧器，燃料与空气的混合并不十分完善，NOx生成量的最大值，多出现在过量空气系数为1.20～1.25的工况下。
一般而言，具有c型特性曲线的锅炉，采用降低过量空气系数的方法较为有效。
具有c型曲线的中、小型锅炉，设备完善程度，燃烧管理水平，都远不如大型电站锅炉。
采用低过量空气系数方法，应较为慎重对待。
由于中、小型锅炉负荷适应性差，容易产生大量烟尘，造成较高的不完全燃烧热损失。
具有b型曲线的锅炉，一般是过量空气偏高的情况。
使用高的过量空气系数来消除烟尘、降低不完全燃烧热损失。
这种情况下，通常是设备有严重的缺陷。
所以，对NOx生成量的控制也就不能抱多大的希望。
上面所提到的过剩空气系数是指通常是指炉膛出口过剩空气系数。
NOX生成量也就是值炉膛出口烟气中的NOX浓度。
要控制总的NOx生成量，就必须结合炉内实际情况，进行分析。
由于炉内不可能混合均匀，各个区域的过剩空气系数，不同地点的烟气温度、氧气浓度等都不相同，因而，各区域中NOX生成速度和生成量也都不可能是相同的。
燃料和空气混合物进入炉膛后，由于受到周围高温烟气的对流和辐射加热，混合物气流温度很快上升，当到达着火温度时，燃料开始燃烧，这时，温度急剧上升到近于绝热温度水平。
同样，由于烟气与周围界之间的对流与辐射换热，温度逐渐降低，直到与周围介质温度相同，亦即烟气边冷却边流过整个炉膛。
由此可见，炉内的火焰温度分布实际上是不均匀的。
通常，离燃烧器出口一定距离处的温度最高，在其前后的温度都较低。
图16-9是一台实验炉沿火焰中心线上各点的温度分布，烟气各成分浓度分布，以及NOx浓度的实验结果。
如图所示，随火焰温度上升，NOx的浓度增大，在火焰温度达到最高点附近，NOx浓度趋于饱和，然后，略有下降。
分析图16-9，我们可以得到如下各点结论：
1.火焰温度对NOx的影响很大。
大部分NOx是在火焰温度高于1200℃的区域内生成的；
2.在可见火焰尾部以后的下游区域内，NOx的浓度基本不再增加，反而略有下降。
NOx下降是烟气成分沿截面方向均匀化的结果。
NOx浓度趋于饱和不再增加，唯一可信的解释是温度降低的结果。
当温度低于一定水平时，NOx就不再产生，虽然，这时的氧气浓度还相当可观。
NOx浓度基本不再变化的火焰温度约为1000℃左右。
研究表明，在这种情况下，NOX生成量不仅与过剩空气系数有关而且在同样的过剩空气系数条件下，与混合特性有关，如果混合特性不同，则NOX生成量也不同。
图16-9炉内温度、烟气各成份浓度分布的实验结果
3.从CO和NOx分布曲线可以看出，NOx是在CO燃烧后发生的，即在可燃物质基本烧完后产生的。
从而证明了以前结论：
由于燃料与氧气的活化能低于氧原子与N2的反应活化能，所以，燃料首先燃烧，只有当氧气有剩余时，才进行氧原子和氮的反应，生成NOx。
4.炉内的气流流动为强烈的湍流流动。
湍流会引起炉内气体组分的脉动和扩散混合，因而引起燃烧温度的脉动。
研究发现，NO的生成速度与温度的脉动值有很大的关系。
有人研究了在不同的温度脉动强度下NO的瞬间生成速度。
如果用T’表示温度的脉动值，
表示平均温度。
则当
=2000k,
时，考虑温度脉动的NO生成速度几乎是不考虑温度脉动时的5倍。
当平均温度降低而脉动值增加时，其倍数也增加，这表明湍流引起的温度脉动对NO的生成速度有很大的影响。
综上所述，由于混合时特性不同，温度分布、氧气浓度的分布也不一样，直接影响NOx的生成。
改变燃烧设备的混合特性，从而可以达到控制NOx生成量的目的。
当混合变差时，火焰温度水平下降，最高温度移向过量空气系数较大的方向。
可以预见，NOx发生特性也将变化，即NOx浓度降低，最大浓度同样也将移向过量空气系数较大的方向。
应该指出，影响NOx生成量的因素很多，至今我们还只能说混合对NOx的生成有很大的影响。
对具体某一燃烧设备，尚不能肯定说改善混合后NOx生成量将如何变化，必须进行具体分析。
三、快速NOX的生成
前已述及，对于碳氢化合物燃料，在燃料过浓区域，火焰面上已生成大量NOX,故称为快速NOX。
按照弗尼莫尔的观点，快速NOX的生成机理与热力NOX不同，碳氢化合物燃烧时，分解生成CH、CH2和C2等基团会破坏空气中N2分子键。
其反应的活化能很小，故反应速度很快。
同时，火焰中生成大量的O、OH等原子基团与上述反应的中间产物HCN、NH、N等反应生成NO。
对预混火焰的研究表明，当燃料与氧气的当量比φ=1～1.4时，除在火焰面以后生成大量热力NOX以外，并产生相当数量的快速NOX；
当φ>
1.4时，此时燃料浓度很大，火焰面以后几乎没有热力NOX，快速NOX的生成量基本上等于最高火焰温度下NO的平均浓度；
且随着φ值的增加，平衡浓度减小，快速NOX的生成量也减小。
在φ=1.4处，快速NOX达最大值。
这表明，在任何温度下，在某一当量比时，快速NO的生成量最大。
对于这种倾向，在许多种预混火焰中都是相同的。
其原因在于，当量比进一步增加后，虽然增加了碳氢化合物的浓度，提高了反应速度，因而增加了中间氮化合物的生成量，使快速NOX增加；
但另一方面，由于氧浓度减少，有利于HCN向N2转变，因而快速NOX生成量反而减少。
由上述可以看出：
1）快速NOX只有在比较富燃的情况下，即碳氢化合物CH较多、氧浓度相对较低时才发生，因此在燃煤炉中，其意义很小，一般快速NOX在5%以下。
它的生成速度很快，就在火焰面上向称，故称快速NOX.
2）快速NOX的生成机理与热力NOX不同，而与下面所述的燃料NOX生成机理非常相近。
快速NOX实际上与温度的关系不大。
但因为它是由空气中的N2氧化成NOX，因此归入温度型，以便与燃料NOX区别开来。
3）要降低快速NOX，只要供给足够的氧气，以减少中间产物HCN,NHi等便可以了。
四、燃料NOX的生成
燃料NOx是燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化生成的。
燃料中的氮通常以原子状态与各种碳氢化合物相结合，形成环状化合物或链状化合物。
与空气中的氮相比，其结合键能量较小，在燃烧时很容易分解出来，经氧化反应生成大量的NOx。
对于燃料NOx的生成机理，弗尼莫尔提出的模型认为，对于预混火焰，从燃料N向NO的转换是由两个互相竟争的过程所决定。
这两个过程是：
由燃料N高温分解生成含氮原子的中间产物I（主要是N，CN，HCN，Nhi等），然后I和含有氧原子的反应物R（O，OH，O2等）反应生成NO；
或者和NO反应而使NO还原分解生成N2。
即
图16-10煤中氮化物的生成过程
由于燃料N生成中间产物的速度是很快的，因而，最终的NO生成量就取决于这两个过程的竟争。
在煤燃烧的过程中，煤中的N一部分随挥发分释放出来，另一部分残留在焦炭中并随焦炭的燃烧而释放出来。
研究表明，不同的煤V-N和C-N所占的比例是不同的。
一般地，挥发分多的煤V-N也越多。
可以用图16-10
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