发布时间 : 星期六 文章天津大学化工创新实践选修课小论文更新完毕开始阅读
再进一步与氧气作用以极快的速度生成NOx,称为快速型NOx,三是燃料中含氮化合物在燃烧中氧化生成的NOx ,称为燃料型NOx。
研究表明热力型NOx生成速度与燃烧温度关系很大,升温有利于生成NOx ,相反,降温会使热力型NOx形成受到明显抑制。在温度小于1300℃时,几乎看不到NO的生成反应, NOx生成量很小,只有当温度高于1300℃以上, NO的生成反应才逐渐明显, NOx生成量逐渐增大。因此,在一般的煤粉炉固态排渣燃烧方式下,热力型NOx所占的比例极小。氧气浓度的增加和在高温区停留时间的延长,都会促进热力型NOx生成。在典型的煤粉火焰中,热力型NOx占总排放量的20%左右。若降低燃烧温度,就能有效降低热力型NOx的生成。快速型NOx只有在较富燃的情况下,即在碳氢化合物CH较多,氧气浓度相对较低时才能发生。在燃煤锅炉中, 其生成量很小一般在5%以下,往往可以忽略不计。燃料型NOx是总的NOx的主要部分,占65%～85 %以上。燃料型NOx的生成机理极其复杂。德国斯图加特大学的Hein教授认为燃料型NOx的形成与煤的热解产物和火焰中的氧气浓度密切相关 ,其中氧气浓度及其分布状况对NOx的产生起决定性作用 ,如果在主燃烧区延迟煤粉与氧气的混合,造成燃烧中心缺氧,可使绝大部分气相氮和部分焦炭氮转化为氮气。另外煤中的挥发性物质成分,特别是还原性成分的增加,会对NOx的降低产生积极的作用。Wauzl等的研究结果表明,燃料氮在低温条件下不易释放出来。此外,燃料型NOx除了与燃料本身有关。另外,还与燃烧状况(氧气的浓度、燃烧温度及空气的混合状况)相关,氧气的浓度越高,燃烧温度越高,生成量就越大。此外烟气在高温区滞留时间越长,生成量就越大。
3.4 氮氧化物排放途径
电站锅炉低氮氧化物排放途径有两大类:一次燃烧控制措施及二次烟气净化措施,也就是低氮氧化物燃烧技术和烟气氮氧化物净化技术，降低氮氧化物排放的首选是燃烧控制,当采用燃烧控制措施还不能满足排放标准时,就需要安装烟气脱硝设备。
3.4.1 脱硝技术
烟气氮氧化物净化技术主要指选择性催化还原法脱硝技术(SCR,Selective Catalytic Reduction)和选择性非催化还原法脱硝技术(SNCR, selective Non-Catalytic Reduction)
SCR法以NH3作还原剂,在较低温度和催化剂的作用下NH3能够有选择性地将废气中的氮氧化物还原为N2。NH3分解反应和NH3氧化为NO的反应都在350℃以上才能进行,450℃以上时这两个副反应的反应速率较大\所以,在一般的选择性催化还原工艺流程中,反应温度控制在300℃以下,SCR技术的脱硝率为50%一90%,它能大幅度地降低氮氧化物排放量(可达
200mg/Nm3以下),但SCR法的配套设备价格相对昂贵,一般占电站投资的20%左右,而且其运行费用也相对较高。
SNCR法是在无催化剂作用下,NH:或尿素等氨基能够选择性地还原烟气中的氮氧化物。SNCR法设备简单,运行费用相对较低,但该技术的工作温度低于900℃时,NH:的还原反应不能完全进行,严重的会造成“氨穿透”;而工作温度高于1100℃时NH3氧化为NO的量大幅增加,导致氮氧化物排放浓度增大。所以,SNCR法的工作温度要严格控制在950℃一1050℃这一相对狭窄的温度范围内，SNCR法的脱硝率为20%一50%,SNCR法的投资一般约为SCR法的15%。
3.4.2 低NOx燃烧技术
低氮氧化物燃烧技术措施主要包括燃烧优化、炉内空气分级、燃料分级、烟气再循环以及低氮氧化物燃烧器等技术。降低氮氧化物的最为有效的方法是降低火焰温度、NZ浓度和02浓度，即在燃烧时,燃烧温度要低,在高温区域的滞留时间要短,在高温区的02浓度要低，低
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氮氧化物燃烧技术主要从这几方面着手,以下介绍几种主要的低氮氧化物燃烧技术。
(一)低氧燃烧
减少氧的浓度有利于控制氮氧化物的生成，因此，低氧燃烧技术是控制氮氧化物排放的
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有效手段，同时对于降低锅炉的排烟热损失，提高锅炉热效率也非常有利。对于不同的火电锅炉，过量空气系数对氮氧化物生成浓度的影响程度不尽相同，因而在采用低氧燃烧技术后，氮氧化物降低的程度也不太可能相同，实际工程中则通过试验来确定低氧燃烧的效果。实现低氧燃烧，必须准确控制各燃烧器的燃料与空气的配比，并使炉内燃料和空气相对平衡。对于燃油锅炉，更应该选用性能良好的雾化器和调风器，保证燃料与空气的混合良好，而且各燃烧器之间的空气分配也要比较均匀。
(二)废气再循环
将燃烧生成的部分物质(即废气，相当于正常燃烧空气体积的15%-30%)由一次燃烧喷嘴吹入炉内进行再次燃烧，可降低火焰温度和O2浓度，因此也可以有效地减少氮氧化物的生成。再循环烟道气与燃烧空气混合吹入的描述如图6所示，因烟道气比外部的氧分低，因此抑制了氮氧化物的生成。特别是质量流量增大了，降低了火焰温度，从而能够降低烟道气中氮氧化物的排放量。
图6 烟道排气再循环简图
(三)浓淡燃烧
由于氮氧化物的生成与过量空气系数有关。当过量空气系数接近1时，氮氧化物生成浓度值最大;过量空气系数小于1时，由于O2浓度较低，燃烧过程缓慢，可抑制氮氧化物的生成;当过量空气系数大于1.5时，由于燃烧温度低下，也能抑制氮氧化物的生成。因此通过燃料稀薄燃烧的燃烧器和燃料过浓燃烧的燃烧器互相配置交替使用也可以有效地降低氮氧化物的生成量。一般实现浓淡偏差燃烧技术有两种方法:一种是在总风量不变的情况下，调整上下燃烧器喷口的燃料与空气的比例;另一种是采用宽调节比(WR,Wide Range)燃烧器。当煤粉气流进入燃烧器前的管道转变处时，由于离心力作用，煤粉被浓缩到燃烧器弯头的外侧，内侧则为淡粉流，实现了浓淡偏差燃烧，可以使氮氧化物生成量降低，浓煤粉流由于热容量小和高温烟气回流，将先着火。然后对淡煤粉流进行辐射加热使之着火，这样火焰比较稳定，可燃物损失减少，因此这种燃烧器具有高效低氮氧化物排放的综合性能。我国一些300MW和600MW锅炉由于采用了宽调节比燃烧器与顶部燃烬风相结合的低氮氧化物技术措施，有的还加上同心反切或正反切圆燃烧系数，得到很好的氮氧化物减排控制效果。
(四)空气分级燃烧
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空气分级燃烧技术最早是由美国在50年代发展起来的，是目前使用最为普遍的低氮氧化物排放技术。其基本原理是将燃烧所用的空气分两个阶段供给燃烧系统:第一阶段供给燃料燃烧所需理论空气量的40%-80%，减少煤粉燃烧区域的空气量，使煤粉进入炉膛时就形成了一个富燃料区，以降低燃料型氮氧化物的生成量;第二阶段是对不完全燃烧生成物适当地供给二次空气以达到完全燃烧，控制了火焰温度的上升趋势，进而控制了热力型氮氧化物及燃料型氮氧化
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物的生成量。
(五)燃料分级燃烧
燃料分级燃烧通常采用的形式是燃料再燃烧技术，因其燃烧过程分成主燃烧区、再燃烧区及燃烬区三个区域，所以也称为三级燃烧技术，其原理如图7所示。燃料分级燃烧的目的是把主燃烧
区域中生成的氮氧化物在次燃烧区还原成为氮气(Na)以降低氮氧化物排放。由于氮氧化物在遇到烃根(CH;)和不完全燃烧产物(CO, H2, C和CmHn)时会发生一氧化氮的还原反应，因此，三级燃烧的基本思路是:在主燃烧区喷入占入炉总量80%-85%的煤粉，在低过量空气系数条件下(氧化性气氛或弱还原性气氛下)通过 图7 三级燃烧技术
常规或低氮氧化物燃烧器燃烧生成氮氧化物;在再燃烧区(位于主燃烧区上方)喷入占入炉热量15%-20%的再燃烧燃料，在过量空气系数小于1的还原性气氛下分解生成碳氢基元(CmHn），并与主燃烧区中已生成的氮氧化物化学反应后将其还原成为Na，同时也抑制了新的氮氧化物的生成;在第三个区域即燃烬区喷入的燃烬风(“火上风”)，保证未完全燃烬的燃料产物(主要为CO. CmHn)的进一步地燃烬。燃料分级燃烧时所使用的再燃燃料可以与主燃料相同，但由于煤粉气流在再燃区内的停留时间相对较短，再燃燃料最好选用容易着火和燃烧的烃类气体或液体燃料，如天然气等气体燃料。
(六)新型低氮氧化物燃烧器
低氮氧化物燃烧器总的设计原则是对在燃烧器内部或出口射流的空气进行分级，设计特点是控制每一只燃烧器中燃料与空气的混合程度，使燃烧过程推迟，并延长火焰行程，以降低火焰温度峰值，从而实现减少氮氧化物生成量。主要措施是降低对氮氧化物生成具有关键作用的主燃烧区域的氧含量水平，同时减少燃烧峰值温度区域中的燃料量。通过分级送入燃烧空气，煤粉则在缺氧条件下进行热解，促使燃烧氮向分子氮的转化。低氮氧化物燃烧器可与其它一次氮氧化物减排措施如OFA COver Fire Air)、再燃烧或烟气再循环技术相结合，国外火电锅炉的实际运行经验表明，低氮氧化物燃烧器与其它一次氮氧化物减排措施相结合实施，可使氮氧化物排放降低70%左右。近年来国内外低氮氧化物煤粉燃烧器的进展特点主要有:提高火焰热回流，提高火焰温度;提高煤粉浓度，提高火焰稳定性;采用细煤粉以提高火焰稳定性等。有一定代表性的产品主要有:美国的DRB-XCL型低氮氧化物双调风旋流燃烧器和日本的FDI型低氮氧化物燃烧器。DRB-XCL型低氮氧化物双调风旋流燃烧器的设计特点是:利用空气分层和燃烧分层技术，一方面可使挥发分燃烧期间的风量与燃料配比达到最小，使氮反应生成Na，而不是NO或NOZ;另一方面，由于空气是逐步与燃烧产物混合的，所以可以将
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整个反应过程的氮氧化物产物生成量减少到最小。FDI型燃烧器是日本研制的适合于使用高温预热空气的低氮氧化物烧嘴，它的特点是80%的燃料由喷头的轴向喷出，20%由径向喷出。其抑制氮氧化物生成原理是利用气体自由射流作用实现烟气再循环，以降低火焰温度，但此技术通常用于工业炉窑中。
(七)其它低氮氧化物燃烧技术
一般情况下，为降低氮氧化物，应用低氮氧化物燃烧器是降低火电锅炉氮氧化物排放最为经济的方法。此外，在低氮氧化物燃烧技术中，还有再燃技术(燃料分级技术)、烟气再循环技术以及采用天然气再燃技术降低氮氧化物排放技术。从降低燃烧温度、火焰温度、Na浓度和O2浓度的原则出发也可采取其它低氮氧化物排放技术，如改变火焰形状，即把一个相对较大的火焰分割成为几个相对较小的火焰，或把它变成膜状火焰，使火焰的热损失变大，从而抑制火焰温度上升;或者可以向火焰中喷射水或水蒸气从而降低火焰温度。同时还可以采用洁净煤粉燃烧技术，大力发展循环流化床锅炉及增压流化床锅炉配燃气轮机的燃气—蒸 汽联合循环机组，以达到环境保护的要求。
以上所述的若干燃烧技术均有降低氮氧化物排放的作用，具体应用中应针对不同燃煤锅炉特点，采用相应的低氮氧化物排放技术及低氮氧化物燃烧器进行锅炉低氮氧化物燃烧整体优化设计，来降低锅炉氮氧化物的排放浓度，以达到对锅炉氮氧化物排放综合治理的目的。
3.5 影响氮氧化物排放的综合性因素分析
影响火电锅炉氮氧化物生成排放的因素有很多,而且这些因素相互影响也比较大，但是通过对氮氧化物生成机理的分析和主要低氮氧化物燃烧技术的了解可以知道锅炉燃烧过程中氮氧化物质量浓度主要取决于空气中的氧和燃料的混合情况和燃烧反应的温度,即主要是空气与燃料分级的程度。各实际运行因素均是通过影响燃烧过程的上述条件而影响氮氧化物质量浓度的由此我们不难得出如下影响氮氧化物排放的主要因素有如下三个:燃料在主燃烧区内的停留时间,主燃烧区内过量空气系数,主燃烧区温度。燃料在主燃烧区内的停留时间充分表征了炉膛内风的分配对氮氧化物生成的影响;主燃烧区内过量空气系数充分表征了炉膛内氧的质量分数对氮氧化物生成的影响;主燃烧区温度则表征锅炉负荷的大小对氮氧化物生成的影响，而煤粉分配因素因对氮氧化物生成的影响较小而将其忽略。
四、总结与感想
由以上所述可知，通过发电厂的IGCC工艺完全可以达到控制CO2之外的氮氧化物、硫氧化物和汞等污染物的目的。IGCC发电技术效率高，对煤种的适应性广，且利用脱硫和氧气氧化，环保指标好，副产品可再利用而不会对环境造成二次污染，是一种很有发展前途的一种清洁煤发电技术。
很庆幸选了这门选修课，我们也在学习和完成作业的同时学到了许多宝贵的与专业相关的知识。通过这次论文的写作，我们不但加强了对专业知识的更深入的理解，还学习到了那种严谨认真、务实规范的治学之风。当然在本次的写作过程中也让我们感受到了自己作为本科生在知识与实践经验上的匮乏，我们的作业成果还有很多需要改进的部分。目前我们只是对工艺设计有了个初步的了解，对于工艺设计我们所要学习的都还有太多太多。作为天大的学子，我们决不能停止学习的步伐，在将来的工作与生活中，依然要不断完善与提升自己。
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