NOx生成及控制措施.doc

NOx生成及控制措施一 概述 中國(guó)是一個(gè)以煤炭為主要能源的國(guó)家，煤在一次能源中占75，其中84以上是通過(guò)燃燒方法利用的。煤燃燒所釋放出廢氣中的氮氧化物(NOx)，是造成大氣污染的主要污染源之一。氮氧化物(NOx)引起的環(huán)境問(wèn)題和人體健康的危害主要有以下幾方面：氮氧化物(NOx)的主要危害：(1)NOx對(duì)人體的致毒作用，危害最大的是NO2，主要影響呼吸系統(tǒng)，可引起支氣管炎和肺氣腫等疾病；(2)NOx對(duì)植物的損害；(3)NOx是形成酸雨、酸霧的主要污染物；(4)NOx與碳?xì)浠衔锟尚纬晒饣瘜W(xué)煙霧；(5)NOx參與臭氧層的破壞。(2)不同濃度的NO2對(duì)人體健康的影響二、燃煤鍋爐NOx生成機(jī)理氮氧化物(NOx)是造成大氣污染的主要污染源之一。通常所說(shuō)的NOx有多種不同形式：N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5，其中NO和NO2是重要的大氣污染物，另外還有少量N2O。我國(guó)氮氧化物的排放量中70來(lái)自于煤炭的直接燃燒，電力工業(yè)又是我國(guó)的燃煤大戶(hù)，因此火力發(fā)電廠是NOx排放的主要來(lái)源之一。煤的燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）主要是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），在煤燃燒過(guò)程中氮氧化物的生成量和排放量與煤的燃燒方式，特別是燃燒溫度和過(guò)量空氣系數(shù)等密切相關(guān)。燃燒形成的NOx生成途徑主要由以下三個(gè)：為燃料型、熱力型和快速型3種。其中快速型NOx生成量很少,可以忽略不計(jì)。1. 熱力型NOx 指空氣中的氮?dú)猓∟2）和氧(O2)燃料燃燒時(shí)所形成的高溫環(huán)境下生成的NO和NO2的總和，其總反應(yīng)式為： 當(dāng)燃燒區(qū)域溫度低于1000時(shí)，NO的生成量較少，而溫度在13001500時(shí)，NO的濃度約為5001000ppm，而且隨著溫度的升高，NOx的生成速度按指數(shù)規(guī)律增加，當(dāng)溫度足夠高時(shí)熱力型NOx可達(dá)20%。因此，溫度對(duì)熱力型NOx的生成具有絕對(duì)性的作用，過(guò)量空氣系數(shù)和煙氣停留時(shí)間對(duì)熱力型NOx的生成有很大影響。根據(jù)熱力型NOX的生成過(guò)程，要控制其生成，就需要降低鍋爐爐膛燃燒溫度，并避免產(chǎn)生局部高溫區(qū)，以降低熱力型NOX的生成。2. 燃料型NOx燃料型NOx的生成是燃料中的氮化合物在燃燒過(guò)程中氧化反應(yīng)而生成的NOx，稱(chēng)為燃料型NOx。燃煤電廠鍋爐中產(chǎn)生的NOx中大約75%90%是燃料型NOx，因此燃料型NOx是燃煤電廠鍋爐產(chǎn)生NOx的主要途徑。研究燃料型NOx的生成和破壞機(jī)理，對(duì)于控制燃燒過(guò)程中NOx的生成和排放，具有重要的意義。在燃料燃燒生成NOx的過(guò)程中，如遇到烴（CHm）或碳（C）時(shí)，NO將會(huì)被還原成氮分子N2,，這一過(guò)程中被稱(chēng)為NO的再燃燒或燃料分級(jí)燃燒。根據(jù)這一原理，將進(jìn)入鍋爐爐膛的煤粉分層分級(jí)引入燃燒，可以有效地控制NOx的生成與排放。燃料型NOx的生成和破壞過(guò)程不僅與煤種特性、燃料中的氮化合物受熱分解后在揮發(fā)分和焦炭中的比例、成分和分布有關(guān)，而且其反應(yīng)過(guò)程還和燃燒條件（如溫度和氧）及各種成分的濃度密切相關(guān)。在燃料進(jìn)入爐膛被加熱后，燃料中的氮有機(jī)化合物首先被熱分解成氰（HCN），氨（NH4）和CN等中間產(chǎn)物，它們隨揮發(fā)份一起從燃料中析出，被稱(chēng)為揮發(fā)分N。揮發(fā)分N析出后仍殘留在燃料中的氮化合物，稱(chēng)為焦炭N。在一般情況下，燃料型NOx的主要來(lái)源是揮發(fā)N，其占總量的60%80%，其余為焦炭N所形成。在氧化性環(huán)境中生成的NOx，遇到還原性氣氛時(shí)，會(huì)還原成N2。因此鍋爐燃燒最初形成的NOx，并不等于其排放濃度，而隨著鍋爐燃燒條件的改變，生成的NOx可能被還原，或被破壞。煤中的N在燃燒過(guò)程中轉(zhuǎn)化為NOx的量與煤的揮發(fā)份及燃燒過(guò)量空氣系數(shù)有關(guān)，在過(guò)量空氣系數(shù)大于1的氧化性氣氛中，煤的揮發(fā)分越高，NOx的生成量就越多，過(guò)剩空氣系數(shù)小于1，高揮發(fā)份燃煤的NOx生成量較低，其主要原因是高揮發(fā)份的燃料迅速燃燒，使燃燒區(qū)域氧量降低，不利于NOx的生成。 綜合的說(shuō)，燃料型NOx指燃料中含氮化合物在燃燒過(guò)程中進(jìn)行熱分解，繼而進(jìn)一步氧化而生成NOx。其生成量主要取決于空氣燃料的混合比。燃料型NOx約占NOx總生成量的75%90%。過(guò)量空氣系數(shù)越高, NOx的生成和轉(zhuǎn)化率也越高。3. 快速型NOx，指燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等反應(yīng)生成NOx。主要是指燃料中碳?xì)浠衔镌谌剂蠞舛容^高的區(qū)域燃燒時(shí)所產(chǎn)生的烴,與燃燒空氣中的N2發(fā)生反應(yīng)，形成的CN和HCN繼續(xù)氧化而生成的NOx。在燃煤鍋爐中，其生成量很小，一般在燃用不含氮的碳?xì)淙剂蠒r(shí)才予以考慮。在這三種形式中，快速型NOx所占比例不到5；在溫度低于1300時(shí)，幾乎沒(méi)有熱力型NOx。對(duì)常規(guī)燃煤鍋爐而言，NOx主要通過(guò)燃料型生成途徑而產(chǎn)生?？刂芅Ox排放的技術(shù)指標(biāo)可分為一次措施和二次措施兩類(lèi)，一次措施是通過(guò)各種技術(shù)手段降低燃燒過(guò)程中的NOx生成量；二次措施是將已經(jīng)生成的NOx通過(guò)技術(shù)手段從煙氣中脫除。3、 燃煤鍋爐NOx生成因素 1.爐溫對(duì)NOX生成的影響:爐溫主要影響熱力NOX的生成量從而影響總的NOX生成量。爐溫越高,所占比例越大。2.過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)NOX生成的影響：過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)燃料NOX 、熱力NOX及快速NOX均有影響，但影響的趨勢(shì)不同，當(dāng)開(kāi)始增加時(shí)，熱力NOX和燃料NOX都增加，當(dāng)超過(guò)1.1時(shí)熱力NOX減少，燃料NOX繼續(xù)增加，總的NOX隨的增加而增加。3.預(yù)熱空氣溫度對(duì)NOX生成的影響：如果提高預(yù)熱空氣溫度，則煤粉著火提前，這樣可提高爐內(nèi)溫度水平，使熱力NOX增加，同時(shí)燃燒初始區(qū)的溫度水平，使揮發(fā)分大量析出，因而揮發(fā)分NOX大量增加。所以預(yù)熱空氣溫度越高，NOX生成量越多。4.煤質(zhì)對(duì)NOX生成的影響：（1）揮發(fā)分的影響：當(dāng)揮發(fā)分增加時(shí)，著火提前，溫度峰值和平均溫度均會(huì)有所提高，熱力NOX增加；同時(shí)揮發(fā)分含量增多，使得燃料型NOX也會(huì)提高；（2）水分的影響：水分增加，著火延遲，則燃料與空氣之間的混合良好，即著火區(qū)氧濃度增加，燃料中的氮在著火階段停留時(shí)間增加，反應(yīng)充分，故燃料型NOX增加。另外，水分增加，發(fā)熱量降低，溫度水平降低，熱力型NOX降低，但總NOX的生成量增加。（3）含氮量的影響：隨含氮量的增加，NOX增加。5.煤粉細(xì)度對(duì)NOX生成的影響：在不考慮低氮燃燒時(shí)，煤粉細(xì)度越細(xì)，則燃燒越快，溫度越高，熱力NOX越多；同時(shí)，煤粉加熱快，溫度峰值高，則析出的揮發(fā)分多。而且此時(shí)與空氣混合程度高，燃料NOX多。6.負(fù)荷對(duì)NOX的影響：隨著負(fù)荷的降低，爐膛溫度降低，熱力型NOX生產(chǎn)量降低，但負(fù)荷降低，過(guò)量空氣系數(shù)增加，總的燃燒區(qū)過(guò)量空氣量增加，燃料型NOX增加，因此，在負(fù)荷降低過(guò)程中，NOX含量先降低后升高。四、降低燃料型NOx排放的主要技術(shù)措施 低NOx燃燒技術(shù)：NOx的形成起決定作用的是燃燒區(qū)域的溫度和過(guò)量空氣系數(shù)，因此，通過(guò)控制燃燒區(qū)域的溫度和空氣量，已達(dá)到阻止NOx的生成及降低其排放的目的，我們稱(chēng)該技術(shù)為低氮燃燒技術(shù)。對(duì)低氮燃燒技術(shù)的要求是，在降低NOx的同時(shí)，使鍋爐燃燒穩(wěn)定，且飛灰含碳量不能超標(biāo)。為了控制燃燒過(guò)程中NOx的生成量所采取的措施原則為：(1)降低過(guò)量空氣系數(shù)和氧氣濃度，使煤粉在缺氧條件下燃燒；(2)降低燃燒溫度，防止產(chǎn)生局部高溫區(qū)；(3)縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間等。低NOx燃燒技術(shù)主要包括：低過(guò)量空氣系數(shù)、空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)、低NOx燃燒器。1、低過(guò)量空氣燃燒使燃燒過(guò)程盡可能在接近理論空氣量的條件下進(jìn)行,隨著煙氣中過(guò)量氧的減少,可以抑制NOX的生成。這是一種最簡(jiǎn)單的降低NOX排放的方法。一般可降低NOX排放1520%。但如爐內(nèi)氧濃度過(guò)低(3%以下),會(huì)增加化學(xué)不完全燃燒熱損失,引起飛灰含碳量增加,使鍋爐燃燒效率下降。因此,在鍋爐運(yùn)行時(shí),應(yīng)選取最合理的過(guò)量空氣系數(shù)。2、空氣分級(jí)燃燒基本原理是將燃料的燃燒過(guò)程分階段完成,采用倒三角的配風(fēng)方式。在第一階段預(yù)燃階段,將從主燃燒器供入爐膛的空氣量減少(相當(dāng)于理論空氣量的80%),使燃料先在缺氧的富燃料燃燒條件下燃燒。此時(shí)第一級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)1的條件下完成全部燃燒過(guò)程。這一方法彌補(bǔ)了簡(jiǎn)單的低過(guò)量空氣燃燒的缺點(diǎn)。在第一級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)的過(guò)量空氣系數(shù)越小,抑制NOX的生成效果越好,但不完全燃燒產(chǎn)物越多,導(dǎo)致燃燒效率降低、引起結(jié)渣和腐蝕的可能性越大。因此,為保證既能減少NOX的排放,又保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性和可靠性,必須正確組織空氣分級(jí)燃燒過(guò)程。3、燃料分級(jí)燃燒在燃燒中已生成的NO遇到烴根CHi和未完全燃燒產(chǎn)物CO、H2、C和CnHm時(shí),會(huì)發(fā)生NO的還原反應(yīng),重新還原為N2。利用這一原理,將主要燃料送入第一級(jí)燃燒區(qū),在1條件下,燃燒并生成NOX。送入一級(jí)燃燒區(qū)的燃料稱(chēng)為一次燃料,其余1520%的燃料則在主燃燒器的上部送入二級(jí)燃燒區(qū),在1的條件下形成很強(qiáng)的還原性氣氛,使得在一級(jí)燃燒區(qū)中生成的NOX在二級(jí)燃燒區(qū)(再燃區(qū))內(nèi)被還原成氮分子,送入二級(jí)燃燒區(qū)的燃料又稱(chēng)為二次燃料,或稱(chēng)再燃燃料。在再燃區(qū)中不僅使得已生成的NOX得到還原,還抑制了新的NOX的生成,可使NOX的排放濃度進(jìn)一步降低。在采用燃料分級(jí)燃燒時(shí),為了有效地降低NOX排放,再燃區(qū)是關(guān)鍵。因此,需要研究在再燃區(qū)中影響NOx濃度值的因素。4、煙氣再循環(huán)目前使用較多的還有煙氣再循環(huán)法,它是在鍋爐的空氣預(yù)熱器前抽取一部分低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t內(nèi),或與一次風(fēng)或二次風(fēng)混合后送入爐內(nèi),這樣不但可降低燃燒溫度,而且也降低了氧氣濃度,進(jìn)而降低了NOX的排放濃度。但是,在現(xiàn)有設(shè)備沒(méi)再循環(huán)就得進(jìn)行設(shè)備改造,還是進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性比較后才能實(shí)施。四、我廠燃燒器布置 我廠燃燒方式采用四角切圓燃燒。一、二次風(fēng)噴口均可上下擺動(dòng)，擺動(dòng)角度能達(dá)到設(shè)計(jì)值，最大擺角為30。噴口的擺動(dòng)由能反饋電信號(hào)的（420mA）的進(jìn)口氣動(dòng)智能型執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)有足夠的扭矩，能使燃燒器擺動(dòng)靈活，四角同步，每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求有一個(gè)420mA位置反饋并送至DCS，燃燒器上設(shè)有擺動(dòng)角度指示標(biāo)志。既可自動(dòng)上下擺動(dòng)30的，又可手動(dòng)左右擺動(dòng)15 主風(fēng)箱設(shè)有五層強(qiáng)化著火煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置有燃料風(fēng)（周界風(fēng)）。在每相鄰兩層煤粉噴嘴之間布置有一層輔助風(fēng)噴嘴，在主風(fēng)箱上部設(shè)有三層緊湊燃燼風(fēng)噴嘴，在主風(fēng)箱下部設(shè)有一層二次風(fēng)噴嘴。在主風(fēng)箱上部布置有高位燃燼風(fēng)燃燒器，包括三層可水平擺動(dòng)的分離燃盡風(fēng)（高位燃燼風(fēng)）噴嘴。SOFA風(fēng)噴嘴可上下和左右水平擺動(dòng)，來(lái)控制爐膛出口煙溫偏差。 一次風(fēng)噴口應(yīng)采用防止燒壞或磨損的新型合金材料制造，當(dāng)燃燒器檢修時(shí)，可以從外部進(jìn)行拆裝。燃燒器的設(shè)計(jì)和布置應(yīng)保證NOx排放濃度不超過(guò)250mg/Nm3(干基O2=6%)。每臺(tái)磨煤機(jī)出口由四根煤粉管道接至同一層四角布置的煤粉燃燒器，煤粉管道直徑53010mm。在入口彎頭和燃燒器之間布置有手動(dòng)煤閘門(mén)，在檢修時(shí)可以起到隔斷的作用。 一次風(fēng)煤粉燃燒器采用水平濃淡形式并設(shè)置偏置周界風(fēng)，形成濃淡兩股氣流噴入爐膛，濃相煤粉在向火側(cè)首先著火，然后點(diǎn)燃位于背火側(cè)的淡相使燃燒穩(wěn)定持續(xù)。在煤粉噴嘴內(nèi)裝設(shè)波形鈍體結(jié)構(gòu)，一次風(fēng)粉混合物射流通過(guò)鈍體時(shí)，下游產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的回流區(qū)，使著火點(diǎn)穩(wěn)定；鈍體前端阻擋塊，有利于穩(wěn)定回流區(qū)；波形結(jié)構(gòu)可增加一次風(fēng)與爐內(nèi)熱煙氣接觸面積。淡相煤粉配以偏置周界風(fēng)提高了水冷壁附近的氧量，增加其氧化性氣氛，更好地防止結(jié)焦、防止高溫腐蝕。五、燃燒調(diào)整措施 1.各班組要注意監(jiān)視脫硝DCS畫(huà)面各參數(shù)是否正常，保證脫硝入口煙氣NOx濃度在300 mg/Nm3以下，脫硝出口煙氣NOx濃度在100 mg/Nm3以下，如NOx濃度超標(biāo)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整。 2.鍋爐燃燒氧量必須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，依據(jù)機(jī)組負(fù)荷（當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于180MW時(shí)）及時(shí)開(kāi)啟燃盡風(fēng)擋板，滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)必須保證燃盡風(fēng)擋板開(kāi)度大于70%，氧量高時(shí)通過(guò)降低各層燃燒器二次風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)燃燒區(qū)高溫低氧、燃燼區(qū)低溫高氧的燃燒方式。 3.保持水冷壁受熱面清潔，在機(jī)組負(fù)荷大于240MW時(shí)，必須投爐吹進(jìn)行水冷壁吹灰，防止水冷壁結(jié)焦造成爐膛溫度升高。 4.由于煤粉細(xì)度較細(xì)時(shí)爐內(nèi)的火焰峰值溫度較高，燃燒強(qiáng)度較大，可使NOx排放有一定增加，在不影響飛灰含碳量的前提下，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整煤粉細(xì)度。 5.由于降低熱二次風(fēng)溫度可以降低爐內(nèi)溫度水平，從而達(dá)到降低NOx排放量，在冬季適當(dāng)控制暖風(fēng)器出口風(fēng)溫，但必須確保排煙溫度滿(mǎn)足要求。適當(dāng)降低一次風(fēng)量也可以引起Nox排放量的降低。 6.由于負(fù)荷對(duì)NOx影響是很大的，在低負(fù)荷期間由于氧量偏大，致使NOx含量增大，要求在低負(fù)荷時(shí)加強(qiáng)燃燒的調(diào)整，確保低負(fù)荷氧量不超過(guò)當(dāng)時(shí)負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的設(shè)定值，以減少NOx排放量。 7.在滿(mǎn)足磨煤機(jī)干燥、通風(fēng)、磨煤出力的前提下，盡量降低一次風(fēng)率（保證磨煤機(jī)出口風(fēng)速不低于25m/s），適當(dāng)提高二次風(fēng)率，以實(shí)現(xiàn)燃燒器分級(jí)燃燒的目的。 8.采用調(diào)節(jié)二次風(fēng)分風(fēng)門(mén)的方法，合理控制二次風(fēng)與爐膛差壓不低于0.3K