低NOx排放技術(shù)

1、低NO排放技術(shù)浙能溫州發(fā)電有限公司發(fā)電部徐少峰 浙能溫電浙能溫電. . 電站鍋爐NOX排放控制標(biāo)準(zhǔn) 限于成本的考慮，中國火力發(fā)電燃煤鍋爐主要考慮燃燒控制技術(shù)。根據(jù)不同燃煤燃燒時(shí)NOX排放控制可以達(dá)到的技術(shù)水平，確定火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。 火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組氮氧化物最高允許排放濃度執(zhí)行表1規(guī)定的限值。 為了滿足火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的NOX排放要求，國產(chǎn)燃煤鍋爐主要采用低NOX燃燒器和分級(jí)燃燒技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)性最好。表表1 1 火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組氮氧化物最火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組氮氧化物最高允許排放濃度高允許排放濃度 第一節(jié) NOx生成機(jī)理 燃燒過程中生成的氮氧化物主要是NO和

2、NO2，通常把這兩種氮的氧化物稱為NOx。其中NO占90%以上。 由于氮的鍵能不同，以及與氮進(jìn)行反應(yīng)的介質(zhì)成分不同，因而NOx的生成有三種不同的機(jī)理：熱力NOx，它是燃燒過程中空氣里的N2在高溫下氧化而生成的氮氧化物，它占總的氮氧化物的（2050）%；快速NOx，它是燃料中的碳?xì)浠衔顲Hx與空氣中的N2，在過量空氣系數(shù)為（0.70.8）時(shí)，由預(yù)混燃燒生成，其生成地點(diǎn)不是發(fā)生在火焰面的下游，而是在燃燒初期的火焰面內(nèi)部，而且反應(yīng)時(shí)間極短，在實(shí)際燃燒裝置中，快速NOx量很少，就煤粉爐而言，小于5%；燃料NOx，它是燃料中所含的氮化合物，在燃燒過程中氧化而生成的氮氧化物，它占總的氮氧化物的75%左右

3、。1熱力型NOx 熱力型NOx系燃燒過程中空氣中的氮和氧在高溫中生成的NO及NO2總和，其總反應(yīng)方程為： N2+O2=2NO NO+1/2O2=NO2 影響熱力氧化氮生成的主要因素是溫度、氧濃度以及在高溫區(qū)的停留時(shí)間。其中溫度對(duì)熱力NOx生成速率的影響最大，熱力NOx的生成速率與溫度幾乎呈指數(shù)的關(guān)系。氧濃度增大和在高溫區(qū)停留時(shí)間的延長，都會(huì)使熱力NOx生成量增加。在典型的煤粉火焰中，熱力NOx占總NOx排放量的20%左右。對(duì)實(shí)際煤粉鍋爐，燃燒溫度的降低，以及溫度分布均勻化，都能有效地降低熱力NOx的生成。 由于氧原子與N2反應(yīng)的活化能比氧原子與火焰中可燃成分反應(yīng)的活化能高的多，而且氧原子在火焰

4、中存在時(shí)間較短：故火焰不會(huì)產(chǎn)生大量的NO，NO的生成反應(yīng)系在燃料中可以燃燒部分基本燒完之后的高溫區(qū)進(jìn)行。由于熱力型NO生成的活化能很高，在1500以下幾乎觀測(cè)不到NO的生成反應(yīng)，當(dāng)溫度超過1500時(shí)，溫度每上升100，反應(yīng)速度將增加67倍。熱力型NOx可占生成總量的25%30%。 NO生成反應(yīng)速度與溫度呈指數(shù)規(guī)律外，還與N2濃度成正比及O2濃度的平方根成正比，并與停留時(shí)間有關(guān)。要控制熱力型NOx的生成，則必須降低燃燒溫度；避免產(chǎn)生局部高溫區(qū)；縮短煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間以及降低煙氣中氧的濃度。2燃料型NOx 煤中的氮原子與各種碳?xì)浠衔锝Y(jié)合成氮的環(huán)狀或鏈狀化合物，如C5H5N、C6H5NH2等。煤

5、中氮有機(jī)化合物的C-N結(jié)合鍵能較空氣中氮分子的N三N鍵能小得多，在燃燒時(shí)容易分解。從氮氧化物生成的角度看，氧更容易首先破壞C-N鍵與氮原子生成NO。煤燃燒時(shí)燃料型NOX約為NOX生成總量的7590%。在一般燃燒條件下，煤中氮有機(jī)化合物先被分解成氰（HCN）、氨（NH3）和CN等中間產(chǎn)物，作為揮發(fā)分而析出，稱為揮發(fā)分N；而殘留在焦碳中的氮，稱為焦碳N。揮發(fā)N要比其它揮發(fā)分析出要晚一些，一般當(dāng)揮發(fā)分析出1015%時(shí)，揮發(fā)分N才開始析出。燃料N轉(zhuǎn)化為揮發(fā)分N的比例與煤種、析出時(shí)的溫度及加熱速度有關(guān)。在揮發(fā)分氮中，HCN與NH3所占比例與多種因素有關(guān)：對(duì)于煙煤，HCN比例一般大與NH3，劣質(zhì)煙煤則以N

6、H3為主，無煙煤揮發(fā)分N中HCN與NH3均較少；煤中燃料N以芳香環(huán)結(jié)合時(shí)，揮發(fā)分N以HCN為主，燃料N以胺的形式存在時(shí)，NH3是主要的熱解初始產(chǎn)物；揮發(fā)分N中HCN及NH3產(chǎn)率隨溫度增高而增加，但溫度超過10001100時(shí)，NH3含量達(dá)到飽和；隨溫度上升，燃料N轉(zhuǎn)化為HCN的比例大與轉(zhuǎn)化為NH3的比例。 燃料型NOX的反應(yīng)機(jī)理較熱力型復(fù)雜的多，兩種形態(tài)的氮氧化物HCN及NH3以不同的反應(yīng)途徑生成NO，同時(shí)伴隨NO還原為N2的反應(yīng)。HCN氧化為NCO后，可能有兩條反應(yīng)途徑，取決于反應(yīng)條件。在氧化性氣氛中，NCO會(huì)進(jìn)一步氧化生成NO；而在還原氣氛中，NCO會(huì)反應(yīng)生成NH。NH在氧化氣氛中會(huì)進(jìn)一步氧

7、化生成NO，成為NO的生成源，同時(shí)，又能與已生成的NO進(jìn)行還原反應(yīng)，使NO還原為N2。 NH3可能作為NO的生成源，也可作為NO的還原劑。NH3與OH、O及H反應(yīng)生成NH2，NH2再與OH及O、H反應(yīng)生成NH。NH會(huì)被氧化生成NO；而NH也可直接與NO反應(yīng)還原為N2及OH或H2O；NH與OH及O反應(yīng)還可以生成原子N，原子N與NO可反應(yīng)還原生成N2及O。 在通常燃燒溫度下，煤粉燃燒時(shí)由揮發(fā)分生成的NOX占燃料型NOX的6080%。而由焦碳生成的NOX則占2040%。焦碳N生成NOX的情況較復(fù)雜，與氮在焦碳中NC、NH之間的結(jié)合狀態(tài)有關(guān)。有人認(rèn)為焦碳N是通過焦碳表面多相反應(yīng)而生成NOX；也有人認(rèn)為

8、焦碳N與揮發(fā)分N一樣，是首先以HCN及CN的狀態(tài)析出后氧化生成NOX的。但研究表明，在氧化性氣氛中，隨著過量空氣的增加，揮發(fā)分NOX增長迅速，明顯超過焦碳NOX的增長。這可能由兩方面原因所致：焦碳N生成NOX的活化能較碳氧反應(yīng)的活化能大，故焦碳NOX是在火焰尾部生成，其所處煙氣的氧濃度較低，再加上因溫度較高，可能焦碳中的灰熔融而使焦碳反應(yīng)表面減少，致使焦碳NOX生成量減少；另一方面，焦碳表面具有還原作用，在碳及煤灰中CaO的催化作用下，可促進(jìn)焦碳NOX還原。3快速型NOX 快速型NOX是弗尼莫爾1971年發(fā)現(xiàn)的。碳?xì)浠衔锶剂先紵谌剂线^濃時(shí)，在反應(yīng)區(qū)附近會(huì)瞬間快速生成NOX。與熱力型及燃料型

9、不同，快速型NOX是燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的烴類等撞擊空氣分子中N2分子而生成CN、HCN等再被氧化成NOX。 在碳?xì)浠衔锶紵龝r(shí)，特別是富燃料燃燒時(shí)，會(huì)分析出大量的CH、CH2、CH3、C2等，會(huì)破壞N2的分子鏈而生成HCN及CN等，該組分反應(yīng)活化能較低，故反應(yīng)速度較快。HCN、CN與O、OH反應(yīng)生成NCO，NCO被進(jìn)一步氧化后生成NO。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為90%的快速型NOX是通過HCN生成的。此外，研究發(fā)現(xiàn)火焰中HCN達(dá)到最高值轉(zhuǎn)入下降階段時(shí)，存在大量的氨化物，這些氨化物和氧原子等快速反應(yīng)而生成NO。由前述可見，快速型NOX來源于空氣中的N2，類似于熱力型；但NO的生成機(jī)理卻與燃料型相似，在HCN生成

10、后與燃料型NOX生成途徑基本一致。 快速型NOX生成對(duì)溫度不敏感，一般情況下，對(duì)不含氮的碳?xì)淙剂显谳^低溫度燃燒時(shí)，才重點(diǎn)考慮快速型NOX，如內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程，對(duì)煤粉燃燒，快速型NOX生成量占總生成量的5%以下。 可以看出，NOX生成的最大特點(diǎn)就是與煤的燃燒方式、燃燒工況有關(guān)系。NOX生成量強(qiáng)烈地依賴于燃燒的溫度水平，此外與風(fēng)煤比，傳熱和煤種以及煤、空氣和燃燒產(chǎn)物的混合程度有關(guān)。正因?yàn)檫@樣，可以通過改善燃燒方式，改變鍋爐運(yùn)行條件來降低NOX生成量。第二節(jié) 低NOx排放燃燒技術(shù) 控制NOX方案來源于對(duì)其機(jī)理的研究?？刂拼胧┓譃橐淮渭岸未胧淮未胧┲冈谌紵^程中采用的措施，系在爐膛內(nèi)實(shí)現(xiàn)，為低N

11、OX的燃燒技術(shù)；二次措施為凈化煙氣的脫硝技術(shù)，系在燃燒后對(duì)煙氣中加入還原劑及催化劑吸收已生成的NOX。一般一次措施最多只能降低NOX排放值的50%，當(dāng)環(huán)保要求降低到40%以下時(shí)，則應(yīng)加二次措施，二次措施與一次措施一般同時(shí)采用。 低NOX燃燒技術(shù)的要點(diǎn)是抑制NOX的生成，并創(chuàng)造條什使已生成的NOX還原。對(duì)煤粉燃燒鍋爐，燃燒溫度在1350以下，幾乎沒有熱力型NOX生成，只有當(dāng)燃燒溫度超過1600，熱力型NOX可到2530，而快速型NOX僅占5，故對(duì)煤粉燃燒主要是控制燃料型NOX圖741為低NOX燃燒技術(shù)的原理簡(jiǎn)圖，其要點(diǎn)是對(duì)燃料型NOX生成各途徑造成還原性氣氛，控制其生成，促進(jìn)其還原，該圖中用粗黑

12、箭頭表示了以還原性氣氛使燃料N轉(zhuǎn)化為分子氮(N2)的方向。一、低氧燃燒一、低氧燃燒 低氧燃燒是控制NOX排放量最簡(jiǎn)單的方法。對(duì)燃燒器及燃燒系統(tǒng)不需作任何改動(dòng)，僅在運(yùn)行中控制入爐風(fēng)量，使煤粉燃燒過程盡可能接近理論燃燒空氣量下進(jìn)行。采用低氧燃燒方案可使NOX排放量降低2030。 該方案實(shí)際應(yīng)用時(shí)受條件限制。爐內(nèi)氧量過低，將使飛灰含碳量增加，對(duì)難燃及較難燃的煤種更為明顯；另外，還會(huì)使排煙CO濃度增加，這都會(huì)使鍋爐效率降低。還有一個(gè)問題是，對(duì)某些鍋爐，低氧燃燒時(shí)導(dǎo)致主蒸汽或再熱蒸汽溫度偏低。具體實(shí)施時(shí)要根據(jù)燃剛煤種，鍋爐效率降低幅度及汽溫等性能確定適宜的爐膛出口(或省煤器處)煙氣氧量控制值。二、空氣分

13、級(jí)燃燒技術(shù) 將助燃空氣分成多股，使其逐漸與煤粉混合燃燒，這樣就可降低見局部區(qū)域的空氣燃料比，煤在熱分解和著火階段，由于缺氧，因而氮氧化物的生成受到抑制?？諝夥旨?jí)可以在燃燒器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，也可在鍋爐內(nèi)完成。將完全燃燒所需的85%空氣量引入主燃燒器，使主燃燒器區(qū)域的燃燒在氧氣不足、燃料富集的工況下進(jìn)行。由于氧氣量不足，火焰溫度較低，氮氧化物的生成量就較少，燃料氮生成的中間產(chǎn)物（如NCH，NH3等）也會(huì)因此而無法氧化成為NOX。同時(shí)，已經(jīng)生成的NOX還可能在還原性氣氛中還原成分子氮（N2），其結(jié)果就減少了NOX的排放量。上部設(shè)置二層頂部燃盡風(fēng)（OFA）噴口，通過它將其余的約15%的空氣送入爐膛，避開了高溫

14、火焰區(qū)，還可以使未燃盡的炭粒燃盡，完成整個(gè)燃燒過程。三、煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù) 將鍋爐尾部煙氣抽出，摻混到一次風(fēng)中，一次風(fēng)因煙氣摻混后其氧濃度降低，同時(shí)低溫?zé)煔膺€會(huì)使火焰溫度降低，也能使氮氧化物的生成受到抑制。但這一方法會(huì)引起煤粉燃燒不穩(wěn)定，甚至滅火。最近有的在燃燒器中采用高溫?zé)煔庠傺h(huán)，這樣既能抑制氮氧化物的生成，又能提高煤粉燃燒的穩(wěn)定性。四、煤粉濃淡分離燃燒技術(shù) 將一次風(fēng)輸送的煤粉用離心分離法分為濃度不同的濃、淡粉風(fēng)流。在著火燃燒的初期，空氣燃料比低的濃粉對(duì)抑制氮氧化物生成有利。但從整個(gè)鍋爐燃燒過程來看，煤粉空氣混合越均勻，燃燒效果越好，將煤粉濃淡分離就對(duì)爐內(nèi)后期的煤粉與空氣混合不利，會(huì)使飛灰

15、含碳量增加，效率降低。此外，在煤種不同，負(fù)荷不同的條件下，煤粉濃、淡程度難以控制 五、燃料分級(jí)（或再燃）燃燒法 向爐內(nèi)燃燼區(qū)再送入一股燃料流，使煤粉在氧量不足的條件下熱分解，所生成的中間產(chǎn)物可將NOX還原為N2，也可在燃燒器出口的熱分解區(qū)、著火區(qū)，使已生成的NOX回流，并與熱分解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物反應(yīng)使NOX還原。但這種方法往往會(huì)使分級(jí)送入燃燼區(qū)的煤粉難以燃燼，從而影響燃燒效率。 再燃燒法的特點(diǎn)是，將燃燒分成三個(gè)區(qū)域：一次燃燒區(qū)是氧化性或稍還原性氣氛（1）；在第二燃燒區(qū)，將二次燃料送入還原性氣氛（1），因而生成碳?xì)浠衔锘鶊F(tuán)，這些基團(tuán)與一次燃燒區(qū)內(nèi)生成的NO反應(yīng)，最終生成N2，這個(gè)區(qū)域通常稱為再燃

16、燒區(qū)。二次燃料稱為再燃燃料；最后再送入二次風(fēng)（），使燃料完全燃燒，稱為燃盡區(qū)。六、低NOX煤粉燃燒器 Babcock雙調(diào)風(fēng)燃燒器。該燃燒器的特點(diǎn)是，通過控制煤粉與空氣的混合，使燃燒從燃燒器的出口開始，將完全燃燒區(qū)調(diào)長。這種延時(shí)燃燒的方法可降低火焰溫度峰值來減少NOX排放量。根據(jù)我國南通電廠使用該燃燒器的情況看，在燃用收到基揮發(fā)分為22.8%的晉北煤時(shí)，鍋爐效率為93.6%, 滿負(fù)荷是NOX排放量為600 mg/m3。 WR型濃淡偏差燃燒器。直流燃燒器四角布置。切圓燃燒是ABB-GE公司的傳統(tǒng)燃燒方式，這種燃燒器因氣流在爐膛內(nèi)形成一個(gè)較強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)的整體火焰，對(duì)燃燒穩(wěn)定，強(qiáng)化后期混合，保證燃料完全燃

17、燒十分有利。此外，四角燃燒時(shí)，爐內(nèi)火焰充滿情況較好，水冷壁傳熱均勻，燃燒中心的火焰峰值溫度和最大熱流密度較低，有利于減少NOX的排放。第三節(jié)燃燒優(yōu)化降低NOx措施1.爐膛氧量對(duì)NOx排放和效率的影響 隨著入爐氧量的增加，NOx排放量呈明顯上升趨勢(shì)，特別是在氧量較低時(shí)增加速度較快。鍋爐效率隨著氧量的增加而下降，造成鍋爐效率下降的主要原因是排煙溫度和體積的增加使排煙熱損失加大，而未完全燃燒熱損失變化不大。 在NOx排放方面，采用縮腰型配風(fēng)和倒寶塔配風(fēng)方式最低，均勻配風(fēng)和鼓形配風(fēng)次之，正寶塔配風(fēng)最高。從正寶塔配風(fēng)、均勻配風(fēng)到倒寶塔配風(fēng)，空氣中心上移，爐內(nèi)空氣分級(jí)程度增大，使主燃燒器區(qū)域的氧濃度降低，

18、既能降低主燃燒區(qū)域的火焰溫度，又能抑制燃料氮形成的中間產(chǎn)物與氧的化合，因而降低了NOx的排放量。縮腰配風(fēng)NOx排放量最低，低于的倒寶塔配風(fēng)，這是因?yàn)榭s腰配風(fēng)不僅象倒寶塔配風(fēng)一樣使上二次風(fēng)噴口的風(fēng)量加大，主燃燒器區(qū)域的氧濃度降低，而且讓部分中間二次風(fēng)噴口風(fēng)量轉(zhuǎn)移到下二次風(fēng)噴口，使一次風(fēng)與二次風(fēng)的混合推遲，造成燃燒初期氧量供應(yīng)的下降，限制了NOx的生成量。 在鍋爐效率方面，倒寶塔和鼓形配風(fēng)機(jī)械未完全燃燒熱損失最大，效率最低?？s腰配風(fēng)機(jī)械未完全燃燒熱損失最小，雖然由于氧量較大使排煙熱損失較大，但如果將氧量控制在較小，鍋爐效率應(yīng)較高，考慮到爐膛氧量有不同，鍋爐效率的變化不明顯。綜合鍋爐效率和NOx的排放量以縮腰配風(fēng)最佳。2.二次風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)NOx和效率的影響3一次風(fēng)速對(duì)NOx排放和效率的影響 隨著一次風(fēng)風(fēng)速的增加鍋爐NOx排放量相應(yīng)增加。一次風(fēng)風(fēng)速的降低，會(huì)導(dǎo)致煤粉氣流著火提前，著火提前，相當(dāng)于與二次風(fēng)的混合延遲；一次