中小型燃氣鍋爐低氮排放的幾種解決方案

1、編號：SM-ZD-58217中小型燃氣鍋爐低氮排放的幾種解決方案Through the process agreeme nt to achieve a uni fied action policy for differe nt people, so as tocoord in ate acti on, reduce bli ndn ess, and make the work orderly.編制：審核：批準：本文檔下載后可任意修改精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE中小型燃氣鍋爐低氮排放的幾種解決方案簡介：該方案資料適用于公司或組織通過合理化地制定計劃，達成上下級或不同的人員

2、 之間形成統(tǒng)一的行動方針，明確執(zhí)行目標，工作內(nèi)容，執(zhí)行方式，執(zhí)行進度，從而使整 體計劃目標統(tǒng)一，行動協(xié)調(diào)，過程有條不紊。文檔可直接下載或修改，使用時請詳細閱 讀內(nèi)容。一、低氮燃燒的必要性減少NOx排放是改善環(huán)境空氣質(zhì)量的需要近年來的監(jiān) 測數(shù)據(jù)表明，典型特征污染物PM2.5出現(xiàn)較大超標比例和區(qū)域性長時間嚴重超標情況，改善環(huán)境空氣質(zhì)量面臨巨大挑 戰(zhàn)。國內(nèi)外研究和治理經(jīng)驗表明，控制區(qū)域性PM2.5污染是一項難度非常大的系統(tǒng)工程，必須在綜合分析基礎(chǔ)上，提 出有針對性的控制對策，才能有效緩解區(qū)域PM2.5污染。PM2.5包括一次排放和二次生成粒子兩部分，以北京為例，二次粒子比例較高，特別是重污染時段 P

3、M2.5中二次粒 子比例較常規(guī)時段明顯增加。有觀測數(shù)據(jù)表明，重污染發(fā)生 時PM2.5與NOx的環(huán)境質(zhì)量濃度變化呈現(xiàn)強相關(guān)、同步變 化的特征NOx是PM2.5的重要前體物，在形成過程中有兩個作 用：一是反應(yīng)生成的 NO3-是二次粒子的重要化學組分 ；二是 通過光解鏈式反應(yīng)生成 O3-,增加大氣氧化性，提供將SOx、 NOx氧化生成 SO42-和NO3-的氧化劑。美國加州利用 CAMQ模型模擬削減一次排放的NOx對PM2.5的影響，結(jié)果是每減少 1噸NOx排放可減少約 0.13噸PM2.5。北 京最新研究結(jié)果表明，二次粒子是目前PM2.5的主要貢獻者，且比20xx年有明顯上升，主要成分為水溶性離子

4、（占53%）、地殼元素（占22%）、有機質(zhì)（占20%）和元素碳（占3%）， 其他未知元素約占 2%，且NO3-/SO42-比例關(guān)系呈現(xiàn)增 加趨勢。水溶性離子中以 SO42-、NO3-和NH4+為主，三 者之和（SNA）占PM2.5的比例平均近 50%，SNA的濃度貢 獻是造成PM2.5污染的主要原因。因此，減少NOx排放是改善空氣環(huán)境質(zhì)量的重要任務(wù)之一。二、低氮燃燒機理及技術(shù)研究1、甲烷-空氣燃燒過程氮化學基本原理NOx(Thermal燃燒理論將 NOx的生成分為熱力型NOx)、快速型 NOx(Prompt NOx)和燃料型 NOx(FuelNOx)。天然氣中含氮量較低，因此，燃料型NOx不是

5、其主要的控制類型。熱力型 NOx是指燃燒用空氣中的 N2在高 溫下氧化生成NOx。關(guān)于熱力型NOx的生成機理一般采用 捷里道維奇機理：當溫度低于1500 C時，熱力NOx的生成 量很少;高于1500 C時，溫度每升高100 C,反應(yīng)速度將增 大67倍。在實際燃燒過程中，由于燃燒室內(nèi)的溫度分布是 不均勻的，如果有局部高溫區(qū)，則在這些區(qū)域會生成較多的 NOx，它可能會對整個燃燒室內(nèi)的NOx生成起關(guān)鍵性的作用?？焖傩蚇Ox在碳氫燃料燃燒且富燃料的情況下，反應(yīng) 區(qū)會快速生成NOx。在實際的燃燒過程中各種因素是單獨變 化的，許多參數(shù)均處于不斷的變化中，即使是最簡單的氣體 燃料的燃燒，也要經(jīng)歷燃料和空氣相

6、混合，燃燒產(chǎn)生煙氣， 直到最后離開爐膛。爐膛的溫度、燃料和空氣的混合程度、 煙氣在爐內(nèi)停留時間等這些對NOx排放有較大影響的參數(shù)均處于不斷的變化之中。燃料和空氣混合物進入爐膛后，由于受到周圍高溫煙氣 的對流和輻射加熱，混合物氣流溫度很快上升。當達到著火第5頁/總11頁FS 精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE溫度時，燃料開始燃燒，這時溫度急劇上升到近于絕熱溫度 水平。同時，由于煙氣與周圍介質(zhì)間的對流和輻射換熱，溫 度逐漸降低，直到與周圍介質(zhì)溫度相同，也即煙氣邊冷卻邊 流過整個爐膛。由此可見，爐內(nèi)的火焰溫度分布實際上是不 均勻的。通常，離燃燒器出口一定距離處的溫度最高，在其 前后

7、的溫度都較低，即存在局部高溫區(qū)。由于該區(qū)的溫度要 比爐內(nèi)平均溫度水平高得多，因此它對NOx生成量有很大的影響：溫度越高，NOx生成量越多。因此，在爐膛中，為 了抑制NOx的生成，除了降低爐內(nèi)平均溫度外，還必須設(shè) 法使爐內(nèi)溫度分布均勻，避免局部高溫。2、國內(nèi)外燃氣工業(yè)鍋爐NOx控制技術(shù)現(xiàn)狀現(xiàn)有低NOx燃燒技術(shù)主要圍繞如何降低燃燒溫度，減 少熱力型NOx生成開展的，主要技術(shù)包括分級燃燒、預(yù)混 燃燒、煙氣再循環(huán)、多孔介質(zhì)催化燃燒和無焰燃燒。(1) 燃料分級燃燒或空氣分級燃燒熱力型NOx生成很大程度上取決于燃燒溫度。燃燒溫 度在當量比為1的情況下達到最高，在貧燃或者富燃的情況 下進行燃燒，燃燒溫度會下

8、降很多。運用該原理開發(fā)出了分 級燃燒技術(shù)?？諝夥旨壢紵谝患壥歉蝗剂先紵?，在第二級加入過量 空氣，為貧燃燃燒，兩級之間加入空氣冷卻以保證燃燒溫度 不至于太高。燃料分級燃燒與空氣分級燃燒正好相反，第一 級為燃料稀相燃燒，而在第二級加入燃料使得當量比達到要 求的數(shù)值。這兩種方法最終將會使整個系統(tǒng)的過量空氣系數(shù) 保持一個定值，為目前普遍采用的低氮燃燒控制技術(shù)。(2) 貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)預(yù)混燃燒是指在混合物點燃之前燃料與氧化劑在分子層面上完全混合。對于控制NOx的生成，這項技術(shù)的優(yōu)點是可以通過當量比的完全控制實現(xiàn)對燃燒溫度的控制，從而 降低熱力型NOx生成速率，在有些情況下，預(yù)混燃燒和部 分預(yù)混可比非預(yù)

9、混燃燒減少 85% 90%的NOx生成。另外， 完全預(yù)混還可以減少因過量空氣系數(shù)不均勻性所導致的對 NOx生成控制的降低。但是，預(yù)混燃燒技術(shù)在安全性控制上 仍存在未解決的技術(shù)難點：一是預(yù)混氣體由于其高度可燃性 可能會導致回火；二是過高的過量空氣系數(shù)會導致排煙損失 的增加，降低了鍋爐熱效率。(3) 外部煙氣再循環(huán)和內(nèi)部煙氣再循環(huán)技術(shù)燃燒溫度的降低可以通過在火焰區(qū)域加入煙氣來實現(xiàn)， 加入的煙氣吸熱從而降低了燃燒溫度。通過將煙氣的燃燒產(chǎn) 物加入到燃燒區(qū)域內(nèi)，不僅降低了燃燒溫度，減少了 NOx生 成;同時加入的煙氣降低了氧氣的分壓，這將減弱氧氣與氮氣生成熱力型NOx的過程，從而減少NOx的生成。根據(jù)應(yīng)

10、用 原理的不同，煙氣再循環(huán)有兩種應(yīng)用方式，分別為外部煙氣 再循環(huán)與內(nèi)部煙氣再循環(huán)。對于外部煙氣再循環(huán)技術(shù)來說，煙氣從鍋爐的出口通過 一個外部管道，重新加入到爐膛內(nèi)。根據(jù)研究，外部煙氣再 循環(huán)可以減少70%的NOx生成。外循環(huán)比例對 NOx控制 效果也有較大影響，隨著外循環(huán)比例的增加NOx降低幅度也更加明顯，但循環(huán)風機電耗也將增加。對于內(nèi)部煙氣再循環(huán)，煙氣回流到燃燒區(qū)域主要通過燃 燒器的氣體動力學。內(nèi)部煙氣再循環(huán)主要通過高速噴射火焰 的卷吸作用或者旋流燃燒器使得氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)達到循環(huán)效第9頁/總11頁FS 精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE通過運用一個旋流器或者切向氣流進口來生成

11、一個有 切向速度的氣流，旋轉(zhuǎn)過程即產(chǎn)生了渦流。渦流的強度可以 用一個無量綱數(shù)旋流度 S表示。當旋流度超過 0.6，氣流中 將會產(chǎn)生足夠的徑向和軸向壓力梯度，這會導致氣流反轉(zhuǎn)， 在火焰中心產(chǎn)生一個環(huán)形的再循環(huán)區(qū)域。中心再循環(huán)區(qū)域的 高溫氣體將回到燃燒器喉部，這確保了對冷的未燃燒氣體的 點火，同時通過降低火焰溫度和降低氧氣分壓減少NOx生成。(4) 多孔介質(zhì)催化燃燒降低火焰溫度的另一個辦法就是盡可能快和多的加強火焰對外的傳熱。在燃燒器內(nèi)增加了多孔介質(zhì) (PIM)，使得燃 燒反應(yīng)發(fā)生在多孔介質(zhì)內(nèi)，這樣從燃燒器到周圍環(huán)境的輻射 和對流換熱就被加強了。實驗表明，使用PIM燃燒器的燃燒溫度低于1600K，

12、NOx生成量在5-20ppm 左右。PIM燃燒器還可以在燃燒器入口處添加催化劑，這樣燃料分子和氧化劑分子就會以一個比較低的活化能在催化劑 表面進行反應(yīng)。這樣反應(yīng)溫度相比于同類的燃燒要更低。由 于反應(yīng)過程只在催化劑表面進行，不會產(chǎn)生NOx，這樣催化 燃燒的NOx生成可以降至1ppm。催化燃燒的缺點就是必 須保證活性表面在一個比較低的溫度下不被氧化或蒸發(fā)，且 催化劑造價相對較高，難以得到工業(yè)化應(yīng)用。(5)無焰燃燒傳統(tǒng)的火焰燃燒分為預(yù)混燃燒和擴散燃燒，其主要特點 包括：燃料與氧化劑在高溫下反應(yīng)，溫度越高越有助于火 焰的穩(wěn)定;火焰面可視(甲烷燃燒的火焰一般為藍色，有碳 煙產(chǎn)生時為黃色二大多數(shù)燃料在很薄

13、的火焰層內(nèi)完成燃燒， 但是燃燒反應(yīng)會在下游的不可見的區(qū)域內(nèi)完成。為了建立一個火焰，燃料與氧化劑之比必須在可燃極限 之內(nèi)，同時需要點火裝置。一般情況下，火焰在點燃以后一 般自己充當點火器，對來流進行點火。這就需要足夠高的火 焰溫度來達到最小點火能量，但是高的火焰溫度會使得 NOx生成增加。經(jīng)研究，在爐內(nèi)溫度為 1000 C,空氣預(yù)熱到 650 C的 情況下，燃料在無焰的情況下燃燒，一氧化碳低于1ppm ,NOx接近于零排放。為了穩(wěn)定火焰，可視的燃燒過程需要在燃燒后產(chǎn)生很強 第11頁/總11頁精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE的煙氣回流；對于無焰燃燒，煙氣回流發(fā)生在燃燒之前， 甚

14、至 可能在燃燒器當中，這樣再循環(huán)的煙氣加熱了預(yù)混的燃料， 降低了爐膛溫度，擴大了反應(yīng)區(qū)域。無焰燃燒火焰分布均勻， 燃燒溫度低，同時羥基生成少， 這使得NOx產(chǎn)生更少。無焰燃燒需要以下條件：分別射 入高動量的空氣和燃料流 ；大量內(nèi)部的或者外部的高溫燃 燒產(chǎn)物循環(huán)；熱量的快速移除，以保證爐膛內(nèi)各處均未達到 絕熱火焰溫度。無焰燃燒不需要傳統(tǒng)的穩(wěn)燃裝置或條件（比如強渦）。三、全預(yù)混表面燃燒技術(shù)降低NOx排放的可行性及實現(xiàn)方式“全預(yù)混金屬纖維表面燃燒技術(shù)”將空氣和天然氣在進 入燃燒室之前按比例完全混合，使天然氣充分燃燒的同時， 降低火焰溫度以減少 NOx的產(chǎn)生，使NOx在運行工況下最 高排放可控制到30ppm 以下；同時還降低空氣的需求量， 提 高煙氣的露點，使煙氣盡早進入冷凝階段，以進一步提高燃 燒效率。國外的金屬纖維燃燒器產(chǎn)