4低氮燃烧技术原理-培训教程(DOC45页)7688.doc
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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.京能集团运运行人员培培训教程BEIH Plaant CCoursse低氮燃烧技技术原理low NNOX ccombuustioon teechnoologyyMAJTD NOO.1000.2目 录1低氮燃烧烧技术11.1 NNOX产生机理理和抑制方方法11.2影响响NOX生成量的的因素62.低氮燃燃烧技术1132.1 基基本原理1133.空气分分级低NOX燃烧技术术原理及其其技术特征征分析1443.1空气气分级燃烧烧的基本原原理153.2空气气分级燃烧烧的主
2、要形形式153.3轴向向空气分级级燃烧的影影响因素1163.4径向向空气分级级燃烧的影影响因素1163.5燃尽尽风的种类类163.6燃尽尽风布置方方式的选择择223.7空气气分级燃烧烧技术的应应用前景2234.燃料分分级燃烧2244.1燃料料再燃的原原理244.2再燃燃燃料的选选择254.3再燃燃燃料的选选取254.4影响响再燃效果果的主要因因素274.5燃料料再燃技术术的发展前前景275.烟气再再循环低NOX燃烧技术术原理及其其技术特征征分析2775.1烟气气再循环机机理285.2烟气气再循环率率的选择2285.3利用用烟气再循循环实现HTACC296.低NOOX燃烧器技技术原理及及型式29
3、96.1低NNOX燃烧器的的原理2996.2直流流煤粉燃烧烧器306.3旋流流煤粉燃烧烧器326.4双调调风燃烧器器337.低NOOX燃烧器的的发展前景景398题库411I1低氮燃烧烧技术1.1 NNOX产生机理理和抑制方方法 锅锅炉燃烧过过程中成成成的氮氧化化物(主要要是NO和NO2)严重地地污染了环环境。因此此,抑制NOX的生成已已成为大容容量锅炉的的燃烧器设设计及运行行时必须考考虑的主要要问题之一一。锅炉燃燃烧过程中中产生的NOX一般可分分为三大类类:即热力力型NOX(Therrmaoll NOXX)、燃料型NOX(Feull NOXX)、和快快速型NOX(Prommpt NNOX)。上
4、述3种氮氧化化物的组成成随燃料含含氮量不同同有差别。对对于燃煤,通通常燃料型型NOX占7085,热热力型NOOX占1525,其其余为少量量的快速型型NOX。图1-1 不同类型NOX生成量与与炉膛温度度的关系1.1.11热力型:热力型NOOX是高温温下空气中中氮气氧化化而成,其其生成机理理是由原苏苏联科学家家捷里道维维奇提出来来的。温度度对热力型型NOX的影影响十分非非常明显,热热力型NOOX又称为为温度型NNOX。当当燃烧温度度低于18800K时时,热力NNOX生成成极少;当当温度高于于18000K时,反反应逐渐明明显,且随随温度的升升高,NOOX生成量量急剧升高高。控制热热力型NOOX的关键
5、键在于降低低燃烧温度度水平,避避免局部高高温。(1) 产生机理:1) 化学反应及及反应物、生生成物活化化能的影响响:按泽尔多维维奇机理,NO生成可用如下一组不分支连锁反应来说明。 O2OO+O NN2+ONO+NN N+O22NO+OO上述反应是是一个连锁锁反应,决决定NO生成速速度的是原原子N的生成速速度,反应应式 N+O2NO+OO相比于式式 N2+ONO+NN是相当迅迅速的,因因而影响NNO生成速速度的关键键反应链是是反应式 N2+ONO+NN,反应式 NN2+ONO+NN是一个吸吸热反应,反反应的活化化能由反应应式反应和和氧分子离离解反应的的活化能组组成,其和和为5422X1033J/
6、mool。分子子氮比较稳稳定,只有有较大的活活化能才能能把它氧化化成NO,在反反应中氧原原子的作用用是活化链链接的环节节,它源于于O2在高温条条件下的分分解。热力力型NOXX的生成量量伴随氧气气浓度和温温度的增大大而加大。正正因为氧原原子和氮分分子反应的的活化能很很大,而原原子氧和燃燃料中可燃燃成份反应应的活化能能又很小,在在燃烧火焰焰中生成的的原子氧很很容易和燃燃料中可燃燃成份反应应,在火焰焰中不会生生成大量的的NO,NO的生成成反应基本本上在燃料料燃烧完了了之后才进进行。热力力型NOXX的生成速速度要比相相应的碳等等可燃成份份燃烧速度度慢,主要要生成区域域是在火焰焰的下游位位置。2) 反应
7、时间的的影响:在锅炉燃烧烧水平下,NO生成反应还没有达到化学平衡,因而NO的生成量将随烟气在高温区内的停留时间增长而增大。另外,氧气的浓度直接影响NO的生成量,氧浓度水平越高,NO的生成量就会越多。当温度高于1500时,NO生成反应变得十分明显,随着温度的升高,反应速度按阿累尼乌斯定律按指数规律迅速增加。通过实验得到,温度在1500以上附近变化时,温度每升高100,上述反应的速度将增大6-7倍。可见温度具有决定性影响。因此也就把这种在高温下空气中的氮氧化物称之为温度型NOX。(2) 热力型NOOX的抑制制:热力型NOOX的产生生源于空气气中的氮气气在15000 以上的高高温反应环环境下氧化化,
8、所以,控控制热力型型NOX的主主要从一下下几方面入入手:1) 降低燃烧反反应是的温温度,避开开其反应所所需要的高高温环境;2) 使氧气浓度度处于较低低的水平;3) 减少空气中中的氮气浓浓度;4) 缩短热力型型NOX生成成区的停留留时间。一般来说,工工业燃烧过过程中以空空气为氧化化剂时控制制N2的浓度不不容易实现现,而富氧氧燃烧或纯纯氧燃烧技技术就是以以减少N2从而减少少热力型NNOX的一一种方法。降降低燃烧温温度在工程程实践中是是通过向火火焰面喷射射水/水蒸气来来实现的。降降低氧浓度度可以通过过烟气循环环来实现。使使一部分烟烟气和新鲜鲜空气混合合,既可以以降低氧浓浓度,同时时可以降低低火焰的温
9、温度。此外外分级燃烧烧和浓淡燃燃烧技术也也可以控制制热力型NNOX。1.1.22快速型:快速型NOOX主要是指指燃料中的的碳氢化合合物在燃料料浓度较高高区域燃烧烧时所产生生的烃与燃燃烧空气中中的N2分子发生生反应形成成的CN、HCN,继续氧氧化而生成成氮氧化物物。因此,快快速型氮氧氧化物主要要产生于碳碳氢化合物物含量较高高、氧浓度度较低的富富燃料区。快快速温度型型NOX是空气中中的氮分子子在着火初初始阶段,与与燃料燃烧烧的中间产产物烃(CHi)等发生生撞击,生生成中间产产物HCN和CN等,在经经氧化最后后生成NOX。其转化化率取决于于过程中空空气过剩条条件和温度度水平。(1) 产生机理:快速温
10、度型型NOX的产产生是由于于氧原子浓浓度远超过过氧分子离离解的平衡衡浓度的缘缘故。测定定发现氧原原子的浓度度比平衡时时的浓度高高出十倍,并并且发现在在火焰内部部,由于反反应快,OO、OH、H的浓度偏偏离其平衡衡浓度,其其反应如下下:H+O2OH+OOO+H2OH+HHOH+H22H2O+H 可可见,快速速温度型NNOX的生生成可以用用扩大的泽泽尔多维奇奇机理解释释,但不遵遵守氧分子子离析反应应处于平衡衡状态这一一假定。经实验发现现,随着燃燃烧温度上上升,首先先出现HCCN,在火火焰面内到到达最高点点,在火焰焰面背后降降低下来。在在HCN浓度度降低的同同时,NOO生成量急急剧上升。还还发现在HH
11、CN浓度度经最高点点转入下降降阶段时,有有大量的NNHi存在在,这些胺胺化合物进进一步氧化化生成NOO。其中HCCN是重要要的中间产产物,900%的快速速温度型NNOX是经经HCN而产产生的。快快速温度型型NOX的生生成量受温温度的影响响不大,而而与压力的的0. 55次方成正正比。在煤煤粉炉中,其其生成量很很小,一般般在5%以下。正正常情况下下,对不含含氮元素的的碳氢燃料料的较低温温度的燃烧烧反应中,才才着重考虑虑快速型NNOX。(2) 快速型NOOX的抑制制原理快速型NOOX的特征征是温度依依赖性低,生生成速度快快。根据快快速型NOOX的生成成机理考虑虑,它是由由N2分子和和CHI自由由基反
12、应生生成的HCCN , HCNN又被数个个基元反应应氧化而成成的。所以以快速型NNOX的控控制主要从从两个方面面来入手考考虑:抑制N2分子和和CHI自由由基的反应应以及HCCN的多个个基元反应应。1.1.33燃料型:燃料型NOOX是燃料料中氮化合合物在燃烧烧过程中热热分解且氧氧化而生成成的,是燃燃煤电厂锅锅炉产生氮氮氧化物的的主要途径径,其生成成量主要与与氧浓度(化化学当量比比)有关。燃燃料型NOOX包括挥挥发分中均均相生成的的NOX和由由残焦中异异相生成的的NOX两部部分。挥发发分中的氮氮主要以HHCN和NHi的形式析析出,随后后氧化生成成NOX。焦焦炭中氮可可以通过异异相反应氧氧化生成NN
13、OX。其其中由挥发发分燃料氮氮转化而成成的燃料型型NOX(简简称挥发分分燃料型NNOX)约约占6080,由由焦炭燃料料氮转化而而成的NOOX(简称称焦炭燃料料型NOXX)约占20040。燃料中氮的的化合物中中氮是以原原子状态与与各种碳氢氢化合物结结合的,与与空气中氮氮相比,其其结合键能能量较小,因因而这些有有机化合物物中的原子子氮较容易易分解出来来,氮原子子的生成量量大大增加加,液体与与固体燃料料燃烧时,由由于氮的有有机化合物物放出大量量的氮原子子,因此无无论是挥发发燃烧中还还是焦炭燃燃烧阶段都都生成大量量的NO。就煤煤而言,燃燃料氮向NNOX转化化过程大致致有三个阶阶段:首先是有有机氮化合合
14、物随挥发发分析出一一部分,其其次是挥发发分中氮化化合物燃烧烧,最后是是炭骸中有有机氮燃烧烧。(1) 产生机理:燃料燃烧时时,燃料氮氮几乎全部部迅速分解解生成中间间产物I,如果有有含氧化合合物R存在时,则则这些中间间产物I(指N,CN,HCN和NHi等化化合物)与R(指O,O2和OH等)反应生成成NO,同时时I还可以与与NO发生反反应生成NN2:燃料(N) I II+RNO+ II+NON2燃煤中的氮氮分为挥发发性氮和焦焦炭氮,其其中挥发性性氮被释放放后含有一一定量的NNH3,并按下下式进行反反应: NHH3+02NO+焦炭N+OO2NO+燃煤中的氮氮生成NOOX主要取取决于煤中中的含氮量量,显
15、然煤煤中的含氮氮量越高,生生成的NOOX越多。当当锅炉内生生成NOXX时,还存存在一系列列氧化还原原反应。燃料氮的转转化率主要要受温度、过过量空气系系数(富裕氧浓浓度)和燃料含含氮量的影影响,一般般在10%45%范围内。随着氮的转转化率(主要受温温度影响)升高,燃燃料氮转化化率不断提提高,但这这主要发生生在70008000温度区间间内。因为为燃料NOO既可通过过均相反应应又可通过过多相反应应生成,燃燃烧温度很很低时,绝绝大部分氮氮留在焦炭炭内;而温温度很高时时,70% -900%的氮以以挥发分形形式析出。浙浙江大学研研究表明,850时,70%的NO来自焦炭燃烧;1150时,这一比例降至50%。
16、由于多相反应的限速机理,在高温时可能向扩散控制方向转变,故温度超过900以后,燃料氮转化率只有少量升高。其主要的生生成阶段是是燃烧起始始时候,在在煤粉炉占占NOX生成成总量的约约60%一80%左右右,目前对对燃料型NNOX的研研究仍在继继续深入。燃燃煤中氮元元素的含量量一般约为为0.5%2.5%,以N原子状态态与煤中的的碳氢化合合物相紧密密结合,以以链状或环环状形式存存在,主要要是以N-C和N-H键的的形式存在在,N-CC和N-H键要要比分子氮氮的N-NN键能小的的多,更容容易被氧化化断裂生成成NOX,从从这个反应应的机理可可以看出燃燃料型NOOX要比热热力型NOOX更容易易产生。由由于这种氮
17、氮氧化物是是燃料中的的氮化合物物经过热分分解和氧化化产生的,故故称之为燃燃料型NOOX 。而焦炭氮煤煤在通常的的燃烧温度度下以产生生燃料型和和热力型NNOX为主主,对不含含氮的碳型型燃料,只只在较低温温度燃烧时时,才需要要重点考虑虑快速型NNOX,而而当温度超超过10000时,则主主要生成热热力型NOOX。可见见,降低燃燃烧温度可可有效减少少NO的生成成,但当温温度降低到到900以下时,燃燃料N向N2 O的转化率率将提高。因因此,仅通通过降低燃燃烧温度来来控制NOOX的排放放是不够的的,需要兼兼顾各方面面因素。(2) 燃料NOXX的抑制:经理论和试试验研究结结果表明,煤煤粉中氮转转化成NOOX
18、的量主主要取决于于炉内过量量空气系数数的高低,当当煤粉在缺缺氧状态下下燃烧时,挥挥发出来的的N和C,H竞争环境境中不足的的氧气。但但是由于氮氮竞争能力力相对较弱弱,这就减减少了NOOX的形成成;氮虽竞竞争氧能力力较差,但但是却可以以之间相互互作用而生生成无害的的氮气分子子。由以上上结论可以以看出,在在富燃料条条件下降低低炉内的过过量空气系系数能在很很大程度上上抑制燃料料型NOXX的生成。同时,燃料料中的含氮氮量也是影影响燃料型型NOX生成成的一个重重要因素。研研究发现,含含氮量越高高的燃料生生成NOXX的转化率率越低。但但是由于基基数相对较较大,实际际燃烧过程程中高含氮氮量燃料最最终所产生生的
19、燃料型型NOX要远远大于含氮氮量低的燃燃料。研究究表明燃料料中的氮是是在较低温温度下就开开始分解,故故温度对燃燃料型NOOX的生成成影响不是是很大。综上所述,降降低燃料型型NOX的主主要因素是是减少反应应环境中的的氧气浓度度,使煤粉粉在a11环境中进进行燃烧反反应;在扩扩散燃烧时时候推迟空空气和燃料料的混合;在允许条条件下应当当燃用含氮氮量低的燃燃煤。燃烧过程中中最终生成成的NO浓度和和燃料中氮氮全部转化化成NO时的浓浓度比为燃燃料型NOOX的转化化率CR【最最终生成的的NO浓度】【燃料全全部转化成成NO的浓度度】试验研究表表明,影响响CR的主要要因素是煤煤种特性以以及炉内的的燃烧条件件。用挥
20、发分化化学当量比比(SRVV Stooichiiomettric Ratiio off Vollatille)来表表征挥发分分燃烧过程程中的气氛氛。对挥发份析析出时刻进进行气氛的的有效控制制,可以有有效抑制NNOX的生生成,这一一结论从微微观角度验验证了空气气分级技术术对NOXX深层控制制的可行性性。1.2影响响NOX生成量的的因素1.2.11煤质条件件煤是一种含含有大量CC,H,O和少量S,N等有机物物和部分无无机物的沉沉积岩。煤煤里面的NN原子一般般是以链状状或者环状状两种形态态存在于物物质当中,经经研究发现现,如果NN以环状形形态存在于于物质中,通通过燃烧一一般不会转转化成为氮氮氧化物,
21、所所以对环境境的污染相相对较少,但但是如果以以链状的形形态存在于于物质中,经经过剧烈的的燃烧化学学反应多数数被氧化成成氮氧化物物,造成大大气污染。然然而煤中的的N元素的主主要存在形形式为链状状,所以煤煤燃烧过程程就伴随大大量的氮氧氧化物的产产生。(1) 煤质氮含量量:常规燃料中中,除天然然气基本上上不含氮化化物外,其其他燃料或或多或少地地含有氮化化物,其中中石油的平平均含氮量量为0.665%左右右,煤的含含氮量一般般在0.55%2.5%左右。通通常,燃料料中大约220%80%的N转化为NOOX ,其其中NO又占90%95%。当当燃料中的的N含量超过过0.1%时,燃料料型NOXX排放将是是最主要
22、的的。燃料的的N含量增加加时,虽然然生成的燃燃料型NOOX量增加加,但NOOX的转化化率却减少少;煤的燃燃料比FCC/V越高高, NOOX的转化化率越低。(2) 挥发分含量量我国发电用用煤中N和挥发分分含量:对对于所考察察数据库中中的煤种,随随干燥无灰灰基挥发分分含量(Vdaff )的增增加,收到到基N含量(Nar)呈逐渐降降低的趋势势,只有少少数挥发分分很高的褐褐煤稍偏离离这一趋势势。锅炉燃用煤煤种主要是是贫煤和烟烟煤,但挥挥发分含量量在2030之间间的较少,因因为这一范范围的烟煤煤主要是炼炼焦煤不不用作锅炉炉燃料对于于所统计的的锅炉和煤煤种。燃煤煤高挥发分分含量煤的的锅炉NO排放量一一般较
23、低。相相比起来,燃燃用贫煤比比燃用烟煤煤的锅炉NNO排放质量量浓度高得得多,如图图1-2、图1-3。图1-2 无烟煤挥挥发份氮v与关系 图1-3 烟煤挥发发份氮v与关系国内外大量量的实验室室研究结果果和实际锅锅炉现场试试验的经验验表明,煤煤的挥发分分含量是影影响锅炉NNOX生成成和排放量量的主要因因素之一,这这是因为煤煤中挥发分分的释放和和燃烧相当当程度上决决定了煤粉粉火焰特别别是燃烧初初期高温区区的温度及及其分布,因因此在燃燃烧空气充充分的条件件下高挥挥发分煤燃燃烧的火焰焰温度高,这这种情况下下燃烧生成成的NOXX质量浓度度随煤的挥挥发分的增增加而增加加,但另一一方面挥挥发分的释释放和快速速
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