电站燃煤锅炉低NOX燃烧技术

电站燃煤锅炉低NOX燃烧技术一、煤粉燃烧过程中NOX的生成途径煤粉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为NOX。其中NO约占95%以上。煤粉燃烧过程中因NOX的生成机理不同可分为热力NOX、燃料NOX和快速NOX。热力NOX：热力NOX是燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物。燃料NOX：燃料NOX是燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化形成的氮氧化物。快速NOX：快速NOX是碳氢化合物在燃烧时分解的中间产物与N2反应得到。在煤粉的燃烧过程中，燃料NOX约占7090%，热力NOX约占1030%，快速NOX所占比例5%，通常被忽略。1．影响热力NOX生成的主要因素热力NOX起源于空气中的N2，主要是在1800K以上的高温区产生，其化学反应为N2+O=NO+NN+O2=NO+H上述反应在高温下的特点是正反应速度比逆反应速度快，且与反应温度、反应时间和O2的浓度成正比，因此影响热力NOX生成有温度：在燃烧过程中，温度越高，生成的NOX量越大。煤粉锅炉中的燃烧温度通常高于1500℃，因此易产生较多的NOX。过剩空气系数：由于O2的浓度对热力NOX有直接的影响，因此过剩空气系数对NOX有着明显的影响。在煤粉锅炉燃烧过程中，当=1.1~1.2范围时，NOX的生成量最大，而偏离这个范围时，NOX的生成量会明显减少。时间：当N和O处于高温区的时间越长，N和O的反应越充分，则生成的NOX越多。煤中的含氮量约在0.43%，这些氮在燃烧中被分解后释放，形成NHi、HCN等中间产物，通过与OH、O、O2等进行反应，一部分转换为NO，其余的还原成N2。因此，燃煤中的含N量越高，燃烧过程中煤中N转化为NOX也就越多。2．影响燃料NOX生成的主要因素由于燃料氮在较低的温度下分解，所以燃料NOX的生成对温度的依赖性比较低。研究表明，当燃料过浓时，即当量比较大时，燃料氮向NO的转化率减小，在=1.4时达到最小值。煤粉燃烧过程中生成的燃料NOX源于煤中挥发分所含氮和焦炭所含氮，焦炭中的氮向NOX的转化率很低，主要还是挥发分中的氮燃烧生成NOX。挥发分NOX的多少，将具体取决于下述三个因素：着火区段中挥发分释出量挥发分释出量越多，较多的燃料N以气相释出转入挥分中，因而生成的挥发分NOX也越多。而挥发分释出量与煤种和热解温度有关，煤种挥发分高，热解温度高，则挥发分释出量多，因而挥发分NOX也多。着火段中的氧浓度氮化合物只有经过氧化反应才能生成NOX。着火段中氧浓度增加，则挥分发分NOX增加。反之，当氧浓度减少，挥发分N不易转变成NOX；且由于此时挥发分N浓度较高，挥发分N的相互复合反应以及对NOX的还原反应增强，使挥发分NOX减少。在着火段中的停留时间在空气较多时，燃料氮释出并转变成NO需要一定的时间，若在着火段中停留时间较长，则生成的NOX增加.在富燃工况下，氮化合物的还原分解或相互复合反应增强，着火段中停留时间长，使NO和HCN，NH3等得到充分分解和复合反应，则挥发分NOX减少。3.炉内NOX的生成特性煤粒在炉内的燃烧过程可以分为三个阶段：初始阶段，温度低，反应十分缓慢；挥发分释出并着火燃烧阶段，温度急剧升高；焦炭燃尽阶段，氧气浓度浓度减少，氧化反应减慢。三个阶段的NOX的生成或分解反应有所不同第一阶段，NOX的生成或分解都很少；第二阶段，温度很高，氧浓度大，NOX的生成和分解反应都进行得很快，但NOX的生成反应要快得多，因而NOX浓度急剧增加。也有部分NOX转变成N2。当炉温达到最高值时，NOX浓度也达到最大值；第三阶段，进入焦炭燃尽阶段，氧浓度减少，这时虽然不断地生成焦炭NOX，但是，已经生成的NOX中有部分被焦炭还原分解生成N2而逐渐减少。挥发分NOX和焦炭NOX情况的说明：挥发分NOX是燃料NOX的主要组成部分，它是在燃烧初始阶段形成的，也即在距燃烧器很近的地方生成的。所以，燃烧器运行工况变化将影响挥发分NOX的多少。换句话说，可以通过改进燃烧器的设计与运行工况来控制燃料与空气的混合程度，从而使挥发分NOX减少。炉内NOX的生成特征(a)NOX生成过程(b)燃料N向NOX和N2的转变率焦炭NOX是在火焰尾部生成，这时燃料与空气已混合在一起，所以，改变燃烧器运行工况对焦炭NOX生成的影响不大。因此，焦炭NOX一般不容易控制。由于焦炭可将已生成NOX还原分解，故NOX减少，焦炭NOX的转变率较低，约为12~16%。即使挥发分NOX的转变率较高，但总的燃料NOX的转变率也只有20~50%。其主要与燃料中含N量、挥发分、过剩空气系数和燃烧温度等因素有关。燃煤火焰对NOX的影响4.煤粉燃烧过程中热力NOx与燃料NOx的有关影响因素：炉温在煤粉锅炉中，最高温度Tmax=1600℃，与煤种及燃烧工况有关。炉温较高，故热力NOX比例较大；当燃用褐煤和其他劣质煤时，炉温度低，热力NOX较少，燃料NOX相对较多。快速NOX一般均很少。过剩空气系数对燃料NOX和热力NOX都有影响，当值增加时，热力NOX增加。当1.1时，由于炉温降低，热力NOX渐趋于下降；但燃料NOX则随的增大而继续上升；因此，总的NOX随的增加而增加，而后渐趋平缓。燃煤性质的影响燃煤挥发分和含N量对热力NOX转变率、燃料NOX转变率以及总的NOX转变率的影响。当燃煤挥发分增加时，由于着火提早，温度峰值和平均温度提高，故热力NOX增加，再加以燃料NOX的影响，因此，总的NOX是随挥发分的增加而增加的。对挥发分相同而含N量不同的两种燃料进行试验的结果表明，含N量增加时，燃料NOX增加，而热力NOX很少变化。煤粉细度的影响煤粉越细，被加热得越快，燃烧加快，因而炉内温度峰值和温度水平提高，热力NOX增加。另外，煤粉加热快、温度峰值高，则释出的挥发分多，煤的燃尽度高，而且此时挥发容易与空气混合，因而燃料NOX增加。所以煤粉细度增加，总的NOX是增加的。但是，如果燃用细煤粉采用低氧燃烧，则NOX是减少的。空气预热温度的影响研究表明，如果提高空气预热温度，则煤粉着火提早，这样，提高了炉内温度水平，使热力NOX增加，而且由于提高了燃烧初始区的温度水平，促使挥发分的大量析出，因而挥发分NOX大量增加。所以，风温越高，总的NOX是增加的。二、低NOX煤粉燃烧技术根据前面的分析可知，低NOx燃烧技术的主要途径如下：减少燃料周围的氧浓度。包括减少炉内过剩空气系数，以减少炉内空气总量；或减少一次风量和减少挥发分燃尽前燃料与二次风的掺混，以减少着火区段的氧浓度；在氧浓度较少的条件下，维持足够的停留时间，使燃料中的N不易生成NOX，而且使已生成的NOX经过均相或多相反应而被还原分解；在过剩空气的条件下，降低温度峰值，以减少热力NOX，如采用降低热风温度和烟气再循环等；加入还原剂，使还原剂生成CO，NH3和HCN，它们可将NOX还原分解。降低NOX具体方法是：分级燃烧再燃烧法低氧燃烧烟气再循环低NOX燃烧器1.分级燃烧将燃烧用的空气分两阶段送入，先将理论空气量的80%左右从燃烧器送入，使燃料在缺氧富燃条件下燃烧，燃料燃烧速度和燃烧温度降低，燃烧生成CO；而且燃料中N将分解成大量的HN，HCN，CN，HN3，NH2等，它们相互复合，即：（1）xN+xN→N2+…；（2）N+N→N2它们将已有NOX还原分解，因而抑制了燃烧NOX的生成。然后，将燃烧用空气的剩下部分以二次风形式送入，使燃料进入空气过剩区域(作为第二级)燃尽。虽然这时空气量多，但由于火焰温度较低，所以，在第二级内了不会生成较多的NOX，因而总的NOX生成量是降低的。分级燃烧原理(a)不分级(b)分级(两级)燃烧不分级和分级燃烧时的火焰温度(a)不分级(b)分级燃烧(c)实际运行(1-不分级2-分级)分级燃烧有两类：一类是燃烧室中的分级燃烧；另一类是单个燃烧器的分级燃烧。右图表示不分级和分级燃烧时高火焰温度(温度峰值)的变化。由图可见，火焰温度值降低，故热力NOX降低。由于分级燃烧可以同时明显地降低燃料NOX和热力NOX，因而是一种有效的低NOX燃烧技术，已被得到广泛采用。燃烧室（炉膛）分级燃烧右图表示燃烧室中的分级燃烧情况：燃烧室中的分级燃烧方法是，在主燃烧器上部装设空气喷口。而在燃烧器内供入大约80%的燃烧空气量，使燃烧器区处于富燃状态；剩下的空气则从上部空气喷口供入，使可燃物燃尽。燃烧室内沿高度分成两个区域，即燃烧器附近的富燃区和空气喷口附近的燃尽区。燃烧所用空气量保持一定，第一级过剩空气系数较低，NOX生成量随之降低的。其NOX生成量比一般燃烧工况约降低50%，而这时燃烧仍很稳定。700MW锅炉炉内分级燃烧设计（美国）该锅炉共有56个燃烧器将空气分级引进炉内，NOX可以达到0.151b/106Btu。每列燃烧器上布置一个OFA喷口。单个燃烧器的分级燃烧单个燃烧器的分级燃烧单个燃烧器的分级燃烧有两种形式：一种是内分级混合的方式。这时的一、二次风从燃烧器喷口送入，但二次风被分隔成两股送入，由内通道送入的称内二次风；而由外通道送入的称外二次风。另一种是外分级混合方式。这时，部分二次风是从主火嘴周围的一些空气喷口送入。在上述两种方式下，二次风都是逐渐送入，因而在燃烧器出口附近首先形成富燃区，然后由于二次风的全部混入，使燃料燃尽，形成了燃尽区。燃烧器分级燃烧时，在火焰根部形成富燃区，抑制了燃料NOX的生成。由于二次风延迟与燃料混合，燃烧速度降低，使火焰温度降低，故也抑制了热力NOX的生成。再燃烧法原理图2.再燃烧法（采用天然气或甲烷）再燃烧法的特点是，将燃烧分成三个区域：第一次燃烧区，是氧化性或稍还原性气氛(1)；在第二燃烧区，将二次燃料送入还原性气氛(1)，因而生成碳氢化合物基团，这些基团与第一燃烧区内生成的NO反应，最终生成N2，这个区域通常称为再燃烧区。二次燃料称为再燃燃料；在第三燃烧区，再送入二次风(1)，使燃料燃烧完全，称为燃尽区。再燃法对于单个燃烧器可以分出再燃烧区；对于多个燃烧器，可以在主燃烧区之后分出再燃烧区。再燃法的实际应用：再燃法是在贫燃区的下游处将大约总燃料的15%导入到燃烧区域，形成再燃区，在再燃内（Φ1），通过和碳氢化合物及碳氢化合物的中间产物，如HCN，与NO进行还原反应（逆反应），从而减少NO。在再燃区的燃尽阶段补入空气，使炉内的燃料最终燃尽。采用再燃法技术的锅炉一般都能将NOX的排放量约60%。再燃法降低NOX技术在锅炉中应用右图电站锅炉过剩空气系数与NOX排放量和锅炉经济性的关系(a)1-200MW；2-50MW。(b)500MW燃煤机组锅炉燃烧调整试验结果。3.低氧燃烧低氧燃烧是在炉内过剩空气系数较低的工况下运行。对于燃气与燃煤的扩散火焰，NOX最大量处在1区域，故当减少时，NOX减少。实际锅炉采用低氧燃烧时，可降低NOX，且锅炉排烟热损失减少，对提高锅炉热效率有利；但CO、CnHm、烟黑等有害物质相应增加，飞灰可燃物可能增加，使燃烧效率降低。故在确定低范围时，必须兼顾燃烧效率、锅炉效率和NOX等有害物质最少的要求。液态排渣煤粉炉为10~25%固态排渣煤粉炉则在15%以下燃用着火困难的煤时，由于炉温降低受到燃烧稳定性的限制，故不宜采用。4.烟气再循环将部分低温烟气直接送入炉内，或与空气（一次风或二次风）混合送入炉内。因烟气吸热和稀释了氧浓度，使燃烧速度和炉内温度降低，因而热力NOX减少。NOX的降低与烟气再循环率的关系烟气再循环法特别适用于燃用含N量少的燃料；对于燃气锅炉，NOX降低最显著，可减少20~70%；燃用重油时，NOX减少10~50%；再循环烟气量一般以烟气再循环率r来表示，它是再循环烟气量与无再循环时的烟气量的比值，即当r增加时，NOX减少。当r太大，炉温降低较多，燃烧不稳定，化学与机械不完全燃烧热损失增加。因此，再循环率r一般不超过30%。一般大型锅炉限制在10~20%，这时NOX降低25~35%再