低NOx燃烧技术.doc

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1、燃煤锅炉的低NOx燃烧技术NOx是对N2O、NO2、NO、N2O5以及PAN等氮氧化物的统称。在煤的燃烧过程中，NOx生成物主要是NO和NO2，其中尤以NO是最为重要。实验表明，常规燃煤锅炉中NO生成量占NOx总量的90%以上，NO2只是在高温烟气在急速冷却时由部分NO转化生成的。N2O之所以引起关注，是由于其在低温燃烧的流化床锅炉中有较高的排放量，同是与地球变暖现象有关，对于N2O的生成和抑制的内容我们将结合流化床燃烧技术进行介绍。因此在本章的讨论中，NOx即可以理解为NO和NO2。一、燃煤锅炉NOx的生成机理根据NOx中氮的来源及生成途径，燃煤锅炉中NOx的生成

2、机理可以分为三类：即热力型、燃料型和快速型，在这三者中，又以燃料型为主。它们各自的生成量和炉膛温度的关系如图3-1所示。试验表明，燃煤过程生成的NOx中NO占总量的90%，NO2只占5%～10%。1、热力型NOx热力型NOx是参与燃烧的空气中的氮在高温下氧化产生的，其生成过程是一个不分支的链式反应，又称为捷里多维奇（Zeldovich）机理(3-1)(3-2)(3-3)如考虑下列反应(3-4)则称为扩大的捷里多维奇机理。由于N≡N三键键能很高，因此空气中的氮非常稳定，在室温下，几乎没有NOx生成。但随着温度的升高，根据阿仑尼乌斯（Arrhenius）定律，化学反应速

3、率按指数规律迅速增加。实验表明，当温度超过1200℃时，已经有少量的NOx生成，在超过1500℃后，温度每增加100℃，反应速率将增加6～7倍，NOx的生成量也有明显的增加，如图3-1所示。但总体上来说，热力型NOx的反应速度要比燃烧反应慢，而且温度对其生成起着决定性的影响。对于煤的燃烧过程，通常热力型NOx不是主要的，可以不予考虑。一般来说通过降低火焰温度、控制氧浓度以及缩短煤在高温区的停留时间可以抑制热力型NOx的生成。2、快速型NOx快速型NOx中的氮的来源也是空气中的氮，但它是遵循一条不同于捷里多维奇机理的途径而快速生成的。其生成机理十分复杂，如图3-2所示

4、。通常认为快速型NOx是由燃烧过程中的形成活跃的中间产物CHi与空气中的氮反应形成HCN、NH和N等，再进一步氧化而形成的。在煤的燃烧过程中，煤炭挥发分中的碳氢化合物在高温条件下发生热分解，生成活性很强的碳化氢自由基（CH·，CH2·），这些活化的CHi和空气中的氮反应生成中间产物HCN、NH和N，随后又进一步被氧化成NO，实验表明这个过程只需60ms，故称为快速型NOx，这一机理是由费尼莫（Fenimore）发现的，所以又称为费尼莫机理。(3-5)(3-6)由图3-1可以看出，在煤粉燃烧过程中快速型NOx生成量很小，大致在（10～100）×10-6，且和温度关系不

5、大。但随着NOx排放标准的日益严格，对于某些碳氢化合物气体燃料的燃烧，快速型NOx的生成也应该得到重视。3、燃料型NOx由燃料中的N生成的NOx称为燃料型NOx，由图3-1可知，燃料型NOx是煤粉燃烧过程中NOx的主要来源，占总量60%～80%。同时由于煤的热解温度低于其燃烧温度，因此在600～800℃时就会生成燃料型NOx，而且其生成量受温度不大。煤的氮含量在0.4%～2.9%之间，且随其产地的不同有较大差异。煤中绝大多数的氮都是以有机氮的形式存在。在燃烧过程中，一部分含氮的有机化合物挥发并受热裂解生成N、CN、HCN和NHi等中间产物，随后再氧化生成NOx；另一

6、部分焦炭中的剩余氮在焦炭燃烧过程中被氧化成NOx，因此燃料型NOx又分为挥发分NOx和焦炭NOx。该过程如图3-3所示。实验表明，在通常的燃烧条件下，燃煤锅炉中大约只有20%～25%的燃料氮转化为NOx，而且受燃烧过程空气量影响很大，常用过量空气系数（α）来表示燃烧过程空气量的多少，一般定义在化学当量比下的过量空气系数为1，大于1表示空气过量，小于1表示空气量不足。如图3-4所示，当过量空气系数α=0.7时，燃料型NOx的生成量接近于零，然后随过量空气系数的增加而增加。同时进一步研究表明，焦炭氮向NOx的转化率很低，大多数燃料型NOx属于挥发分NOx，以上知识对于研

7、究和开发燃料型NOx的控制技术是相当重要的。煤燃烧的氮氧化物形成实际上是一个非常复杂的过程，与煤种、燃烧方式及燃烧过程的控制密切相关。对于各种不同的煤种的原始NOx排放情况，一般来说无烟煤燃烧时的NOx排放量最大，褐煤燃烧时为最小，这不但与煤种有关，更重要的是与煤的燃烧方式有关，煤中的挥发分越低，燃烧时为了燃烧的要求，组织的燃烧温度越高，同时风量一般也最大，就形成了原始的NOx排放也越高。图3-5所示的是不同的燃煤锅炉炉型所产生的原始NOx排放量的状况，从图中可以看来，对于循环流化床锅炉具有最好的低NOx排放性能，原始排放量最大的是液态排渣煤粉炉，这也是为什么目