第五章 煤炭洁净燃烧技术

第五章煤的洁净燃烧技术燃煤锅炉的低NOx燃烧技术循环流化床燃烧技术增压流化床燃烧联合循环发电技术整体煤气化联合循环发电要点将煤炭直接燃烧所产生的能量进行直接利用或转化为其它能量的形式（如电能），仍然是目前煤炭资源最为重要的转化方式和利用手段；目前消费的煤炭大约有95%是以燃烧方式利用的；煤炭利用过程中的污染物主要产生于其燃烧过程。如煤中的灰分在燃烧后会形成细的颗粒物直接污染大气；煤中的硫分在燃烧后会形成SO2，它是酸雨的主要来源；煤中的氮分燃烧后会形成NOx污染大气；概述煤炭可以通过燃前净化来达到减少污染排放的目标。但也可以通过燃烧过程的控制来实现污染物的排放量的减少。包括改变燃料性质、改进燃烧方式、调整燃烧条件、适当加入添加剂等方法来控制污染物的生成，从而实现污染物排放量的减少，这也是洁净煤技术的一个重要手段，称为煤的洁净燃烧技术。煤的燃中净化技术对污染物控制的效率稍低于烟气净化，但投资和运行成本要低于烟气净化，经济效益高。目前成熟洁净燃烧技术包括：煤粉低NOx燃烧技术、循环流化床燃烧和水煤浆燃烧技术。概述一、基本概念煤燃烧过程中，NOx生成物主要是NO和NO2，其中尤以NO最为重要，常规燃煤锅炉中NO生成量占NOx的总量的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。本节讨论的NOx主要涉及的是NO和NO2。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术二、燃煤锅炉NOx的生成机理根据NOx中的N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：热力型、燃料型和快速型，其中燃料型占主导作用。试验表明：燃煤过程中生成的NOx中NO占总量的90%以上，NO2只占5%~10%。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术图5-1炉膛内不同类型的NOx的生成量与炉温的关系第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（1）热力型NOx热力型NOx是参与燃烧的空气中的N在高温下氧化产生的，其生成过程是一个链式反应，又称为捷里多维奇机理。考虑到下列反应：则称为扩大的捷里多维奇机理。ONOONNNONOOO2222HNOOHN第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（1）热力型NOx由于N-N（三价键）的键能很高，室温下，空气中的N2非常稳定，几乎没有NOx生成。但随着温度的升高，化学反应速率是按指数倍迅速增加的。实验表明：当温度超过1200ºC时，已经有少量的NOx生成，超过1500ºC时，温度每增加100ºC，反应速率将增加6~7倍，NOx的生成量明显增加。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（1）热力型NOx但从总体来说，热力型NOx产生的反应速度要比燃烧时反应速度慢，而且温度对其生成起着决定性作用，因此，在锅炉燃烧时可以通过降低火焰温度、控制氧气浓度以及缩短煤在高温区的停留时间来抑制热力型NOx的生成，所以，通常在燃烧过程中，热力型NOx可以不予考虑。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（2）快速型NOx快速型的NOx中N的来源也是空气中的氮，但它遵循一条不同于捷里多维奇机理的途径而快速生成。通常认为是由于燃烧过程中，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与空气中的N2反应形成中间产物HCN、NH和N等，再进一步氧化而形成的NO，实验表明这个过程只需60ms，故称快速型NOx。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术图5-2煤粒周围NOx的生成机理第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（3）燃料型NOx由燃料中的N氧化而生成的NOx称为燃料型NOx；燃料型NOx是煤粉燃烧过程中NOx的主要来源，占总量的60%~80%；由于煤的热解温度低于其燃烧温度，因此在600~800ºC时就会生成燃料型NOx，而且其生成量受温度影响不大。煤的N含量在0.4~2.9%之间，在通常燃烧条件下，燃煤锅炉中大约只有20~25%的燃料N转化为NOx。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（3）燃料型NOx煤中绝大多数的N都是以有机N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，随后再被氧化生成NOx；另一部分焦炭中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。由于燃料型NOx生成量受燃烧过程中的空气量影响很大，常用过量空气系数（α）来表示燃烧过程空气量的多少，当α1时，表示空气过量，当α1时表示空气量不足，由下图可见，随着α的减少，燃料型NOx的生成量逐渐降低。这对于研究和开发燃料型NOx的控制技术相当重要。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术图5-3燃料型NOx的生成机理第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术图5-4过量空气系数和温度对燃料型NOx生成量的影响第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（3）燃料型NOx煤燃烧的NOx的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。一般来说无烟煤燃烧时NOx排放量最大，褐煤最小。这种情况不但与煤种有关，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，组织燃烧温度就越高，同时风量一般也越大，产生的原始的NOx排放量也就越多。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术三、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，合理组织燃烧方式等办法来抑制NOx生成的燃烧技术。如前面所述，在燃烧过程中，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。在燃烧过程中存在正反两方面的反应：（1）燃料中的N受热裂解生成含N中间产物（N、CN、HCN和NHi），再进一步被氧化成NOx；（2）生成的NOx被含氮中间产物（NHi等）还原成N2的反应。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术三、燃煤锅炉的低NOx燃烧技术因此抑制燃料型的NOx的生成，就是如何设计出使还原反应显著优先于氧化反应的条件和气氛。除此之外，抑制热力型NOx生成也能在一定程度上减少NOx的排放量。一般来说抑制热力型NOx的主要原则是：•降低过量空气系数和氧气浓度，使煤粉在缺氧条件下燃烧；•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；•缩短烟气在高温区的停留时间。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术三、燃煤锅炉的低NOx燃烧技术显然，上述原则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，必须全面综合考虑。综合分析可知，燃烧温度越高，燃烧范围内氧浓度越高，在高温范围内燃烧气化滞留时间越长，产生的NOx越多。因此在NOx形成之前，用改变燃烧条件的方法，可降低NOx的排放。采用的技术包括：改进已有的燃烧器，用新型低氮燃烧器替代原有燃烧器；空气分级燃烧技术；燃料分级燃烧技术；烟气再循环技术。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术三、燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（1）低过量空气燃烧使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行，随着烟气中过量氧的减少，可以抑制NOx的生成。这是一种最简单的降低NOx排放的方法，一般可降低NOx排放15%~20%。但锅炉内氧浓度不能过低（3%),这样会增加不完全燃烧的损失，引起飞灰含碳量增加，燃烧效率下降。所以在锅炉设计时，应选取合理的过量系数。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术三、燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（2）空气分级燃烧技术思路：绝大多数大型锅炉采用这种方法。它通过调整燃烧器及其附近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。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术三、燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（2）空气分级燃烧基本原理：在缺氧富燃料燃烧阶段，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，从而抑制了燃料型和热力型NOx的生成，同时由于不能完全燃烧，部分中间产物如HCN和NH3等会将部分已生成的NOx还原成N2，从而使燃料型NOx的排放量也有所降低。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十分有限。因此总体上NOx的排放量明显减少。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术三、燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（2）空气分级燃烧技术要点：合理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，粉煤不易点燃而且燃烧也不稳定；如果太高，NOx的生成量会上升，一般取0.8左右。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术三、燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（2）空气分级燃烧技术措施：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种方式。图5-5图5-6采用炉膛布风时的火上风(OFA)第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术三、燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（3）燃料分级燃烧技术技术思路：在空气分级燃烧技术中，煤粉先进行的是富燃料燃烧，不利于点燃和稳定燃烧，为此燃料再分级燃烧技术采用的是另外一种思路，即煤粉先经过完全燃烧，生成NOx，然后再利用燃料中的还原性物质将其还原，从而减少NOx排放。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术三、燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（3）燃料分级燃烧技术技术措施：与空气分级燃烧技术相似，燃料再燃烧技术可通过燃烧器实现燃料分级和炉膛内燃料再燃两类。①通过燃烧器实现燃料分级燃烧：其原理就是在燃烧器内将燃料分级供入，使一次风和煤粉入口的着火区在富氧条件下燃烧，提高了着火的稳定性，然后再与上方喷口进入的再燃燃料混合，进行再燃。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（3）燃料分级燃烧技术②炉膛内燃料再燃：炉膛内燃料再燃法将整个炉膛分成了主燃区、再燃区和燃尽区三个部分。在主燃区，约80%的燃料在富氧条件下点燃并完全燃烧，此处的过氧空气系数保持大于1，生成一定的NOx；其余燃料在再燃区送入，与主燃区生成的烟气和未燃尽的煤粒混合，形成还原性气氛，此处的过氧空气系数小于1，燃料中的C、CO、烃以及部分还原性氮，将NOx还原成分子氮。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术②炉膛内燃料再燃：图5-7炉膛内燃料再燃技术示意图第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（3）燃料分级燃烧技术②炉膛内燃料再燃：反应过程如下：最后在再燃区的上方通入过量空气（火上风），使总的过量空气技术大于1，使未燃烧的燃料完全燃烧，因此称为燃尽区。但由于此时的温度已经降低，NOx的生成量不大。OmHnCONOmnHCNOCONCONOCONCNOnn222222222)122(22222222第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（3）燃料分级燃烧技术②炉膛内燃料再燃：燃料再燃烧法的再燃燃料可以选用煤粉、天然气或燃料油等。由于炉膛再燃区往往比较狭小，燃料的停留时间也比较短，因此，再燃燃料需要容易着火，如果选用煤粉，通常采用高挥发份的煤种，且磨制成超细粉，这样会增加成本。所以采用天然气再燃比较多，一是工艺简单，二是天然气杂质氮少，本身燃烧不会增加NOx的生成，是比较有效的二次燃料。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（4）烟气再循环技术技术思路：该方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（140~180ºC）、含氧量也较低（8%左右），因此可以同时降低炉内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，也可以用来输送二次燃料，或与空气混合后掺混送入炉内，最后一种方法应用较多。第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术图5-8烟气再循环系统示意图第一节燃煤锅炉的低NOx燃烧技术（4）烟气再循环技术缺点：（1）该方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；（2）由于热力型NOx在燃烧锅炉中生成比例小，所以该方法对降低总NOx排放的