低NOx燃烧技术

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OO22(3-1)NNONO2(3-2)ONOON2(3-3)如考虑下列反应HNOOHN(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。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。NHCNNCH2(3-5)NCNNC2(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，这也是为什么目前液态炉用得不多的原因之一。图3-6进一步给出了都是煤粉炉不同燃烧方式的条件下的NOx排放量，从图中可以看出，从NOx原始排放量来看，最佳的是固态排渣的切向燃烧锅炉，这类锅炉也是煤粉炉中应用最广的一种炉型。在图3-6中同时还给出了为了满足环保要求，不同炉型的NOx排放控制要求的简单线算方法，因此通过这张图就可以初步判断用什么方法可以达到排放的要求。二、燃煤锅炉的低NOx燃烧技术低NOx燃烧技术就是根据NOx的生成机理，在煤的燃烧过程中通过改变燃烧条件、或合理组织燃烧方式等方法来抑制NOx生成的燃烧技术。正如前文所述，在燃煤过程中燃料型NOx，尤其是挥发分NOx的生成量占的比例最大，因此低NOx燃烧技术的基本出发点就是抑制燃料型NOx的生成。根据燃料型NOx的生成机理，可以将其生成过程归纳为如下竞争反应燃料氮→INOROI(R1)2NNOI(R2)其中I代表含氮的中间产物（N、CN、HCN和NHi），RO代表含氧原子的化学组分（OH，O，O2）。反应R1是指含氮的中间产物被氧化生成NOx的过程，反应R2指生成的NOx被含氮中间产物还原成N2的反应。因此抑制燃料型NOx的生成，就是如何设计出使还原反应R2显著的优先于氧化反应R1的条件和气氛。除此之外，抑制热力型NOx的生成也能在一定程度上减小NOx的排放量，只是效果很小。一般来讲抑制热力型NOx的主要原则是：①降低过量空气系数和氧气的浓度，使煤粉在缺氧的条件下燃烧；②降低燃烧温度并控制燃烧区的温度分布，防止出现局部高温区；③缩短烟气在高温区的停留时间。显然，以上原则多数与煤粉炉降低飞灰含碳量、提高燃尽率的原则相矛盾，因此在设计开发低NOx燃烧技术时必须全面考虑。目前常见的低NOx燃烧技术主要有：低NOx燃烧器技术、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术（又称再燃技术）和烟气再循环技术。各项技术的利用方式也不同，在燃煤锅炉中的布置位置也不同，如图3-7所示。1、烟气再循环技术烟气再循环法是指将一部分燃烧后的烟气再返回燃烧区循环使用的方法。由于这部分烟气的温度较低（140～180℃）、含氧量也较低（8%左右），因此可以同时降低炉内的燃烧区温度和氧气浓度，从而有效地抑制了热力型NOx的生成。循环烟气可以直接喷入炉内，或用来输送二次燃料，或与空气混合后掺混到燃烧空气中，工业实际中最后一种方法效果最好，应用也最多，如图3-8所示。用于再循环的烟气量与不采用再循环时的总烟气量的比值称为再循环率，再循环率与NOx排放量的关系如图3-9。但是，再循环率的提高是有限度的，循环烟量的增加，入口处速度增大，会使燃烧趋于不稳定，发生脱火现象同时增加了未完全燃烧的热损失；一般再循环率控制在15%～20%，此时NOx排放可以降低25%左右。另外该法需要添加配套设备如风机、风道等，使系统变得复杂并增加了投资，对于旧机组改造时往往受到场地的限制。由于热力型NOx在燃煤锅炉中生成比例较小，所以该方法对降低总NOx排放的效果也相对较小。另外必须注意的是，采用烟气再循环技术虽然降低了燃烧温度和氧气浓度，但也从而造成未燃炭的增加。2、空气分级燃烧技术空气分级燃烧技术是目前最为普遍的低NOx燃烧技术，它是通过调整燃烧器及其附近的区域或是整个炉膛区域内空气和燃料的混合状态，在保证总体过量空气系数不变的基础上，使燃料经历“富燃料燃烧”和“富氧燃尽”两个阶段，以实现总体NOx排放量大幅下降的燃烧控制技术。空气分级燃烧之所以能从总体上减少NOx排放的基本原理是：在富燃料燃烧阶段，由于氧气浓度较低，燃料的燃烧速度和温度都比正常过氧燃烧要低，从而抑制了热力型NOx的生成，同是由于不能完全燃烧，部分中间产物如HCN和NH3会将部分已生成的NOx还原成N2，从而使燃料型NOx的排放也有所减少。然后在富氧燃烧阶段，燃料燃尽，但由于此区域的温度已经降低，新生成的NOx量十分有限，因此总体上NOx的排放量明显减少。在空气分级燃烧技术中，合理的分配两级燃烧的过量空气系数是影响NOx排放控制效果的关键因素。经验表明：富燃料区的过量空气系数如果太低，煤粉不易点燃而且燃烧不稳定；如果太高，则NOx的生成量也会上升，一般取0.8左右。根据分级燃烧实现的区域和方式，可大致分为通过燃烧器设计实现空气分级、通过加装一次风稳燃体实现空气分级和通过炉膛布风实现空气分级三类。①通过燃烧器设计实现空气分级。对煤粉炉来讲，燃烧器是燃烧系统中最为重要的设备，它的结构和布置直接决定了燃料和空气的混合情况，从而影响到燃料的着火及燃烧过程。不管是何种燃烧器，空气的送入通常都已经分了一次风、二次风和三次风等，这为进一步的分级燃烧降低NOx的形成创造了良好的条件。因此可以通过燃烧器设计来实现空气分级燃烧，彩图2是正在安装中的低氮氧化物燃烧器。在所利用不同方法实现降低NOx排放的燃烧器，即低NOx燃烧器（LNB）中，空气分级方式是最为常见的。对于直流燃烧器和旋流燃烧器，其组织煤粉燃烧的方式不同，一般直流燃烧器采用四角切圆布置，通过整体火焰发生旋转来强化煤粉和空气的混合；而旋流则采用墙式燃烧，通常靠二次风的旋转来使气流强烈混合。由此采用两类燃烧器产生生的混合和燃烧情况是不相同的，所以采用的空气分级方式也不一样。如图3-10所示，同轴燃烧技术又有两种形式：一种是使同轴的两个切圆旋转方向同向；另一个则是反向。一般同向时会加剧炉内整体旋转的动量，引起炉膛出口烟气与空气的混合。在实际应用中，经常在炉内的不同高度分别布置反向和正向切圆，既可以使混合程度加强，也可以互相产生抵消降低炉内整体的旋转。如图3-11为某燃烧烟煤的300MW锅炉同轴燃烧系统中一次风、二次风的布置，其各层的二次均采用反向的方式。b.直流燃烧器浓淡燃料燃烧技术。燃料浓淡燃烧的基本原理是在燃烧器喷口前，经过惯性分离等方法使一次煤粉气流分离成煤粉浓度不同的两股煤粉气流，一股煤粉气流实现富燃料燃烧，其火焰稳定，有利于着火过程，同时由于其相对含氧量低，可有效控制燃料型NOx的形成；另一股煤粉气流进行贫燃料燃烧，燃烧温度较低，可使热反应型NOx生成量减少，然后再混合完成整个燃烧过程。通常燃料可以在水平或是垂直方向上实现浓淡分离。水平浓淡燃烧方式见图3-12。将浓相煤粉气流喷向向火侧，稀相煤粉气流喷向背火侧，形成内浓外稀两层切圆的分级燃烧方式。垂直浓淡燃烧方式是将一次煤粉气流分离成两股后，将原来的一个一次风喷口分成垂直方向分开有一定距离的上下两个喷口，从而形成上下浓淡的燃烧方式。图3-13所示为日本三菱公司的PM型低NOx燃烧器，这是一种典型的垂直浓淡燃烧技术。一次风和煤粉混合气流在进入燃烧器前，先经过一个弯头进行惯性分离，因煤粉的密度大于气体而因惯性分离成浓煤粉气流进入上面的燃料相对富的喷口，而相对煤粉浓度较低的煤粉气流进入下面的贫燃料喷口，从而实现了上下垂直浓淡燃烧。实验表明这种浓淡燃烧方式可以降低NOx的排放30%左右。c.旋流燃烧器空气分级技术。旋流燃烧器是更为广泛应用于燃煤锅炉的燃烧器形式，它一般采用墙式燃烧。传统的旋流燃烧器的特点是一次风煤粉气流以直流或旋流的方式