膜法富氧局部助燃技术降低煤粉锅炉NOx排放浓度的应用研究.pdf

中南大学硕士学位论文膜法富氧局部助燃技术降低煤粉锅炉NOx排放浓度的应用研究姓名：黄忠朗申请学位级别：硕士专业：动力工程指导教师：周孑民;陈乔平20070901摘要在我国电力工业中，燃煤发电占据着主要地位，这一方面消耗了大量的终端能源，另一方面带来了严重的环境污染。因此，节约资源和降低污染是我国火电厂所面临的急需解决的问题，在保证燃烧安全和高效的前提下获得低的N O x 排放是目前科技工作者的主要目标，研究开发燃煤发电厂高效、低N O x 排放与低负荷稳燃控制技术对于实现火电结构调整和电力工业的可持续发展具有重要意义。论文针对某公司热力厂1 5 0 t h 锅炉燃烧效率低、N O x 排放浓度高等问题，在广泛查阅文献资料和对现有高效、低N 西燃烧技术手段进行充分分析论证的基础上，从研究煤粉燃烧过程中N O x 生成机理和煤粉锅炉N O x 排放浓度的控制技术着手，首次开发了1 5 0 t h 四角切圆燃烧煤粉锅炉膜法富氧局部助燃技术，设计了膜法富氧局部助燃系统，并首次在1 5 0 t h 煤粉锅炉上实现了膜法富氧局部助燃的实炉工业试验。针对1 5 0 t h 四角切圆煤粉锅炉，结合富氧局部助燃技术的应用，利用人工神经网络进行锅炉低卜嗽烧特性和热效率特性的建模，并采用遗传算法对锅炉燃烧进行全局优化，开发了指导运行人员高效低N 西燃烧运行指导软件实践证明，富氧局部助燃技术的科学应用，通过合理组织燃烧过程和优化操作运行，在保证较高热效率的同时大幅度地降低了N O x排放量，有效地解决了燃用贫煤煤粉锅炉飞灰含碳量与N O x 排放浓度之间的矛盾，对实现锅炉经济、安全、稳定运行具有重要的实际应用价值。关键词煤粉锅炉，膜法富氧，局部助燃，N O x，优化A B S T R A C TT h ec o a l-f i r e de l e c t r i c i t yd o m i n a t e si nt h ep o w e rg e n e r a t i o ni nC h i n a I tn o to n l yc o n s u m e sl o t so fe n d-e n e r g y,b u ta l s ob r i n g sr e s u l t si ns e r i O U$e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n T os a v et h ec o a lr e s o u r c ea n dr e d u c ep o l l u t a n te m i s s i o ni so n eo fk e yi s s u e sf a c e db yt h ep o w e rp l a n t si nC h i n a H o wt og e tg o o da i rd y n a m i cf i e l da n dc o m b u s t i o nf o r m a t i o nt od e c r e a s eN O xe m i s s i o na r ct h e nt h ep r i m a r yt a r g e to ft h er e s e a r c h H e n c e，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et os t u d ya n dd e v e l o pc o n t r o lt e c h n o l o g i e so nh i 啦e 硒c i e n c y,l O WN O xe m i s s i o na n d 1 0 Wl o a ds t a b i l i t yc o m b u s t i o n。i no r d e rf o rt h er e-a d j u s t m e n to fp o w e rg e n e r a t i o ns t r u c t u r ea n dt h es t e a d ys u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e ri n d u s t r y T os o l v ep r o b l e m ss u c ha sl o wt h e r m a le f f i c i e n c y,h i g hN O xe m i s s i o no fa15 0 t hp u l v e r i z e dc o a lb o i l e r,l i t e r r a t u r er e v i e wa n da n a l y t i cd e m o n s t r a t i o nw e r ef i r s tc a r r i e do u to nt h ee x i s t i n gt e c h n i c so fh i g he f f i c i e n c ya n dl O WN O xe m i s s i o n O nt h eb a s i so fd i s c u s s i o no ft h ef o r m a t i o nm e c h a n i c so fN O xi nt h ec o m b u s t i o np r o c e s sa n dt h ec o n t r o lt e c h n i q u eo fN O xe m i s s i o no fp u l v e r i z e dc o a lb o i l e r,t h et e c h n o l o g yo fl o c a le n r i c h e d o x y g e ns u p p o r t i n gc o m b u s t i o n(L E O S C)w a sd e v e l o p e da n das y s t e mo fm e m b r a n eo x y g e n-e n r i c h m e n tW a sd e s i g n e d，w h i c hh a sb e e na p p l i e di nt h ep r a c t i c ef o rt h ef i r s tt i m e M o d e l so fl o wN O xc o m b u s t i o na n dt h e r m a le 伍c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c sw e r ed e v e l o p e di nt h et h e s i sw i t ha r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k,a n di n t e g r a lc o m b u s t i o nw a so p t i m i z e du s i n gh e r e d i t ya l g o r i t h m As o f t w a r ef o rg u i d a n c eo fb o i l e ro p e r a t i o nf o rh i 曲e f f i c i e n c ya n dl o wN O xe m i s s i o nc o m b u s t i o nw a sd e v e l o p e dt oh e l pt oa c h i e v et h et a r g e t su n d e ru s u a lo p e r a t i n gs i t u a t i o n s 砀ep r a c t i c a lr e s u l t sp r o v e dt h a tt h eL E O S Ct e c h n o l o g yi sg o o df o rd e c r e a s i n go fN O xe m i s s i o nw i t hh i 曲t h e r m a le f f i c i e n c yt h r o u g hr e a s o n a b l ec o m b u s t i o no r g a n i z a t i o na n do p t i m a lo p e r a t i o n T h er e l i a b l e，e c o n o m i c a la n ds t a b l eo p e r a t i o no ft h eb o i l e rC a nb eg u a r a n t e e d K E Y W O R D S：p t,l v e r i z e dc o a lb o i l e r；m e m b r a n em e t h o do fo x y g e n e n r i c h m e n t，l o c a lc o m b u s t i o n s u p p o r t i n gt e c h n o l o g y；N O x；o p t i m i z a t i o nH原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外；论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：麦苏武目关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。日期：丑午上月丝日中南大学工程硕士学位论文第一章绪论1 1 前言第一章绪论随着国民经济的发展，我国电力工业也得到了迅速的发展。四角切圆煤粉燃烧方式以其在燃烧组织方面上的优点，已成为了我国燃煤电站锅炉普遍采用的一种燃烧方式【I】在四角切圆煤粉燃烧锅炉中，燃烧器布置在炉膛四角，燃烧器喷嘴出口中心的假想轴线相切于炉膛中心的一个假想切圆。当四角煤粉及空气同时从燃烧器喷嘴喷入炉膛后，由于四角气流的相互撞击，形成围绕炉膛中心强烈旋转的旋涡【2 J 这样，从任一角喷入的煤粉气流在受到上游高温烟气的撞击加热后很快着火燃烧，并沿射程方向燃烧逐渐加剧，同时又撞击加热下游邻角的煤粉气流。这样四角煤粉射流相互撞击点燃，形成稳定的炉内旋转上升火焰气流【3 4 l。浓淡燃烧、分级燃烧及富氧燃烧等先进技术的应用，为四角切圆煤粉锅炉注入了新的活力嘲。可以预计，在未来相当长的时期内四角切圆煤粉锅炉在我国火电工业中仍将占据主导地位1 6 J。然而，针对我国动力用煤的具体特点，现有的切圆燃烧技术仍有许多需要改进、完善和发展之处【|7 3 1。由于我国动力用煤的特点是煤种多变、煤质偏差，电厂用煤的种类、品质不能保证，入炉煤质频繁变化【9】。同时，由于四角切圆燃烧技术和煤粉燃烧器本身的原因，经常导致燃煤锅炉出现各种经济性、安全性问题(尤其是燃用贫煤和劣质烟煤)1 0 q 3 l，主要表现在以下几个方面：(1)燃烧效率低。目前我国供电煤耗平均为4 0 8 9 k W h 1 4 1，与国际先进水平相比相差7 0 l O O g k W h t 瑚。因此，节能降耗，提高煤的燃烧效率和热效率无疑是当今锅炉燃烧技术方面的重要任务。(2)N O x 排放浓度高。N O x 是燃煤电站锅炉排放的主要污染物之一我国电站锅炉目前的N O x 排放量仍然较高，在6 0 0-1 2 0 0 m g m 3 的范围内【1 6 1。其中，燃用贫煤和劣质烟煤的电站锅炉N O x 排放量集中在8 5 0 1 2 0 0 m g m 3 的范围内，远高于国外同类锅炉N O x 排放水平【1 7 l。因此，控制和降低由于煤粉燃烧而引起的环境污染是当前火电工业发展的又一严峻的课题。(3)结渣及高温腐蚀。我国的易结渣煤种较多，约占燃煤总量的5 0 t 1 8 1。锅炉因运行中炉膛内结渣严重引发燃烧器烧损和过、再热器超温等现象【1 9-2 2 。此外，对燃用硫分较高煤种的锅炉，炉膛内结渣可加快水冷壁高温腐蚀的速度【1 1 l，中南大学工程硕士学位论文第一章绪论直接危害着锅炉运行的安全性、可靠性和经济性。(4)低负荷稳燃能力差。目前，燃用普通烟煤的切圆燃烧锅炉的最低不投油负荷一般可达到5 0 B M C R(锅炉最大连续出力)阎；对于贫煤和劣质烟煤，最低不投油负荷为7 0 9 0 B M C R l 2 1 1。随着我国电网峰谷差的逐年加大，切圆燃烧锅炉的调峰能力和低负荷稳燃能力急需提高。由此可见，我国目前的切圆燃烧技术锅炉急需改善燃用贫煤和劣质烟煤时的燃烧效率，提高锅炉的低负荷无油稳燃能力和调峰能力，防范水冷壁高温腐蚀和炉内结渣的发生，进一步降低N O x 捧放浓度圈对于切圆燃烧锅炉目前所采用的各种燃烧技术，由于其设计的侧重点不同，在实际的运行中也暴露了许多内在的问题，其解决办法往往相互矛盾，不能较好的同时予以解决 2 3-2 5 1。如浓淡燃烧和分级燃烧技术，能较好地降低N O x 排放浓度和提高低负荷不投油稳燃能力，但由于贫煤的着火特性和燃尽特性较差，往往会导致煤粉的燃尽程度下降、锅炉热效率降低，同时也易使水冷壁高温腐蚀和结渣现象加重【2 l,2 2,2 s 1。因此，在进行贫煤锅炉设计时，为了不影响锅炉热效率，通常将顶部燃尽风量设计得很小或干脆没有设计燃尽风。所以贫煤锅炉虽然也普遍采用了低N O x 燃烧器，但N O x 排放浓度却仍然严重超标1 2 0,2 2 j。由此可见，对于贫煤锅炉，在分级燃烧条件下其N O x 排放和煤粉燃尽之间存在互相制约的问题。为了解决这一问题，有必要对贫煤燃烧过程中N O x 排放和煤粉燃尽的有关影响因素进行深入系统的试验研究，以寻求一种既能提高贫煤锅炉的煤粉燃尽率又能较大幅度地降低N O x 排放浓度的燃烧技术。这对于实现火电结构调整和电力工业的可持续发展具有重要的意义 2 6 1。这便是本文的研究目的。1 2 我国燃煤电站锅炉N O x 排放及控制现状通过电站锅炉对煤炭的燃烧，一方面获得了宝贵的电能，另一方面由于煤炭的燃烧，生成了一些污染物，如氮氧化物(N O x)、硫氧化物(S O x)等，对环境产生了极大的破坏田J。尽管随着我国火力发电技术的进步，大容量机组在总装机容量中所占比例逐年增加，发电煤耗不断下降以及单位发电量的N O x 排放量逐年减少，但是，由于全国发电量的快速增长，N O x 的排放总量仍然呈上升趋势【1 9,2 7 1。计算表明，发电量每增加1 0 0 亿k W h，N O x 排放量将增加2 9-3 8 万吨 2 7 1。从1 9 9 5 年到2 0 0 0年，全国火电机组的N O x 排放总量从2 6 5 0 5 万吨增加到3 5 8 0 2 万吨 2 r l。根据电力工业发展规划，到2 0 1 0 年，全国火力发电量将达到2 2，7 0 0 亿k W h，即使全国火电机组N O x 平均排放水平降到6 5 0 m g m 3，N O x 的排放总量将达到5 9 4 7 4 万2中南大学工程硕士学位论文第一章绪论吨 2 7,2 8 1。在燃煤电站N O x 排放的控制方面，我国新建的3 0 0 M W 以及3 0 0 M W 以上火电机组已普遍采用了低N O x 燃烧技术，现有l o o M W 旬0 0 M W 机组已开始进行低N O x 燃烧技术改造网。但是，低N O x 燃烧技术一般只能达到4 0 左右的脱硝效率 2 7 1 根据对我国燃煤电站锅炉的调查结果表明，采用低N O x 燃烧技术，燃煤挥发份低于1 0 左右的锅炉N O x 排放浓度一般仍高达1 0 0 0 m g N m 3 左右，液态排渣煤粉锅炉的N O x 的排放浓度更高，比国外同类机组的排放浓度高出很多 2 7-2 9 1。随着我国燃煤机组的大幅度增加，电力行业N O x 排放总量将成比例增长如不采取新的有效措施，在未来扣1 0 年内，N O x 排放总量可能超过S 0 2 成为电力行业第一大酸性气体污染物网。为此，国家环保局于1 9 9 6 年3 月7 日发布了火电厂大气污染排放标准(G B l 3 2 2 3 3 6)，其中明确规定：对从1 9 9 7 年1 月1 日起初步设计通过的新、扩、改建火电厂3 0 0 M W 及以上机组，固态排渣煤粉炉N 勘d 非放浓度不得超过6 5 0 玎1 9 o，液态排渣煤粉炉不得超过1 0 0 0m g m 3 2 0 0 3 年1 2 月颁布了新的火电厂大气污染物排放标准(G B l 3 2 2 3 2 0 0 3)取代了1 9 9 6 年颁布的火电厂大气污染物排放标准，对我国火电厂机组的N O x 排放标准作出了新的规定，对新旧机组的N O x 最高允许排放浓度都作出了详细的规定。对新设计的燃用挥发份大于2 0 煤种的固态排渣燃煤锅炉，要求其N m 最高允许排放浓度要低于4 5 0 m g N m 3，某些城市如北京等则提出了更高的排放要求。而通过调查获得我国燃煤电站锅炉N O x 排放范围为：固态排渣煤粉炉6 0 0-1 2 0 0m g N m 3 1 2 7,3 0 l；烟煤锅炉采用分级配风、低N O x燃烧器后约为4 6 0 8 0 0m g m m 3 t 3 u；采用低N m 控制后燃用贫煤的锅炉N O x 排放量仍有7 5 0-1 0 0 0m g N m 3；无烟煤锅炉由于考虑燃烧稳定和燃尽问题，N O x 排放更难控制 2 9,3 1 1。由此可见，对我国燃煤火电机组的N m 排放进行控制己到了刻不容缓的地步，否则将严重破坏我国的生态环境，影响人们的身体健康。1 3 煤粉锅炉低N O x 燃烧技术为了控制N O x 的生成和排放，国内外科技工作者进行了大量的科学研究。在国外，早在5 0 年代便开始研究燃烧过程中N O x 的生成与控制。国际火焰研究基金会R F)在7 0 年代初便将主要研究工作转移到N O x 的生成机理与控制的研究上【1 9,3 3 1。日木、原西德、美国、原苏联和加拿大等国家致力于燃料N O x 的生成机理、低N O x 燃烧器的开发、炉内脱硝技术、炉内同时脱硫脱硝技术以及炉后烟气脱硫脱硝技术的研究，已经发展起来了许多新型的低N O x 燃烧技术【3 0 1。在我国，由于煤质多变，劣质烟煤、低挥发份煤种较多，对四角切圆燃烧技术进行了深入的研究。近十余年来，我国已经开始了对电站锅炉N O x 排放量控制的研中南大学工程硕士学位论文第一章绪论究，开发出了一系列的低N O x 煤粉燃烧技术，主要从燃烧器喷嘴射流和炉内燃烧组织这两个方面来寻求解决上述问题的途径【3。1 3 1 炉内空气分级燃烧技术炉内空气分级燃烧技术最早由美国在5 0 年代发展起来，是目前国内外普遍采用的、比较成熟的低N O x 燃烧技术 3 1-3 3 l。分级燃烧的基本思想是：(1)降低主燃烧区域的氧气浓度，进行亚化学当量的贫氧燃烧，以抑制煤粉燃烧过程中N O x 的形成；(2)在炉墙附近及炉膛上部增大氧气浓度，进行过化学当量的富氧燃烧，以避免水冷壁及过热器的高温还原性腐蚀，同时促进煤粉的完全燃烧【3 9 l。炉内空气分级燃烧的实现形式主要有两种，即轴向空气分级燃烧和径向空气分级燃烧。炉内轴向空气分级燃烧技术将燃料的燃烧过程分为两个阶段来完成，沿炉膛高度上燃烧器的布置也相应的分为两个区域：主燃烧器区和O F A(燃尽风或火上风)区。在第一阶段，主燃烧器区供入炉内的空气量约占理论空气量的7 0，使燃料先在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧(过量空气系数口 O+N O(2-2)t E 2式中，El=3 1 4 k J m o l、E I=ok J m o l、E 2=2 9 k J m o l、E z=1 6 5k J m o l。对上述化学方程反应速度进行推导，并假设中间产物N 原子的增长速度和消失速度相等，得到计算热力N O x 生成速度的计算公式：，1 d N-O ：3 1 0 1【2】【D 2】e 啾一5 4 2 0 0 0 R T)(2-3)式中，o】、嘲、【O 司一分别为N O x、N 2、0 2 的浓度，g m o 比m 3 3T、f 一分别为绝对温度(K)、时间(s)：R 一通用气体常数(J(g t o o l K)。对于氧浓度大、燃料少的贫燃预混火焰，用式(2 3)计算N O 生成量，其结果基本与试验结果相吻合。但是，在富燃的条件下，还必须考虑下列反应式：N+O H 营N O+H(2-4)反应式(2-1)、(2 2)和(2 4)一起，称为扩大的Z e l d o v i c h 机理。从实际工业应用角度看，上述热力N O x 生成的机理已能充分说明问题，并为广大学者接受。2 3 2 瞬时N O x瞬时N O x 是在燃料燃烧过程中，由燃料中的碳氢化合物分解后的中间产物C n H n 和N 2 反应生成的 4 7 1。但因其排放量很小，通常可以忽略不计。瞬时型N O x在煤粉炉中，其生成量很小，一般在5 以下闱。碳氢化合物燃烧时，分解生成C H、C H 2、和c 2 等基团，它们会破坏空气中N 2 分子键，其反应式如下【1 1 6】：1 4中南大学工程硕士学位论文第二章煤粉锅炉N O x 生成特性及控制技术c H+N，H c N+NC H 2+2 H C N+N i l(2 5)c 1+N t 2 c N上述反应的中间产物将与火焰中生成的O、O H 等原子基团进一步反应生成N O x m 6 1：H c NJ 卜o H c N+H、oc N+o，c o+N oc N+0 c o+NNH+OHN+HxO(2-6)N H+O N o+HN+o H N o+HN+o，N o+o2 3 3 燃料N O x燃料型N 阻是由燃料中的氮受热分解和氧化生成的 4 S-5 0 1。相关实验表明，在燃用煤粉的锅炉炉膛内燃料型N O x 的转化率高达2 0-,2 5，而在燃烧过程中，一旦N O x 的转化率达到2 0，排放量就会超标。因此，对燃料型N O x 生成的控制对整个N O x 排放量的控制起着关键性的作用【s l】。燃料中的氮通常以原子状态与各种碳氢化合物相结合，形成环状化合物或链状化合物【5。与空气中的氮相比，其结合键能量较小，在燃烧时很容易分解出来，经氧化反应生成大量的N O x 燃料型N O x 的生成机理极其复杂，前人对此进行了大量的研究报道，但观点并不完全一致。对于燃料N O x 的生成机理，弗尼莫尔提出的模型认为，对于预混火焰，从燃料N 向N O 的转换是由两个互相竞争的过程所决定。这两个过程是：由燃料N高温分解生成含氮原子的中间产物冠主要是N，C N，H C N，N H i 等)，然后门阳含有氧原子的反应物R(O，O H，0 2 等)反应生成N O；或者和N O 反应而使N O还原分解生成N 2。即：，+R 上一N O+l+N 山N 2+在煤粉燃烧过程中，挥发份N 与焦炭N 的变化行为是不同的，它们形成N O x的机理也不相剐5 2-5 4 1。挥发份中的氮化合物主要是H C N 和N H 3。H C N 和N H 3的总量占挥发份N 的9 0 9 5 1 5 5 ，其中又以H C N 为主。H C N 和N H 3 的比例与煤种有关，挥发份越高的煤，N H 3 H C N 的比值越大【5 5 1。这是由于挥发份越高(煤中南大学工程硕士学位论文第二章煤粉锅炉N O x 生成特性及控制技术的等级降低)，煤中的胺N 越多，而胺N 在热解时主要转变成N H 3 的缘故刚7】在氧化性气氛下，H C N 和N H 3 会被氧化生成N O x，在还原性气氛下，H C N 和N I-1 3 又会分解还原成N 2。由此可见，使煤中的N 在缺氧的环境下释放，可降低N O x 的生成。、图2 5 为挥发份N 生成为N O x 的简图。煤焦型N O x 的形成较挥发份型N O复杂，有待进一步深入研究【s s-5 9 1 图2-5 挥发份N 生成N O r 硒图。当燃料N 的热解产物主要为H C N 时，D eS o e t e 提出了一个简单模型来描述挥发份氮的均相转化机理嗍，如图2 6 所示。该模型认为燃料N 到H C N 的过程并不是控制过程。尽管此模型简单，但用它来模拟普通的贫燃燃烧火焰的N O x 均相生成过程能获得较好的结果。、0 2 N O燃料N H C N、N O 图2 6D es o e t e 提出的挥发份氮均相转化模型据文献 6 0 1 报道，挥发份N 转变成N O 的效率要高于焦炭N，因此，在典型的煤粉燃烧条件下6 0-,8 0 的燃料N m 来自挥发份N，尽管此时有5 0 左右的煤氮残留在焦炭中1 6 1 1。与焦炭的燃烧过程相比，挥发份的释放和燃烧过程非常迅速，这就决定了挥发份N O x 主要在挥发份的释放与煤粉着火区大量生成，而焦炭N O x主要在火焰尾部即焦炭燃烧区生成。因此，燃料N O x 的生成主要取决于煤种和燃烧过程中的氧浓度【6 1 1。煤的等级对煤中含N 官能团的结构形式、N 在挥发份和焦炭中的分配、挥发份中的1、a-1 3 H C N 比值、焦炭的化学活性等都有影响，从而最终影响燃料N O x 的生成【4 7 l；燃料N O x 的生成与反应温度关系不大，而氧浓度却对其有重要影响 4 8 1，因为氧浓度的高低对含氮中间产物H C N、N I-1 3 的转化方向有着决定性的作用，氧化性气氛有利于H C N、N I-1 3 转化成N O，而还原性气氛则有利于它们转化成N 2，阻碍|N O 的生成。1 6中南大学工程硕士学位论文第二章煤粉锅炉N O x 生成特性及控制技术2 4N O x 的还原在氧化性气氛中生成的N O x 当遇到还原性气氛(富燃料燃烧或缺氧燃烧)时，会还原成氮分子，这称为N O x 的还原或破坏【6 l】。因此，燃烧过程中最初生成的N O x 的浓度并不等于其排放浓度，N O x 的排放浓度是N O x 的生成反应和还原反应的综合结果。N O x 还原的反应途径见图2 7 L 竺C C HlN N HJlID O HK图2 7N O J 还原反应途径研究表明【6，焦炭、C O 以及烃基都是有效的N m 还原剂，N H 3 和氢气也能与N O 发生反应。通过对燃烧器内部和烟道中的烟气分析表明：从燃烧器底部向上，N O 浓度趋于减小，烟道气中N O 浓度更小。N O 和焦炭的反应可以经过以下两种途径进行：C+2 N O=C 0 2+N 2(2-7)2 C+2 N O=2 C O+N 2(2 8)温度低于9 5 3 K 时，式(2 二7)为主要反应；温度高于9 5 3 K 时，式(2 8)逐步成为主要反应。C O 对N O 也有还原作用，通过如下的反应途径还原N O 6 7 1 N O+C O=C 0 2+1 2 N 2(2 9)该反应可能包含包含以下两个反应：N O+M-+O-M+1 2 N 2(2 1 0)，O M+Co M+C 0 2(2-l1)式中：M 表示活化反应表面，如焦炭、石英(流化床中)等颗粒表面。C O 对N O 的还原反应得以进行的一个先决条件是C O 的浓度必须足够高，需要C O 浓度大于1 6 2 1 如此高的C O 浓度通常只在很强的还原性气氛下出现，或在局部混合不良区域。当采用燃料分级(再燃烧)技术时，即以燃料作为还原剂来还原燃烧产物中的N O x 时，N O 和烃基之间的反应成为_ N m 的主要还原机理【6 2】。图2 8 示出了再燃过程中烃基还原N O 的途径【1 2 2 。1 7中南大学工程硕士学位论文第二章煤粉锅炉N O x 生成特性及控制技术ON On u l,iO童一c 熔尚利用多个反应方程考虑复杂的均相N O x 生成机理，固然有其考虑全面等优点，但也有其局限性 6 3 j。反应方程过于复杂，用于复杂的流动和燃烧模拟比较困难，耗费计算时间长，因此在实际应用中往往需要采用简化的N O x 生成和破坏途径旧】。D eS o e t e 的挥发份N 转化模型再结合他提出的焦炭N 转化模型M 被证实是一种比较简单可靠的模型，但该模型没有考虑烃基再燃等机理。H i l l 等在D eS o e t e 的模型基础上将N H 3 计入挥发份氮，并考虑了焦炭表面的N O x 还原机理嗍。S m a r t等在模拟一个内部燃料再燃型燃烧器的N O x 排放特性时，采用的氮转化途径中考虑了再燃机理、焦炭氮的氧化和对N O x 的还原，并计入了焦油氮作为一个中间产物，且认为N H i 是由H C N 二次反应生成的1 4 6 。S t a m n o r e 和V i s o n a 等提出了图2-9所示的燃料氮转化途径，比较全面地考虑了燃料氮在挥发份和焦炭中的分配、焦炭对N m 的还原等，将N H 3 视为N O x 的前驱产物，并计及了再燃机理。文献 1 2 4 还对不同的燃料氮转化模型(包括D eS o e t e 模型)进行了比较。炳和A z e v e d o 等也应用了类似的氮转化模型嗍。表2 1 对N O x 生成和还原机理中各反应途径对最终N O x 排放浓度的贡献进行了汇总，可见N O x 的排放浓度主要取决于燃举4 N O x 的反应途径，热力N O x 和N O x异相还原机理对最终N m 浓度贡献较小，但这两种途径可能会因为锅炉内的高温而导致其对N O x 排放的影响有所增加。由表同时可见，低N o】燃烧器降低N O x 排放的主要机理在于由燃料富集所形成的均相还原能力大幅提高【1 2 5 1。另一方面，煤热解完成后，焦炭中仍存在相当比例的氮。焦炭氮随着煤焦的氧化，逐步转化为N O 或N 2。煤粒燃烧完全后，除了部分氮被固定在未燃尽的碳中，其余燃料氮都被释放出来。对于低挥发份煤，其焦炭氮所占比例很高。焦炭氮的转化成为限制低N O x 排放的一个重要因素。1 8中南大学工程硕士学位论文第二章煤粉锅炉N O x 生成特性及控制技术图2-9 简化的燃料N 0 x 转化机理模型表2 1 不同反应途径对N 瓴最终排放浓度的贡献鳓机理途径普通燃烧器(x l o 低N I k 燃烧器(x l 呐H C N 刍一N O燃料N I 鹾E 成+2 4 9 3+2 5 9 5加曼：乌N 2燃料N I m 还原-1 6 0 7-2 2 9 7p 旦q 2”异相还原-5_ 42 山D热力N m+1 7+1 4合计+8 9 8+2 9 22 5 煤粉炉内N O x 生成特性煤粒在炉内的燃烧过程可分为三个阶段：(1)初始阶段，温度低，反应十分缓慢，N O x 的生成和分解都很少。(2)挥发份释出并着火燃烧阶段，温度急剧升高，氧浓度大，所以N O x 的生成和分解都进行得很快。但是，N O x 的生成反应要快得多，因而N O x 浓度急剧增加，当炉温达到最大值时，N O x 也达到最大值。(3)焦碳燃尽阶段，氧浓度减少，氧化反应减慢【1 2 6 。这时虽然不断生成焦碳N O x，但是，已经生成的N O x 被焦碳还原分解而逐渐减少，生成大量的N 2 冈。试验表明影响炉内N O x 的生成主要因素有 5 6 1：挥发份、炉温、过剩空气系数、燃煤性质、煤粉细度和空气预热温度等。1 9中南大学工程硕士学位论文第二章煤粉锅炉N O x 生成特性及控制技术2 5 1 火焰温度的影响燃料中的N 是以C-N 结构结合的，其结合键能为(2 5 3 6 3 o)x1 0 4 j m o l；而空气中的N 2 是以N=N 结构结合的，其结合键能约为9 4 5 1 0 4 j m o l 1 2 7 1。所以，热力型N O x 必须在高温下才显著生成：燃料型N O x 相对容易生成。表2-2和图2 1 0 是煤粉炉中三种类型的氮氧化物各自生成量的范围与炉膛温度的关系。表2-2 三种类型的氮氧化物生成量与炉膛温度的关系悯I，瞬蕊_ 蕉力型H D x2 曹嚣料型N O x13 匿淫圈快速型N 0 x渊佣壤丛燃。露豳溺鬻罗爹 罗夕3一心心心沁心由此可见，N O x 的生成量随温度的升高而显著增加。煤粉燃烧所生成的氮氧化物中，燃料型N O x 是最主要的，占氮氧化物总生成量的6 0 8 0 以上。热力中南大学工程硕士学位论文第二章煤粉锅炉N O x 生成特性及控制技术型氮氧化物的生成与燃烧温度的关系很大，在温度较高时，热力型N O x 的生成量可占到N O x 总生成量的2 0 0 4；快速型氮氧化物在煤燃烧过程中的生成量很小2 5 2 过剩空气系数的影响燃烧中过量空气越多，燃料中氮的转化率越大，这一趋势在高温和较大初始含氧量时尤为明显。图2-1 1 给出了在不同过量空气系数a 下吡啶和吡咯氧化产物中折算N O x 吸光度与温度的关系曲线【5 s l。图2 1 2 给出了在不同温度下N O x生成量和过量空气系数a 的关系曲线【铷从图2-1 2 中可以看出，在高温下N O x 的生成量，当过量空气系数a 0 8 时，几乎随着a 的增加呈线形增加，温度越高增加速度越快燃料型N O x 的转化率除了与燃烧温度有关之外，与过量空气系数的关系极大。当过量空气系数a 翊7时，燃料型N O x 的转化率几乎为零；当过量空气系数a 0 7 时，燃料型N O x 的转化率开始增加；当a l 时，其转化率将显著增加一般地，当空气过剩系数开始增加时，热力N O x 增加。当o 1 1 时，由于炉温降低，热力N O x 趋于下降。但是，燃料N O x 则随a 的增大而增加，因此，总的N O x 随a 的增加而增加。(a)吡啶(b)吡咯图2-1 1 不同过量空气系数0 t 下氧化产物中折算舯吸光度与温度的关系图2-1 2 不同温度下l t o x 生成量和过量空气系数o【的关系曲线2 l心I9一，gZ磬善Z中南大学工程硕士学位论文第二章煤粉锅炉N O x 生成特性及控制技术从降低N O x 观点看，最好是在a 接近1 0 的条件下燃烧。当a 下降至0 8 以下，虽然可进一步减少N O x 的生成，但烟气中H C N、N I-1 3 和煤中的焦炭N 的含量也会随之增加，继而在二级燃烧区(燃尽区)氧化成N O，使总的N O x 排放量增加。因此，i f,一般不低于0 7。对于具体的燃烧设备和煤种，(I t 值应通过试验确定。2 5 3 挥发份的影响煤的挥发份越高，燃料中氮向气相释放的量越大。相应地，气相氮向生成N O x 的转化量越多，而且这种转化也越快I 明。在煤燃烧的过程中，煤中的N 一部分随挥发份释放出来，另一部分残留在焦炭中并随焦炭的燃烧而释放出来【3 明。与空气中的N 2 相比较，挥发份中氮化物氧化反应的活化能低。因此，在较低温度下已大量生成N O，而且，N O 的生成速度比N O 还原分解的速度大，所以，一般在挥发份释出与煤粉着火区，将大量生成N O 4 5 1。挥发份N O 是燃料N O x 的主要组成部分，约占6 0-8 0 t 5 8 1。它是在燃烧的初始阶段形成的，即在距燃烧器很近的地方生成的。所以，燃烧器运行工况的变化将影响挥发份N O x 的多少。换言之，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，从而使挥发份N O x 减少。2 5 4 煤粉浓度的影响煤粉浓度与炉温密切相关，煤粉浓度越高，炉温越高【5 s 1。富煤缺氧的条件下，既不能促使热力型N O x 的生成，又使析出的大量挥发性N(H C N、N H 3)生成燃料型N O x 速率降低。富氧缺煤的条件下，过剩空气多，又降低了实际的燃烧温度，也抑制了热力型N O x 生成【斓。因此，可以从两方面有效地控制总N O x生成，减少N O x 排放。2 5 5 煤粉细度的影响煤粉越细，被加热得快，燃烧加快，因