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1、4低氮燃烧技术原理培训教程京能集团运行人员培训教程BEIH Pla nt Course低氮燃烧技术原理low NOX combusti on tech no logyMAJTD NO.1OO.21低氮燃烧技术 11.1NOX 产生机理和抑制方法 11.2影响NOX 生成量的因素 62.低氮燃烧技术 132.1基本原理 133空气分级低 NOX燃烧技术原理及其技术特征分析 143.1空气分级燃烧的基本原理 153.2空气分级燃烧的主要形式 153.3轴向空气分级燃烧的影响因素 163.4径向空气分级燃烧的影响因素 163.5燃尽风的种类 163.6燃尽风布置方式的选择 223.7空气分级燃烧技术

2、的应用前景 234.燃料分级燃烧 244.1燃料再燃的原理 244.2再燃燃料的选择 254.3再燃燃料的选取 254.4影响再燃效果的主要因素 274.5燃料再燃技术的发展前景 275.烟气再循环低NOX燃烧技术原理及其技术特征分析 275.1烟气再循环机理 275.2烟气再循环率的选择 285.3利用烟气再循环实现 HTAC 286. 低NOX燃烧器技术原理及型式 296.1低NOX燃烧器的原理 296.2直流煤粉燃烧器 296.3旋流煤粉燃烧器 326.4双调风燃烧器 337. 低NOX燃烧器的发展前景 408题库 411低氮燃烧技术1.1 NOX产生机理和抑制方法制NOX的生成已成为大

3、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 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( Prompt 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 。炉膛溫度图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

4、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。N2+OT no+nN+O L 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+O 2t NO+O相比于式 N2+Ot 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+0t NO+N,反应式 N2+OT NO+N

5、 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 542X10 3J/mol。分子氮比较稳定，只有较大的活化能才能把它氧化成 NO，在反应中氧原子的作用是活化链接的环节，它源于02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

6、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 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 C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 C以上附近变化时，温度每升高 100 C,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 C以上的高温反应环境下

7、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

8、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

9、衡浓度，其反应如下 ：H+O L OH+OO+H L OH+HOH+H 2TH 2O+H可见，快速温度型 NOX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

10、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

11、发分中均相生成的 NOX和由残焦中异相生成的 NOX两部分。挥发分中的氮主要以HCN和NH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

12、成大量的 NO。就煤而言，燃料氮向 NOX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1（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） flI+R f NO+ I+NO fN 2 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+02f NO+ 焦炭 N+O 2f NO+

13、燃煤中的氮生成 NOX主要取决于煤中的含氮量，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 C 800 C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 C时，70%的NO来自焦炭燃烧；1150 C时，这一比例降至 50%。由于多 相反

14、应的限速机理，在高温时可能向扩散控制方向转变，故温度超过 900 C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 NO

15、X。而焦炭氮煤在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 C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 C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 NO

16、X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要远大于含氮量低的燃料。 研究表明燃料中的氮是在较低温度下就开始分解，故温度对燃料型 NOX的生成影响不是很大。综上所述，降低燃料型NOX的主要因素是减少反应环境中的氧气浓度， 使煤粉在a1环境中进行燃烧反应；在扩散燃烧时候推迟空气和燃料

17、的混合； 在允许条件下应当燃用含氮量低的燃煤。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】+【燃料全部转化成 NO的浓度】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。用挥发分化学当量比(SRV Stoichiometric Ratio of Volatile )来表征挥发分燃烧过程中的气氛。对挥发份析出时刻进行气氛的有效控制，可以有效抑制 NOX的生成，这一结论从微观角度验证了空气分级技术对 NOX深层控制的可行性。1.2影响NOX生成量的因素1.2.1煤质条件煤是一种含有大量 C，H，O和少量

18、S, N等有机物和部分无机物的沉积岩。煤里面的N原子一般是以链状或者环状两种形态存在于物质当中，经研究发现，如果 N以环状形态存在于物质中，通过燃烧一般不会转化成为氮氧化物， 所以对环境的污染相对较少， 但是如果以链状的形态存在于物质中， 经过剧烈的燃烧化学反应多数被氧化成氮氧化物， 造成大气污染。然而煤中的 N元素的主要存在形式为链状，所以煤燃烧过程就伴随大量的氮氧化物 的产生。(1)煤质氮含量：常规燃料中，除天然气基本上不含氮化物外， 其他燃料或多或少地含有氮化物， 其中石油的平均含氮量为 0.65%左右，煤的含氮量一般在 0.5%2.5%左右。通常，燃料中大约20%80%的N转化为NOX

19、，其中NO又占90%95%。当燃料中的 N含量超过0.1%时, 燃料型NOX排放将是最主要的。燃料的 N含量增加时，虽然生成的燃料型 NOX量增加，但NOX的转化率却减少；煤的燃料比 FC/V越高，NOX的转化率越低。(2)挥发分含量我国发电用煤中 N和挥发分含量：对于所考察数据库中的煤种，随干燥无灰基挥发分 含量(Vdaf )的增加，收到基 N含量(Nar)呈逐渐降低的趋势，只有少数挥发分很高的褐煤 稍偏离这一趋势。锅炉燃用煤种主要是贫煤和烟煤，但挥发分含量在 20 %30 %之间的较少，因为这一范围的烟煤主要是炼焦煤不用作锅炉燃料 对于所统计的锅炉和煤种。燃煤高挥发分含量煤的锅炉NO排放量

20、一般较低。相比起来，燃用贫煤比燃用烟煤的锅炉 NO排放质量浓度高得多，如图1-2、图1-3。图1-2 无烟煤挥发份氮n v与a关系 图1-3 烟煤挥发份氮n v与a关系国内外大量的实验室研究结果和实际锅炉现场试验的经验表明， 煤的挥发分含量是影响锅炉NOX生成和排放量的主要因素之一， 这是因为煤中挥发分的释放和燃烧相当程度上决定了煤粉火焰特别是燃烧初期高温区的温度及其分布， 因此.在燃烧空气充分的条件下.高挥发分煤燃烧的火焰温度高，这种情况下燃烧生成的 NOX质量浓度随煤的挥发分的增加而 增加，但另一方面挥发分的释放和快速燃烧可迅速、大量消耗 O,导致燃烧初期火焰区贫氧甚至出现还原气氛区。从而

21、抑制挥发分氮向 NOX的转化和燃料 NOX的生成，这是低NOX煤粉燃烧器控制 NOX生成的主要依据之一。此时，煤中挥发分含量增加，随热解析 出到火焰中的氮一般较多且较多地被还原。 因而锅炉生成的NOX随煤中挥发分含量的增加而降低。1.2.2锅炉的设计参数和运行条件(1)低NOX燃烧系统的影响通过低NOX燃烧器对煤粉的燃烧组织，促进挥发分析及挥发分氮的大量析出，通过主 燃烧区低过量空气系数抑制挥发分氮向 NO的转化，而炉内深度空气分级的采用则促进NOX的还原，高挥发分煤因相对 N含量低且燃料N的转换可得到有效抑制，因此这种控制方式对高挥发分煤 NOX排放控制更为有效。(2)焦氮含量随温度变化趋势

22、，如图 1-4O 烟煤 烟煤 烟煤13000 1W) 150 为X) 300 400 h(W 600 7KH 8001OI温度口图1-4(3)煤粉细粒对燃料 N转化为挥发分N比例的影响，如图1-5y8070050403020100时间（ms）图1-5（4） 机组负荷对氮氧化物排放影响机组负荷的高低直接影响了炉膛温度的高低， 而温度对热力型和快速型氮氧化物的影响很大，从而对氮氧化物的排放产生影响，因此不同负荷下氮氧化物的排放也有不同。如图 1-6，说明降低炉膛温度也是降低氮氧化物的一个重要思路，但是锅炉运行炉内温度不宜过 度的降低（尤其是锅炉燃用劣质煤）会导致锅炉的低负荷稳燃性能降低、燃烧效率降

23、低，甚至 有熄火的危险。图1-6(5)炉膛氧量对氮氧化物排放影响对神华煤燃烧过程中试验发现：当SRV值小于1.1时，NO析出量很小，当SRV大于1.11时，挥发份燃烧后 02开始 有部分剩余，造成 HCN，NH3等前驱物的大量氧化，弓I起 NO的快速增加。在SRV= 1.58之后，可以明显观察到焦炭的燃烧，并且随着 02量的增加，加速了 02从周围空间向焦炭表面的扩散， 焦炭的非均相氧化，焦炭NOX也会迅速增加。在SRV增大到2.38时达到最大值，随后随 SRV增大开始呈现下降趋势。适当的高温有利于早期挥发份 的快速析出，降低整体 NOX析出比例，如图1-7I I I p p I I I0.0

24、 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5SRV图1-7(6)NOX排放量与一次风的关系传统锅炉设计一次风配比方式，见表 1-1煤种干燥无灰基挥发分含量 Vdaf /%一次风率直流燃烧器旋流燃烧器SRV无烟煤280.15 0.22.5 7.5贫煤8190.15 0.21.06 1.875烟煤20 300.25 0.31.0 1.2530 400.30.3 0.41.0褐煤40 50一0.35 0.40.8 0.875推荐值SRVV 1.0表1-1900800700600500400300从图图1-9过斜计（系齣（%图 1-101-10氧量变化对NOX排放影响显著，在 300MW

25、工况下，配风方式相同时，当氧量从4%降至2%时，一般NOX的排放量能减少150350mg/m 3左右。氧量降低对NOX排放的减少主要原因是当氧量减少时，燃料型 NOX的生成明显减少所致。应控制一次风的SRV1.0,在煤粉着火之间找到最佳值，同时避免二次空气在挥发份燃 烧阶段过早混入。（7） 风、煤配比对氮氧化物排放影响随着氧量的降低，相同配风方式下 NOX的排放浓度也逐渐降低， NOX的排放浓度排 放浓度和配风方式正塔、均等、束腰、倒塔依次呈降低趋势。说明配风方式对 NOX的排放浓度影响显著。1） 正塔配风时，由于煤粉燃烧所需的空气在燃烧初期就已大量混入主燃烧区， 主燃烧区氧化性气氛较浓，因此

26、导致燃烧区的 NOX生成得不到有效抑制，尽管这种燃烧方式下，主燃烧区温度比其他方式低，但由于燃料型 NOX的生成在燃烧初期呈主导地位，因此，该方式下NOX的排放浓度是最高的。2） 均等配风方式与束腰配风方式下， NOX的排放特性接近，相比均等配风方式略比束腰配风排放低。两种配风方式下 NOX的生成量均低于正塔配风方式，主要是由于这两种配风方式下，主燃烧区的氧浓度均低于正塔配风方式，从而抑制了燃料型 NOX的生成，如图1-11。图 1-113）预期束腰方式下 NOX的排放要低于均等配风，但实际两者排放特性相近，且束腰方式下的NOX的排放要略高于均等配风，这主要是由于束腰方式虽然更能抑制燃料 NO

27、XNOX生成量增加，两者相抵，导致的生成，但由于该方式下，火焰中心温度较高，热力型 两种配风方式下NOX排放浓度接近。4）采用倒塔配风或倒塔、束腰的组合配风方式对NOX生成的抑制效果最为明显，只有采用这种配风方式，才能比较有效地实现燃料和空气分级，从而有效地降低 NOX的生成量。5）尽管采用倒塔配风和倒塔束腰的组合配风方式对 NOX的排放浓度降低效果明显，但必须在一定条件下合理使用正确的配风方式， 否则将对锅炉运行安全和经济性均产生不利 影响。（8） 降低氮氧化物排放对锅炉效率影响1）低氧燃烧方式对锅炉运行经济性的影响采用低氧燃烧方式对锅炉经济性有利，同时能有效控制 NOX的生成，是大型烟煤锅

28、炉上可以推广采用的运行方式。2）配风方式对锅炉运行经济性的影响研究结果表明，锅炉一、二次风配风方式会对锅炉的燃烧经济性产生较大影响。 与锅炉正常运行的正塔、均等配风方式相比，采用倒塔运行方式尽管能更有效地降低锅炉 NOX的排放，但采用此配风方式会对锅炉经济性产生不利的影响。研究表明，在燃烧系统优化改造的基础上，采用低氧燃烧方式和倒束腰的配风方式均可 有效降低NOX的排放。如果将两种方法适当组合、联合应用，可以取得降低 NOX排放量的良好效果。通过燃烧优化，使得在一定条件下，同时实现节能减排，提高锅炉效率，降低 NOX排放。研究表明，采用低氧燃烧和配风方式相结合的方式能大幅度降低 NOX排放量。

29、但是，但由于现有燃烧器的布置无法达到燃烧空气轴向深度分级、 在燃尽风与主燃烧器之间无法形成足够的还原空间，NOX的排放量仍无法达到国家标准 450mg/m的要求。说明目前传统 的低氮燃烧方式难以达到我国现行排放标准的要求。近年来.新建燃煤电站锅炉均采用了先进低 NOX燃烧系统 低NOX燃烧技术的快速发展和应用，显著影响锅炉的运行性能锅炉 NOX排放特性及各影响因素的影响趋势也随低NOX燃烧技术的使用而变化对采用先进低 NOX燃烧系统的锅炉，主要是根据煤的燃烧特性来实现NOX排放控制，相应的燃煤挥发分含量高则 NOX度一般降低川。在煤粉锅炉中燃料NOX占NOX生成量的大部分。燃料 NOX的生成量

30、不仅取决于煤中的含氮量，还取 决于其他煤质特性参数这些参数主要通过影响煤的热解、燃烧特性而影响燃料 N的转化和NOX的生成影响燃料NOX生成的主要煤质特性是煤中氮和挥发分含量， 此外颗粒尺寸分布、热解速度、挥发分和焦燃烧速度也影响 NOX的生成。2.低氮燃烧技术从热力型对、燃料型和快速型三种 NOX生成机理可以得出抑制 NOX生成和促使破坏NOX的途径，图2-1中还原气氛箭头所指即抑制和促使 NOX破坏的途径。2.1基本原理2.1.1. 低过量空气燃烧：低过量空气燃烧是传统常用的低氮燃烧技术， 如图2-2是使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行，随着烟气中过量氧的减少，可以抑制 NOX的生成。这是一种最简单的降低NOX排放的方法。一般可降低NOX排放15 20%。但如炉内氧浓度过低（3%以下）， 会造成浓度急剧增加，增加化学不完全燃烧热损失，引起飞灰含碳量增加，燃烧效率下降。因此在锅炉设计和运行时，应选取最合理的过量空气系数。3 0001 000液态排楂炉固态排渣炉2 3 4 5燃烧器岀口。量丿图2-2剩系数对NOX生成量的影响2