低NOx排放技術

1、低NO排放技術浙能溫州發(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排放控制標準 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。根據(jù)不同燃煤燃燒時NOX排放控制可以達到的技術水平，確定火電廠大氣污染物排放標準。 火力發(fā)電鍋爐及燃氣輪機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準規(guī)定的NOX排放要求，國產燃煤鍋爐主要采用低NOX燃燒器和分級燃燒技術，其經濟性最好。表表1 1 火力發(fā)電鍋爐及燃氣輪機組氮氧化物最火力發(fā)電鍋爐及燃氣輪機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，以及與氮進行反應的介質成分不同，因而NOx的生成有三種不同的機理：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，它是燃料中的碳氫化合物CHx與空氣中的N2，在過量空氣系數(shù)為（0.70.8）時，由預混燃燒生成，其生成地點不是發(fā)生在火焰面的下游，而是在燃燒初期的火焰面內部，而且反應時間極短，在實際燃燒裝置中，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)的停留時間。其中溫度對熱力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)的關系。氧濃度增大和在高溫區(qū)停留時間的延長，都會使熱力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。對實際煤粉鍋爐，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反應的活化能比氧原子與火焰中可燃成分反應的活化能高的多，而且氧原子在火焰

4、中存在時間較短：故火焰不會產生大量的NO，NO的生成反應系在燃料中可以燃燒部分基本燒完之后的高溫區(qū)進行。由于熱力型NO生成的活化能很高，在1500以下幾乎觀測不到NO的生成反應，當溫度超過1500時，溫度每上升100，反應速度將增加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，并與停留時間有關。要控制熱力型NOx的生成，則必須降低燃燒溫度；避免產生局部高溫區(qū)；縮短煙氣在高溫區(qū)停留時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氫化合物結合成氮的環(huán)狀或鏈狀化合物，如C5H5N、C6H5NH2等。煤

5、中氮有機化合物的C-N結合鍵能較空氣中氮分子的N三N鍵能小得多，在燃燒時容易分解。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，煤中氮有機化合物先被分解成氰（HCN）、氨（NH3）和CN等中間產物，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，一般當揮發(fā)分析出1015%時，揮發(fā)分N才開始析出。燃料N轉化為揮發(fā)分N的比例與煤種、析出時的溫度及加熱速度有關。在揮發(fā)分氮中，HCN與NH3所占比例與多種因素有關：對于煙煤，HCN比例一般大與NH3，劣質煙煤則以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)結合時，揮發(fā)分N以HCN為主，燃料N以胺的形式存在時，NH3是主要的熱解初始產物；揮發(fā)分N中HCN及NH3產率隨溫度增高而增加，但溫度超過10001100時，NH3含量達到飽和；隨溫度上升，燃料N轉化為HCN的比例大與轉化為NH3的比例。 燃料型NOX的反應機理較熱力型復雜的多，兩種形態(tài)的氮氧化物HCN及NH3以不同的反應途徑生成NO，同時伴隨NO還原為N2的反應。HCN氧化為NCO后，可能有兩條反應途徑，取決于反應條件。在氧化性氣氛中，NCO會進一步氧化生成NO；而在還原氣氛中，NCO會反應生成NH。NH在氧化氣氛中會進一步氧

7、化生成NO，成為NO的生成源，同時，又能與已生成的NO進行還原反應，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反應生成NH2，NH2再與OH及O、H反應生成NH。NH會被氧化生成NO；而NH也可直接與NO反應還原為N2及OH或H2O；NH與OH及O反應還可以生成原子N，原子N與NO可反應還原生成N2及O。 在通常燃燒溫度下，煤粉燃燒時由揮發(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的情況較復雜，與氮在焦碳中NC、NH之間的結合狀態(tài)有關。有人認為焦碳N是通過焦碳表面多相反應而生成NOX；也有人認為

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。碳氫化合物燃料燃燒在燃料過濃時，在反應區(qū)附近會瞬間快速生成NOX。與熱力型及燃料型

9、不同，快速型NOX是燃料燃燒時產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。 在碳氫化合物燃燒時，特別是富燃料燃燒時，會分析出大量的CH、CH2、CH3、C2等，會破壞N2的分子鏈而生成HCN及CN等，該組分反應活化能較低，故反應速度較快。HCN、CN與O、OH反應生成NCO，NCO被進一步氧化后生成NO。有一種觀點認為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達到最高值轉入下降階段時，存在大量的氨化物，這些氨化物和氧原子等快速反應而生成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生成對溫度不敏感，一般情況下，對不含氮的碳氫燃料在較低溫度燃燒時，才重點考慮快速型NOX，如內燃機的燃燒過程，對煤粉燃燒，快速型NOX生成量占總生成量的5%以下。 可以看出，NOX生成的最大特點就是與煤的燃燒方式、燃燒工況有關系。NOX生成量強烈地依賴于燃燒的溫度水平，此外與風煤比，傳熱和煤種以及煤、空氣和燃燒產物的混合程度有關。正因為這樣，可以通過改善燃燒方式，改變鍋爐運行條件來降低NOX生成量。第二節(jié) 低NOx排放燃燒技術 控制NOX方案來源于對其機理的研究?？刂拼胧┓譃橐淮渭岸未胧淮未胧┲冈谌紵^程中采用的措施，系在爐膛內實現(xiàn)，為低N

11、OX的燃燒技術；二次措施為凈化煙氣的脫硝技術，系在燃燒后對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%，當環(huán)保要求降低到40%以下時，則應加二次措施，二次措施與一次措施一般同時采用。 低NOX燃燒技術的要點是抑制NOX的生成，并創(chuàng)造條什使已生成的NOX還原。對煤粉燃燒鍋爐，燃燒溫度在1350以下，幾乎沒有熱力型NOX生成，只有當燃燒溫度超過1600，熱力型NOX可到2530，而快速型NOX僅占5，故對煤粉燃燒主要是控制燃料型NOX圖741為低NOX燃燒技術的原理簡圖，其要點是對燃料型NOX生成各途徑造成還原性氣氛，控制其生成，促進其還原，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排放量最簡單的方法。對燃燒器及燃燒系統(tǒng)不需作任何改動，僅在運行中控制入爐風量，使煤粉燃燒過程盡可能接近理論燃燒空氣量下進行。采用低氧燃燒方案可使NOX排放量降低2030。 該方案實際應用時受條件限制。爐內氧量過低，將使飛灰含碳量增加，對難燃及較難燃的煤種更為明顯；另外，還會使排煙CO濃度增加，這都會使鍋爐效率降低。還有一個問題是，對某些鍋爐，低氧燃燒時導致主蒸汽或再熱蒸汽溫度偏低。具體實施時要根據(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、級燃燒技術 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?？諝夥旨壙梢栽谌紵鲀葘崿F(xiàn)，也可在鍋爐內完成。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物（如NCH，NH3等）也會因此而無法氧化成為NOX。同時，已經生成的NOX還可能在還原性氣氛中還原成分子氮（N2），其結果就減少了NOX的排放量。上部設置二層頂部燃盡風（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，完成整個燃燒過程。三、煙氣再循環(huán)燃燒技術 將鍋爐尾部煙氣抽出，摻混到一次風中，一次風因煙氣摻混后其氧濃度降低，同時低溫煙氣還會使火焰溫度降低，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煙氣再循環(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 將一次風輸送的煤粉用離心分離法分為濃度不同的濃、淡粉風流。在著火燃燒的初期，空氣燃料比低的濃粉對抑制氮氧化物生成有利。但從整個鍋爐燃燒過程來看，煤粉空氣混合越均勻，燃燒效果越好，將煤粉濃淡分離就對爐內后期的煤粉與空氣混合不利，會使飛灰

15、含碳量增加，效率降低。此外，在煤種不同，負荷不同的條件下，煤粉濃、淡程度難以控制 五、燃料分級（或再燃）燃燒法 向爐內燃燼區(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，并與熱分解產生的中間產物反應使NOX還原。但這種方法往往會使分級送入燃燼區(qū)的煤粉難以燃燼，從而影響燃燒效率。 再燃燒法的特點是，將燃燒分成三個區(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），因而生成碳氫化合物基團，這些基團與一次燃燒區(qū)內生成的NO反應，最終生成N2，這個區(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（），使燃料完全燃燒，稱為燃盡區(qū)。六、低NOX煤粉燃燒器 Babcock雙調風燃燒器。該燃燒器的特點是，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)調長。這種延時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，鍋爐效率為93.6%, 滿負荷是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形成一個較強烈旋轉的整體火焰，對燃燒穩(wěn)定，強化后期混合，保證燃料完全燃

17、燒十分有利。此外，四角燃燒時，爐內火焰充滿情況較好，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，特別是在氧量較低時增加速度較快。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，采用縮腰型配風和倒寶塔配風方式最低，均勻配風和鼓形配風次之，正寶塔配風最高。從正寶塔配風、均勻配風到倒寶塔配風，空氣中心上移，爐內空氣分級程度增大，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物與氧的化合，因而降低了NOx的排放量?？s腰配風NOx排放量最低，低于的倒寶塔配風，這是因為縮腰配風不僅象倒寶塔配風一樣使上二次風噴口的風量加大，主燃燒器區(qū)域的氧濃度降低，而且讓部分中間二次風噴口風量轉移到下二次風噴口，使一次風與二次風的混合推遲，造成燃燒初期氧量供應的下降，限制了NOx的生成量。 在鍋爐效率方面，倒寶塔和鼓形配風機械未完全燃燒熱損失最大，效率最低?？s腰配風機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最佳。2.二次風配風方式對NOx和效率的影響3一次風速對NOx排放和效率的影響 隨著一次風風速的增加鍋爐NOx排放量相應增加。一次風風速的降低，會導致煤粉氣流著火提前，著火提前，相當于與二次風的混合延遲；一次