低氮燃燒技術

燃煤鍋爐的低NO燃燒技術xNO是對NO、NO、NO、NO以及PAN等氮氧化物的統(tǒng)稱。在煤的燃燒過程中，NOx2225x生成物主要是NO和NO2，其中尤以NO是最為重要。實驗表明，常規(guī)燃煤鍋爐中NO生成量占NOx總量的90%以上，NO2H是在高溫煙氣在急速冷卻時由部分NO轉(zhuǎn)化生成的°N2O之所以引起關注，是由于其在低溫燃燒的流化床鍋爐中有較高的排放量，同是與地球變暖現(xiàn)象有關，對于NO的生成和抑制的內(nèi)容我們將結合流化床燃燒技術2進行介紹。因此在本章的討論中，NOx即可以理解為NO和NO2。一、燃煤鍋爐NO的生成機理

x根據(jù)NOx中氮的來源及生成途徑，燃煤鍋爐中NOx的生成機理可以分為三類：即熱力型、燃料型和快速型，在這三者中，乂以燃料型為主。它們各自的生成量和爐膛溫度的關系如圖3-1所示。試驗表明，燃煤過程生成的NOx中NO占總量的90%，NO2只占5%?10%。1、熱力型NOx熱力型NOx是參與燃燒的空氣中的氮在高溫下氧化產(chǎn)生的，其生成過程是一個不分支的鏈式反應，乂稱為捷里多維奇(Zeldovich)機理O22O(3-1)TOC\o"1-5"\h\zO+N2tNO+N(3-2)N+O2tNO+O(3-3)如考慮下列反應N+OHtNO+H(3-4)則稱為擴大的捷里多維奇機理。由于N三N三鍵鍵能很高，因此空氣中的氮非常穩(wěn)定，在室溫下，幾乎沒有NOx生成。但隨著溫度的升高，根據(jù)阿侖尼烏斯(Arrhenius)定律，化學反應速率按指數(shù)規(guī)律迅速增加。實驗表明，當溫度超過1200笆時，已經(jīng)有少量的NOx生成，在超過1500°C后，溫度每增加100°C，反應速率將增加6?7倍，NOx的生成量也有明顯的增加，如圖3-1所示。但總體上來說，熱力型NOx的反應速度要比燃燒反應慢，而且溫度對其生成起著決定性的影響。對于煤的燃燒過程，通常熱力型NOx不是主要的，可以不予考慮。一般來說通過降低火焰溫度、控制氧濃度以及縮短煤在高溫區(qū)的停留時間可以抑制熱力型NOx的生成。2、快速型NOx快速型NOx中的氮的來源也是空氣中的氮，但它是遵循一條不同于捷里多維奇機理的途徑而快速生成的。其生成機理十分復雜，如圖3-2所示。通常認為快速型NOx是由燃燒過程中的形成活躍的中間產(chǎn)物CHi與空氣中的氮反應形成HCN、NH和N等，再進一步氧化而形成的。在煤的燃燒過程中，煤炭揮發(fā)分中的碳氫化合物在高溫條件下發(fā)生熱分解，生成活性很強的碳化氫自由基（CH?，CH2.），這些活化的CHi和空氣中的氮反應生成中間產(chǎn)物HCN、NH和^隨后乂進一步被氧化成NO，實驗表明這個過程只需60ms，故稱為快速型NOx，這一機理是由費尼莫（Fenimore）發(fā)現(xiàn)的，所以乂稱為費尼莫機理。CH+N2THCN+N（3-5）C+N2tCN+N（3-6）由圖3-1可以看出，在煤粉燃燒過程中快速型NOx生成量很小，大致在（10?100）X10-6，且和溫度關系不大。但隨著NOx排放標準的日益嚴格，對于某些碳氫化合物氣體燃料的燃燒，快速型NOx的生成也應該得到重視。3、燃料型NOx由燃料中的N生成的NOx稱為燃料型NOx，由圖3-1可知，燃料型NOx是煤粉燃燒過程中NOx的主要來源，占總量60%?80%。同時由于煤的熱解溫度低于其燃燒溫度，因此在600?800°C時就會生成燃料型NOx，而且其生成量受溫度不大。煤的氮含量在%?%之間，且隨其產(chǎn)地的不同有較大差異。煤中絕大多數(shù)的氮都是以有機氮的形式存在。在燃燒過程中，一部分含氮的有機化合物揮發(fā)并受熱裂解生成N、CN、HCN和NH|等中間產(chǎn)物，隨后再氧化生成NO『另一部分焦炭中的剩余氮在焦炭燃燒過程中被氧化成NOx，因此燃料型NOxX分為揮發(fā)分NOx和焦炭NOx。該過程如圖3-3所示。實驗表明，在通常的燃燒條件下，燃煤鍋爐中大約只有20%?25%的燃料氮轉(zhuǎn)化為NOx，而且受燃燒過程空氣量影響很大，常用過量空氣系數(shù)（a）來表示燃燒過程空氣量的多少，一般定義在化學當量比下的過量空氣系數(shù)為1，大于1表示空氣過量，小于1表示空氣量不足。如圖3-4所示，當過量空氣系數(shù)a二時，燃料型NOx的生成量接近于零，然后隨過量空氣系數(shù)的增加而增加。同時進一步研究表明，焦炭氮向NOx的轉(zhuǎn)化率很低，大多數(shù)燃料型NOx屬于揮發(fā)分NOx，以上知識對于研究和開發(fā)燃料型NOx的控制技術是相當重要的。煤燃燒的氮氧化物形成實際上是一個非常復雜的過程，與煤種、燃燒方式及燃燒過程的控制密切相關。對于各種不同的煤種的原始NOx排放情況，一般來說無煙煤燃燒時的NOx排放量最大，褐煤燃燒時為最小，這不但與煤種有關，更重要的是與煤的燃燒方式有關，煤中的揮發(fā)分越低，燃燒時為了燃燒的要求，組織的燃燒溫度越高，同時風量一般也最大，就形成了原始的NOx排放也越高。圖3-5所示的是不同的燃煤鍋爐爐型所產(chǎn)生的原始NOx排放量的狀況，從圖中可以看來，對于循環(huán)流化床鍋爐具有最好的低NOx排放性能，原始排放量最大的是液態(tài)排渣煤粉爐，這也是為什么目前液態(tài)爐用得不多的原因之一。圖3-6進一步給出了都是煤粉爐不同燃燒方式的條件下的NOx排放量，從圖中可以看出，從NOx原始排放量來看，最佳的是固態(tài)排渣的切向燃燒鍋爐，這類鍋爐也是煤粉爐中應用最廣的一種爐型。在圖3-6中同時還給出了為了滿足環(huán)保要求，不同爐型的NO排放控制要求的簡單線算方法，因此通過這張圖就可以初步判斷用什么方x法可以達到排放的要求。二、燃煤鍋爐的低NO燃燒技術x低NOx燃燒技術就是根據(jù)NOx的生成機理，在煤的燃燒過程中通過改變?nèi)紵龡l件、或合理組織燃燒方式等方法來抑制NOx生成的燃燒技術。正如前文所述，在燃煤過程中燃料型NOx，尤其是揮發(fā)分NOx的生成量占的比例最大，因此低NOx燃燒技術的基本出發(fā)點就是抑制燃料型NOx的生成。根據(jù)燃料型NOx的生成機理，可以將其生成過程歸納為如下競爭反應燃料氮flI+ROrNO*…（R1）I+NOrN2+…（R2）其中I代表含氮的中間產(chǎn)物（N、CN、HCN和NH/RO代表含氧原子的化學組分（OH，O,O2）。反應R1是指含氮的中間產(chǎn)物被氧化生成NOx的過程，反應R2指生成的NOx被含氮中間產(chǎn)物還原成七的反應。因此抑制燃料型NOx的生成，就是如何設計出使還原反應R2顯著的優(yōu)先于氧化反應R1的條件和氣氛。除此之外，抑制熱力型NOx的生成也能在一定程度上減小NOx的排放量，只是效果很小。一般來講抑制熱力型NOx的主要原則是：降低過量空氣系數(shù)和氧氣的濃度，使煤粉在缺氧的條件下燃燒；降低燃燒溫度并控制燃燒區(qū)的溫度分布，防止出現(xiàn)局部高溫區(qū)；縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時間。顯然，以上原則多數(shù)與煤粉爐降低飛灰含碳量、提高燃盡率的原則相矛盾，因此在設計開發(fā)低NOx燃燒技術時必須全面考慮。目前常見的低NOx燃燒技術主要有：低NOx燃燒器技術、空氣分級燃燒技術、燃料分級燃燒技術（乂稱再燃技術）和煙氣再循環(huán)技術。各項技術的利用方式也不同，在燃煤鍋爐中的布置位置也不同，如圖3-7所示。1、煙氣再循環(huán)技術煙氣再循環(huán)法是指將一部分燃燒后的煙氣再返回燃燒區(qū)循環(huán)使用的方法。由于這部分煙氣的溫度較低（140?180。0、含氧量也較低（8%左右），因此可以同時降低爐內(nèi)的燃燒區(qū)溫度和氧氣濃度，從而有效地抑制了熱力型NOx的生成。循環(huán)煙氣可以直接噴入爐內(nèi)，或用來輸送二次燃料，或與空氣混合后摻混到燃燒空氣中，工業(yè)實際中最后一種方法效果最好，應用也最多，如圖3-8所示。用于再循環(huán)的煙氣量與不采用再循環(huán)時的總煙氣量的比值稱為再循環(huán)率，再循環(huán)率與NOx排放量的關系如圖3-9。但是，再循環(huán)率的提高是有限度的，循環(huán)煙量的增加，入口處速度增大，會使燃燒趨于不穩(wěn)定，發(fā)生脫火現(xiàn)象同時增加了未完全燃燒的熱損失；一般再循環(huán)率控制在15%?20%，此時NOx排放可以降低25%左右。另外該法需要添加配套設備如風機、風道等，使系統(tǒng)變得復雜并增加了投資，對于舊機組改造時往往受到場地的限制。由于熱力型NOx在燃煤鍋爐中生成比例較小，所以該方法對降低總NOx排放的效果也相對較小。另外必須注意的是，采用煙氣再循環(huán)技術雖然降低了燃燒溫度和氧氣濃度，但也從而造成未燃炭的增加2、空氣分級燃燒技術空氣分級燃燒技術是目前最為普遍的低NOx燃燒技術，它是通過調(diào)整燃燒器及其附近的區(qū)域或是整個爐膛區(qū)域內(nèi)空氣和燃料的混合狀態(tài)，在保證總體過量空氣系數(shù)不變的基礎上，使燃料經(jīng)歷“富燃料燃燒”和“富氧燃盡”兩個階段，以實現(xiàn)總體NOx排放量大幅下降的燃燒控制技術。空氣分級燃燒之所以能從總體上減少NO排放的基本原理是:在富燃料燃燒階段，x由于氧氣濃度較低，燃料的燃燒速度和溫度都比正常過氧燃燒要低，從而抑制了熱力型NOx的生成，同是由于不能完全燃燒，部分中間產(chǎn)物如HCN和NH3會將部分己生成的NOx還原成七，從而使燃料型NOx的排放也有所減少。然后在富氧燃燒階段，燃料燃盡，但由于此區(qū)域的溫度已經(jīng)降低，新生成的NOx量十分有限，因此總體上NO、的排放量明顯減少。在空氣分級燃燒技術中，合理的分配兩級燃燒的過量空氣系數(shù)是影響NOx排放控制效果的關鍵因素。經(jīng)驗表明：富燃料區(qū)的過量空氣系數(shù)如果太低，煤粉不易點燃而且燃燒不穩(wěn)定；如果太高，^UNO的生成量也會上升，一般取左右。根據(jù)分級燃燒x實現(xiàn)的區(qū)域和方式，可大致分為通過燃燒器設計實現(xiàn)空氣分級、通過加裝一次風穩(wěn)燃體實現(xiàn)空氣分級和通過爐膛布風實現(xiàn)空氣分級三類。①通過燃燒器設計實現(xiàn)空氣分級。對煤粉爐來講，燃燒器是燃燒系統(tǒng)中最為重要的設備，它的結構和布置直接決定了燃料和空氣的混合情況，從而影響到燃料的著火及燃燒過程。不管是何種燃燒器，空氣的送入通常都已經(jīng)分了一次風、二次風和三次風等，這為進一步的分級燃燒降低NOx的形成創(chuàng)造了良好的條件。因此可以通過燃燒器設計來實現(xiàn)空氣分級燃燒，彩圖2是正在安裝中的低氮氧化物燃燒器。在所利用不同方法實現(xiàn)降低NOx排放的燃燒器，即低NOx燃燒器（LNB）中，空氣分級方式是最為常見的。對于直流燃燒器和旋流燃燒器，其組織煤粉燃燒的方式不同，一般直流燃燒器采用四角切圓布置，通過整體火焰發(fā)生旋轉(zhuǎn)來強化煤粉和空氣的混合；而旋流則采用墻式燃燒，通?？慷物L的旋轉(zhuǎn)來使氣流強烈混合。由此采用兩類燃燒器產(chǎn)生生的混合和燃燒情況是不相同的，所以采用的空氣分級方式也不一樣。如圖3-10所示，同軸燃燒技術乂有兩種形式：一種是使同軸的兩個切圓旋轉(zhuǎn)方向同向；另一個則是反向。一般同向時會加劇爐內(nèi)整體旋轉(zhuǎn)的動量，引起爐膛出口煙氣與空氣的混合。在實際應用中，經(jīng)常在爐內(nèi)的不同高度分別布置反向和正向切圓，既可以使混合程度加強，也可以互相產(chǎn)生抵消降低爐內(nèi)整體的旋轉(zhuǎn)。如圖3-11為某燃燒煙煤的300MW鍋爐同軸燃燒系統(tǒng)中一次風、二次風的布置，其各層的二次均采用反向的方式。b.直流燃燒器濃淡燃料燃燒技術。燃料濃淡燃燒的基本原理是在燃燒器噴口前，經(jīng)過慣性分離等方法使一次煤粉氣流分離成煤粉濃度不同的兩股煤粉氣流，一股煤粉氣流實現(xiàn)富燃料燃燒，其火焰穩(wěn)定，有利于著火過程，同時由于其相對含氧量低，可有效控制燃料型NOx的形成；另一股煤粉氣流進行貧燃料燃燒，燃燒溫度較低，可使熱反應型NOx生成量減少，然后再混合完成整個燃燒過程。通常燃料可以在水平或是垂直方向上實現(xiàn)濃淡分離。水平濃淡燃燒方式見圖3-12。將濃相煤粉氣流噴向向火側，稀相煤粉氣流噴向背火側，形成內(nèi)濃外稀兩層切圓的分級燃燒方式。垂直濃淡燃燒方式是將一次煤粉氣流分離成兩股后，將原來的一個一次風噴口分成垂直方向分開有一定距離的上下兩個噴口，從而形成上下濃淡的燃燒方式。圖3-13所示為日本三菱公司的PM型低NOx燃燒器，這是一種典型的垂直濃淡燃燒技術。一次風和煤粉混合氣流在進入燃燒器前，先經(jīng)過一個彎頭進行慣性分離，因煤粉的密度大于氣體而因慣性分離成濃煤粉氣流進入上面的燃料相對富的噴口，而相對煤粉濃度較低的煤粉氣流進入下面的貧燃料噴口，從而實現(xiàn)了上下垂直濃淡燃燒。實驗表明這種濃淡燃燒方式可以降低NOx的排放30%左右。c.旋流燃燒器空氣分級技術。旋流燃燒器是更為廣泛應用于燃煤鍋爐的燃燒器形式，它一般采用墻式燃燒。傳統(tǒng)的旋流燃燒器的特點是一次風煤粉氣流以直流或旋流的方式進入爐膛，二次風從煤粉氣流的外側轉(zhuǎn)進入爐膛。射流的強烈旋轉(zhuǎn)使兩股氣流進入爐膛后立即強烈混合，卷吸大量易著火的高溫煙氣，在著火端形成氧氣過量的燃燒區(qū)域，而且火焰短，放熱集中，易出現(xiàn)局部的火焰峰值區(qū)，所以傳統(tǒng)的旋流燃燒器比四角直流燃燒的NOx排放量高的多。因此為了降低其NOx的排放量，關鍵是需要盡可能延長煤粉燃燒時與二次風混合的時間，避免形成高溫富氧的環(huán)境。圖3-14為低NOx旋流燃燒器的基本設計原理，煤粉和一次風在燃燒器噴嘴處附近形成高溫氣氛區(qū)I、11。在區(qū)域I內(nèi)，煤粉迅速燃燒，并發(fā)生熱分解過程釋放出氮氣。在區(qū)域II,外部葉輪強力的空氣旋轉(zhuǎn)力形成內(nèi)部高循環(huán)區(qū)域，大量的NOx在這個區(qū)域形成。在區(qū)域III,由內(nèi)部葉輪產(chǎn)生的高溫空氣促進了揮發(fā)分燃燒，確?；鹧娴姆€(wěn)定性，同時造成內(nèi)部環(huán)境的高溫化。而在區(qū)域困，通過外側葉輪進入的空氣在局部范圍形成了燃料過剩區(qū)，從而迫使釋放出來的燃料氮向N2還原。提高燃料的溫度可以使煤炭中揮發(fā)性氣體的發(fā)生量增加，同時煤炭中揮發(fā)性氮化合物的釋放量也增加，這些化合物在還原性氣氛下均可被還原為N2。因此高溫下燃料過剩區(qū)的形成起著極為關鍵的作用。低NOx旋流燃燒器目前應用較廣，表3-1是幾種常見的低NOx旋流燃燒器的制造商及其主要特點。圖3-15、圖3-16分別是DRB型和NR型典型的結構圖。②通過加裝一次風穩(wěn)燃體實現(xiàn)空氣分級燃燒。在燃燒器噴口處增設不同形狀的穩(wěn)燃體不僅可以起到穩(wěn)定燃燒和強化著火的作用，同時可以改變噴口區(qū)域空氣與煤粉的混合和流動狀態(tài)，使之在某些區(qū)域首先發(fā)生富燃料反應，因此也是一種簡單的分級燃燒方式。其中比較典型的有清華大學開發(fā)的火焰穩(wěn)定船低NOx燃燒技術。該技術在直流燃燒器噴口附近增設了一個類似于船體的穩(wěn)燃體，由于它是研究直流燃燒器在低負荷下燃燒低質(zhì)煤穩(wěn)燃問題時的成果，因此稱之為船形穩(wěn)定器。但在研究中發(fā)現(xiàn)它除了能夠穩(wěn)燃以外，還具有降低NOx生成的效果。如圖3-17所示是該技術在燃燒大同煙煤時實測的溫度分布，以及通過數(shù)值計算得到的煤粉高濃度區(qū)?？梢钥吹接捎跉饬靼l(fā)生彎曲，部分慣性較大的煤粉發(fā)生分離并形成富燃料區(qū)，這里的溫度在900?1000°C，既能保證煤的燃燒，還能有效地控制NO的生成。隨著燃燒的進行煤粉同是向前運動，與外部的空氣混合并完全燃燒。x這正符合空氣分級的原理。圖3-18所示為在有船體和無船體兩種情況下，NOx排放濃度的測量結果，可以看出整體上增加了船體后NOx排放降低了40%左右。1998年年底北京市實行嚴格的控制大氣污染的28條措施，其中之一就是在電站鍋爐上采用這種燃燒器，應用表明，該技術降低NOx的排放可達35%以上。③通過爐膛布風實現(xiàn)空氣分級燃燒。僅通過燃燒器周圍進行分級燃燒，燃料在富燃料區(qū)停留時間往往不夠，NO的還原還未達到平衡，而且富氧區(qū)的溫度較高，燃x料燃燒會有新的NOx生成，因此NOx的最終排放量下降幅度不是很大。通過爐膛布風空氣分級燃燒將范圍擴大到接近整個爐膛，可以合理地控制燃料在富燃料區(qū)的停留時間，并使富氧區(qū)的溫度降得更低。其基本方法是，使燃燒器附近的空氣過量系數(shù)控制在左右，發(fā)生富燃料燃燒。然后在燃燒器上方通入剩余空氣，在第一段燃燒區(qū)所生成的煙氣混合，在富氧的條件下完成全部燃燒過程。在工業(yè)上第二段通入的空氣乂稱火上風OFA(overfireair)。其示意圖3-19中SOFA即采用爐膛布風時的火上風。由于燃燒器附近均為還原性氣氛，灰熔點比氧化氣氛中降低100?120°C，容易引起結渣和水冷壁高溫腐蝕，因此盡可能防止高溫還原性氣流和爐墻接觸，工業(yè)上常采用的方法是通邊界風“boundaryair”，在爐底或側墻上布置風口，讓空氣沿爐墻上升，保持水冷壁表面的氧化性氣氛防止結渣和水冷壁的高溫腐蝕。在同等條件下，僅采用這種方式進行分級燃燒，也可以減少20%?30%的NO、排放量，在實際工程中，往往將它與低NOx燃燒器同時應用，以提高降低NOx排放的效果。這類方法對于直流四角燃燒鍋爐和旋流燃燒鍋爐均可采用。3、燃料分級燃燒技術在空氣分級燃燒技術中，煤粉先進行的是富燃料燃燒，不利于點燃和穩(wěn)定燃燒，為此燃料再燃燒技術采用的是另一個思路，即煤粉先經(jīng)過完全燃燒，生成NOx，然后現(xiàn)利用燃料中的還原性物質(zhì)將其還原，從而減少NOx排放。與空氣分級燃燒技術類似，燃料再燃燒技術有通過燃燒器實現(xiàn)燃料分級和爐膛內(nèi)燃料再燃兩類通過燃燒器實現(xiàn)燃料分級。燃料分級燃燒器原理就是在燃燒器內(nèi)將燃料分級供入，使一次風和煤粉入口的著火區(qū)在富氧條件下燃燒，提高了著火的穩(wěn)定性，然后再與上方噴口進入的再燃燃料混合，進行再燃。此類燃燒器中最具代表性的是德國Steinmuller公司MSM低NO、燃燒器，由于應用并不廣，這里不詳細介紹。爐膛內(nèi)燃料再燃。如圖3-20，燃料再燃法將整個爐膛分成了主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)三個部分。在主燃區(qū)，約80%的燃料在富氧條件下點燃并完全燃燒，此處的過量空氣系數(shù)保持大于1，生成一定NOx；其余的燃料在再燃區(qū)送入，與主燃區(qū)生成煙氣及未燃盡煤?；旌?，形成還原性氣氛，此處的總的過量空氣系數(shù)小于1。燃料中的C、CO、烴以及部分還原性氮，將NOx還原成分子氮，如最后在再燃區(qū)的上方通入過量空氣（火上風），使總的過量空氣系數(shù)大于1，使未燃燒的燃料完全燃燒，因此稱為燃盡區(qū)。但由于此時的溫度已經(jīng)降低，NOx生成量并不大。燃料再燃燒法的再燃燃料可以選用煤粉、天然氣或燃料油等。由于再燃區(qū)范圍往往較窄，燃料的停留時間較短，因此再燃燃料需要容易著火，如果選用煤粉，通常采用高揮發(fā)分的煤種，且磨制成超細粉，這往往使工藝復雜，成本提高。所以采用天然氣再燃其工藝就比較簡單，同時天然氣中雜質(zhì)氮很少，本身燃燒不會增加NOx的生成，是比較有效的二次燃料。三、低NO燃燒技術

x隨著針對NOx排放的控制標準越來越嚴格，單一低NOx燃