电站锅炉_第五章

1、第五章第五章 燃烧污染控制及新型燃烧技术燃烧污染控制及新型燃烧技术 煤粉燃烧排放物对环境的污染煤粉燃烧排放物对环境的污染 循环床循环床N2O的生成机理与控制技术的生成机理与控制技术 氮氧化物（氮氧化物（NOx）的生成机理和控制技术）的生成机理和控制技术 二氧化硫（二氧化硫（SO2）的生成机理和控制技术）的生成机理和控制技术 重金属（汞）的排放与控制重金属（汞）的排放与控制 颗粒物的形成及除尘技术颗粒物的形成及除尘技术 CO2减排技术减排技术 新型燃烧技术新型燃烧技术 锅炉原理锅炉原理 课件课件 第一节第一节 煤粉燃烧排放物对环境的污染煤粉燃烧排放物对环境的污染 我国是世界上少数几个以煤炭为主要

2、能源的国家，煤炭产 量一直居世界第一位。我国煤炭中平均含硫量较高，煤炭燃烧 每年产生大量的二氧化硫和氮氧化物。我国污染排放强度高， 2004年我国单位GDP排放SO2分别是日本、德国、美国的60倍、 26倍、8倍，单位GDP排放NOX分别是日本、德国、美国的27倍、 16倍和6倍。全国烟尘排放量的70、SO2排放量的90、NOX排 放量的67、CO2排放量的70都来自燃煤，是大气环境污染的 主要原因。 燃煤污染物包括颗粒物质和各种各样的悬浮物 等，如烟气中的烟黑、飞灰、重金属蒸汽、硫氧化 物（SO2和SO3）、未完全燃烧的碳氢化合物、氮氧化 合物（NO和NO2）、温室气体N2O和CO2等。 2

3、009年，我国二氧化硫排放量为2214.4万吨， 烟尘排放量为847.2万吨，工业粉尘排放量为523.6 万吨，造成了严重的环境污染。 煤粉燃烧排放物对环境的污染煤粉燃烧排放物对环境的污染 污染物造成的影响污染物造成的影响 l 含碳颗粒物、硫酸盐、硝酸盐、有机化合物及二氧化氮的存在，改变含碳颗粒物、硫酸盐、硝酸盐、有机化合物及二氧化氮的存在，改变 了空气的性质，使空气中的能见度降低。了空气的性质，使空气中的能见度降低。 l 高浓度的高浓度的SOSO2 2形成了硫酸小液滴，成为凝结的核心，这将导致雾的形成、形成了硫酸小液滴，成为凝结的核心，这将导致雾的形成、 降雨量的增加、光线辐射的减少、以及改

4、变气温和风力分布。降雨量的增加、光线辐射的减少、以及改变气温和风力分布。 l 温室气体产生温室气体效应，从而改变全球的气候，并影响湖泊和土温室气体产生温室气体效应，从而改变全球的气候，并影响湖泊和土 壤。壤。 l 植物被植物被SOSO2 2的毒素、硝酸盐、的毒素、硝酸盐、C C2 2H H4 4等污染和破坏。这些毒素毁坏叶绿素，等污染和破坏。这些毒素毁坏叶绿素， 破坏植物的光合作用。破坏植物的光合作用。 l 颗粒物质会弄脏衣物、房屋和其它建筑物，破坏了环境的美丽，并且颗粒物质会弄脏衣物、房屋和其它建筑物，破坏了环境的美丽，并且 增加清理环境污染的费用。增加清理环境污染的费用。 l 一些酸性碱性

5、颗粒，尤其是那些含有硫元素的颗粒，能腐蚀漆料、建一些酸性碱性颗粒，尤其是那些含有硫元素的颗粒，能腐蚀漆料、建 筑物的砖石、电线、纺织品等，而臭氧能严重破坏橡胶。筑物的砖石、电线、纺织品等，而臭氧能严重破坏橡胶。 l 大气污染能加大呼吸道疾病的发病率。在伦敦（大气污染能加大呼吸道疾病的发病率。在伦敦（19521952年）、纽约年）、纽约 （19661966年）都曾发生过令人震惊的空气污染事件，造成大量伤亡和极坏影年）都曾发生过令人震惊的空气污染事件，造成大量伤亡和极坏影 响。这些事件都是由于空气中同时含有高浓度的响。这些事件都是由于空气中同时含有高浓度的SOSO2 2和颗粒物质造成的。和颗粒物质

6、造成的。 l 光化学烟雾里的一些污染物能够引起眼的疾病，例如臭氧、有机氮合光化学烟雾里的一些污染物能够引起眼的疾病，例如臭氧、有机氮合 物、烃化物等。光化学烟雾最初是由氮氧化合物和各种烃化物之间的反应物、烃化物等。光化学烟雾最初是由氮氧化合物和各种烃化物之间的反应 造成的。造成的。 l 含氮的碳基颗粒可能包含致癌物质。一氧化碳对健康也有明显的危害。含氮的碳基颗粒可能包含致癌物质。一氧化碳对健康也有明显的危害。 l 燃煤锅炉等工业设备将燃煤锅炉等工业设备将NONOX X排放入大气同温层，能够加速同温层臭氧层排放入大气同温层，能够加速同温层臭氧层 的破坏，同温层臭氧的破坏会引起更多有害的紫外线穿透

7、入地球表面。的破坏，同温层臭氧的破坏会引起更多有害的紫外线穿透入地球表面。 污染物造成的影响污染物造成的影响 2009年全国降水pH年均值等值线图 污染物造成的影响污染物造成的影响 第二节第二节 SOSO2 2的生成机理和控制技的生成机理和控制技 术术 燃煤烟气中的二氧化硫是我国目前最主要的二氧化硫污染源，对大气二 氧化硫的防治仍以烟气脱硫的方法为主。我国的烟气脱硫事业具有巨大的市 场前景，但是任务相当艰巨。根据国家经贸委和电力部门制定的计划，在我 国实施目前最成熟的石灰石石膏烟气脱硫技术，并在自主消化吸收基础上 掌握其设计、制造和维护，投资按500元/KW计。需安装脱硫装置的火电机组 按2.

8、5亿KW计，总计投资需要1250亿元。另外，电厂配备烟气脱硫装置后， 其发电成本将明显增加。保守按1KWh增加2.5分钱测算，2.5亿KW发电机组 年平均按5000小时的运行时间计算，烟气脱硫增加的电价成本在我国将超过 300亿元/年。 高效化、资源化、综合化、经济化是我国烟气脱硫脱硝 技术发展的重要方向。通过燃煤烟气污染控制工艺和装置的 “高效化”以减少设备投资和原材料费用；通过污染控制过 程中的产物的“资源化”以减少二次污染，同时用副产品的 收益冲抵部分污染控制费用；通过变对现有各种污染物分别 进行单一的处理为“综合化”的脱硫、脱硝、脱碳、除尘的 系统优化的处理，也将使燃煤烟气污染控制装置

9、的建造和运 行费用大为降低。通过“高效化”、“资源化”、“综合化” 将可能最终实现烟气脱硫低成本的“经济化”目标。 SOSO2 2的生成机理和控制技术的生成机理和控制技术 燃煤烟气中燃煤烟气中SOSO2 2的生成机理的生成机理 煤中的可燃硫有两种，即有机硫和无机硫。有机硫构成 煤分子的一部分，在煤中均匀分布。无机硫的主要成分是 FeS2(黄铁矿)，颗粒尺寸小，它在煤中通常呈独立相弥散分 布。据统计分析，低硫煤中主要是有机硫，约为无机硫的8倍； 高硫煤中主要是无机硫，约为有机硫的3倍。 煤在燃烧过程中，其中的硫化物受热分解，硫与氧发生 化学反应，形成SO2，随烟气排入大气中，造成环境的污染。 我

10、国燃煤烟气脱硫技术现状我国燃煤烟气脱硫技术现状 我国于20世纪70年代开始烟气净化研究，但仍停留在小试或中试阶段， 工业化运行装置极少，还没有形成具有自主知识产权的完全国产化的脱硫 控制技术。 90年代后，我国先后引进各种类型的FGD技术，到1999年底，有10套 引进的FGD示范I工程投入运行，结合大气污染物排放标准的实施， SO2排 放增长趋势基本得到控制。 目前的形式并不容乐观，我国62%的城市环境空气SO2平均浓度超过国 家环境空气质量标准二级标准、日平均浓度超过国家环境空气质量 标准三级标准；从进入市场的国产烟气脱硫设备的运行情况看，未使用 当摆设者约占15%；设备运行不正常或带病运

11、行者约占42%；设备效果差或 无效果者约占38%；设备稳定运行者仅有5%左右。虽然引进示范工程设备 先进、运行稳定，但其投资和运行费用昂贵，以我国目前的经济实力根本 无法推广应用。因此，加快步伐，坚持自主开发，研究出适合我国国情的 工艺和设备装置是解决我国燃煤污染的根本途径。 常见烟气脱硫技术及其特点常见烟气脱硫技术及其特点 1 1湿法石灰石石膏脱硫工艺湿法石灰石石膏脱硫工艺 在位于静电或布袋除尘器烟气下游的吸收塔中，石灰或石灰石浆液与烟在位于静电或布袋除尘器烟气下游的吸收塔中，石灰或石灰石浆液与烟 气接触。浆液连续从吸收塔底部流至其顶部再循环，气接触。浆液连续从吸收塔底部流至其顶部再循环，S

12、OSO2 2被吸收生成亚硫酸被吸收生成亚硫酸 钙。进一步把空气注入浆液，亚硫酸钙转变成硫酸钙。硫酸钙从浆液中取钙。进一步把空气注入浆液，亚硫酸钙转变成硫酸钙。硫酸钙从浆液中取 出即为石膏。这种石膏通常回收作为有价值的副产品，可售给化学或建筑出即为石膏。这种石膏通常回收作为有价值的副产品，可售给化学或建筑 工业。化学过程如下：工业。化学过程如下： 在水中，气相在水中，气相SOSO2 2被吸收生成硫酸：被吸收生成硫酸： 产生的产生的H H+ +促进了促进了CaCOCaCO3 3的溶解，生成一定浓度的的溶解，生成一定浓度的CaCa2+ 2+： ： CaCa2+ 2+与 与SOSO3 32- 2-或者

13、 或者HSOHSO3 3- -结合，生成结合，生成CaSOCaSO3 3和和Ca(HSOCa(HSO3 3) )2 2： 反应过程中，一部分反应过程中，一部分SOSO3 32- 2-和 和HSOHSO3 3- -被氧化成被氧化成SOSO4 42- 2-和 和HSOHSO4 4- - 通入空气将最后吸收液中存在的大量通入空气将最后吸收液中存在的大量SO32-和和HSO3-强制氧化为强制氧化为SO42- ， 生成石膏结晶生成石膏结晶: : )()( 22 lSOgSO 223 ( )SO lH OHHSO 2 33 SOHHSO 3 2 3 2 CaSOSOCa 233 2 )(2HSOCaHSO

14、Ca 2 42 2 3 2 1 SOOSO 423 2 1 HSOOHSO OHCaSOOHSOCa 242 2 4 2 22 常见烟气脱硫技术及其特点常见烟气脱硫技术及其特点 2 2炉内喷钙尾部增湿烟气脱硫炉内喷钙尾部增湿烟气脱硫 该系统用石灰石等碱性钙质吸收剂，直接向锅炉炉膛内烟气温度约为该系统用石灰石等碱性钙质吸收剂，直接向锅炉炉膛内烟气温度约为 11461146的高温区喷入，经煅烧后生成有着极高反应接触面的许多的高温区喷入，经煅烧后生成有着极高反应接触面的许多CaOCaO细小细小 颗粒，在高速烟气流的带动下这些颗粒进入较低温度区。在较低温度区颗粒，在高速烟气流的带动下这些颗粒进入较低温

15、度区。在较低温度区 (700-1000)(700-1000)内内CaOCaO颗粒不再结晶，在富氧状态下颗粒不再结晶，在富氧状态下CaOCaO吸收烟气中的吸收烟气中的SOSO2 2。 其化学反应式如下其化学反应式如下: : CaCO3CaO+CO2 CaO+SO2+1/2O2CaSO4 常见烟气脱硫技术及其特点常见烟气脱硫技术及其特点 3 3钠碱法钠碱法 钠碱法是采用碳酸钠或氢氧化钠等碱性物质来吸收烟气中的二氧化硫钠碱法是采用碳酸钠或氢氧化钠等碱性物质来吸收烟气中的二氧化硫. . 使用碳酸钠作为吸收剂使用碳酸钠作为吸收剂: : 使用氢氧化钠作为吸收剂使用氢氧化钠作为吸收剂: : 亚硫酸钠吸收二氧

16、化硫的反应是主要的反应，溶液中的亚硫酸氢钠不具亚硫酸钠吸收二氧化硫的反应是主要的反应，溶液中的亚硫酸氢钠不具 备吸收二氧化硫的能力，所以当备吸收二氧化硫的能力，所以当S/CS/C为为0.90.9，即吸收液中亚硫酸氢钠含量达到，即吸收液中亚硫酸氢钠含量达到 一定值时，吸收液要进行解吸。一定值时，吸收液要进行解吸。 分解温度分解温度100100左右，解吸反应：左右，解吸反应： 通过解吸，高纯度的二氧化硫得到回收利用。此法中钠碱吸收剂吸收能通过解吸，高纯度的二氧化硫得到回收利用。此法中钠碱吸收剂吸收能 力大，吸收剂用量小，吸收效率高，但是与氨碱和钙碱相比，钠碱成本比较力大，吸收剂用量小，吸收效率高，

17、但是与氨碱和钙碱相比，钠碱成本比较 高。高。 32232 2NaHSOOHSOSONaOHSONaSONaOH 2322 2 OHSOSONaNaHSO 22323 2 223223 22COOHSONaSONaHCO 32232 2NaHSOOHSOSONa 3232232 22SONaNaHCOOHSOCONa 常见烟气脱硫技术及其特点常见烟气脱硫技术及其特点 4 4半干法循环流化床脱硫半干法循环流化床脱硫 这是较新而且发展较快的脱硫技术。该脱硫系统主要由吸收反应器、旋这是较新而且发展较快的脱硫技术。该脱硫系统主要由吸收反应器、旋 风分离器、石灰浆制备系统和除尘器这几部分构成。风分离器、石

18、灰浆制备系统和除尘器这几部分构成。 烟气在离开锅炉尾部空气预热器后从反应器底部进入反应器。在反应器烟气在离开锅炉尾部空气预热器后从反应器底部进入反应器。在反应器 底部，烟气与表面附着有石灰浆的循环固体颗粒悬浮床接触。新鲜石灰浆底部，烟气与表面附着有石灰浆的循环固体颗粒悬浮床接触。新鲜石灰浆 通过布置在反应器中央的单个两相流喷嘴进入反应器，石灰浆由压缩空气通过布置在反应器中央的单个两相流喷嘴进入反应器，石灰浆由压缩空气 进行雾化。烟气所携带的热量导致石灰浆水分的蒸发，与此同时，烟气中进行雾化。烟气所携带的热量导致石灰浆水分的蒸发，与此同时，烟气中 的的SOSO2 2与石灰的吸收反应也在进行着。石

19、灰浆液滴与干态固体颗粒发生碰撞与石灰的吸收反应也在进行着。石灰浆液滴与干态固体颗粒发生碰撞 并附着在其表面，避免了由于浆液碰到反应器壁面而引起的固体颗粒的聚并附着在其表面，避免了由于浆液碰到反应器壁面而引起的固体颗粒的聚 积，循环固体颗粒对反应器壁面的冲刷作用进一步减少了壁面的结垢。反积，循环固体颗粒对反应器壁面的冲刷作用进一步减少了壁面的结垢。反 应器内向上流动的烟气流使固体颗粒在反应器内呈悬浮状态，湍动强化了应器内向上流动的烟气流使固体颗粒在反应器内呈悬浮状态，湍动强化了 气液间的接触，使气液间的接触，使SOSO2 2被附着在固体颗粒表面的石灰浆薄层吸收。净化后的被附着在固体颗粒表面的石灰

20、浆薄层吸收。净化后的 烟气和悬浮状固体反应物颗粒在反应器内向上流动直至旋风分离器，在旋烟气和悬浮状固体反应物颗粒在反应器内向上流动直至旋风分离器，在旋 风分离器内，大多数的固体颗粒，包括钙盐、飞灰及尚未反应的石灰进一风分离器内，大多数的固体颗粒，包括钙盐、飞灰及尚未反应的石灰进一 步吸收烟气中的步吸收烟气中的SOSO2 2，使石灰耗量降到最低。剩余的约，使石灰耗量降到最低。剩余的约1%1%的固体颗粒随烟气的固体颗粒随烟气 一并离开旋风分离器，之后，进入除尘器进行最后除尘，除尘器可以是静一并离开旋风分离器，之后，进入除尘器进行最后除尘，除尘器可以是静 电除尘器或布袋除尘器，除尘后净烟气被排入大气

21、。电除尘器或布袋除尘器，除尘后净烟气被排入大气。 此工艺可用于燃高硫煤的电厂，脱硫率可高达此工艺可用于燃高硫煤的电厂，脱硫率可高达98%98%。 常见烟气脱硫技术及其特点常见烟气脱硫技术及其特点 5 5海水脱硫法海水脱硫法 天然海水含有大量的可溶盐，主要成分是氯化物和硫酸盐，也含有一定天然海水含有大量的可溶盐，主要成分是氯化物和硫酸盐，也含有一定 量的碳酸盐，因其含有碳酸氢钠和碳酸氢镁，使其量的碳酸盐，因其含有碳酸氢钠和碳酸氢镁，使其pHpH值达值达7.5-8.57.5-8.5呈碱性，呈碱性， 海水与二氧化硫反应最终生成硫酸盐。海水与二氧化硫反应最终生成硫酸盐。 海水海水FGDFGD主要的化学

22、反应为：主要的化学反应为： 烟气海水脱硫技术利用天然海水，无需加任何添加剂，也不产生任何附烟气海水脱硫技术利用天然海水，无需加任何添加剂，也不产生任何附 加产品，具有工艺简单、技术成熟、系统运行可靠、脱硫效率高、维护费加产品，具有工艺简单、技术成熟、系统运行可靠、脱硫效率高、维护费 用低等特点。用低等特点。 6 6CuO/A1CuO/A12 2O O3 3烟气干法脱硫技术烟气干法脱硫技术 CuO/Al CuO/Al2 2O O3 3是一种负载型过渡金属氧化物催化剂，可以同时脱除是一种负载型过渡金属氧化物催化剂，可以同时脱除SOSO2 2和和NONOX X。 新鲜的和硫酸盐化的催化剂的最佳脱硝温

23、度为新鲜的和硫酸盐化的催化剂的最佳脱硝温度为400400左右，其中硫化催化剂左右，其中硫化催化剂 的脱硝效率比新鲜催化剂的高。的脱硝效率比新鲜催化剂的高。SOSO2 2与与CuOCuO和和AlAl2 2O O3 3反应形成硫酸铜和硫酸铝，反应形成硫酸铜和硫酸铝， NONOX X在催化剂作用下与注入的氨发生选择性催化还原反应在催化剂作用下与注入的氨发生选择性催化还原反应(SCR)(SCR)，被还原为，被还原为 N2N2和水，从而达到同时脱除和水，从而达到同时脱除SOSO2 2和和NONOX X的目的。硫化的催化剂通过注入还原的目的。硫化的催化剂通过注入还原 性气体，如性气体，如H H2 2，CH

24、CH4 4，COCO等。在与硫酸盐化过程相同的温度下把等。在与硫酸盐化过程相同的温度下把CuSOCuSO4 4还原为还原为 单质铜，把硫酸铝还原为稳定的单质铜，把硫酸铝还原为稳定的AlAl2 2O O3 3。还原后的催化剂在下一个硫酸盐化。还原后的催化剂在下一个硫酸盐化 过程中被烟气中的氧气迅速氧化，从而达到催化剂的再生。过程中被烟气中的氧气迅速氧化，从而达到催化剂的再生。 22 2 4322 22 2 1 COOHSOHCOOSO 第三节第三节 NOxNOx的生成机理和控制技术的生成机理和控制技术 煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要是NO和NO2。此外，尤其是在流化床燃 烧中，由于燃烧温度较低，

25、还会产生一定量的N2O。在通常的燃烧温度下，煤 燃烧生成的NOx中，NO占90%以上，NO2占5%-10%，而N2O只占1%左右。 由于氮的键能不同，以及燃烧过程中与氮进行反应的介质成分不同，煤 燃烧过程中NOx的生成主要有三种不同的机理： 热力型NOx，它是燃烧过程中空气里的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物， 它占生成氮氧化物总量的20%-50%。 快速型NOx，它是燃料中的碳氢化合物与空气中的N2反应生成的氮氧化物， 在实际燃烧装置中，快速NOx的量很少，就煤粉炉而言，小于5%。 燃料型NOx，它是燃料中的含氮化合物在燃烧过程中氧化生成的氮氧化物， 它占生成氮氧化物总量的60%-80%。

26、热力型热力型NOxNOx生成机理生成机理 在高温火焰中，空气中的氧分子裂解成氧原子，并与空气中的氮分子在高温火焰中，空气中的氧分子裂解成氧原子，并与空气中的氮分子 反应生成反应生成NONO和和N N，而，而N N又与又与O O2 2反应生成反应生成NONO和和O O。这部分。这部分O O又可与空气中的又可与空气中的N N2 2重复重复 作用生成作用生成NONO和和N N。上述这组不分支的连锁反应机理即为热力型。上述这组不分支的连锁反应机理即为热力型NOxNOx的生成机的生成机 理，称为捷里多维奇理，称为捷里多维奇(Zeldovich)(Zeldovich)机理。机理。 2 2OMOM 2 NO

27、NO 2 ONNOO NOHNOH (E1=314kJ/mol, E-1=0) 上述反应中，当上述反应中，当O O2 2不足时不足时( (富燃料火焰富燃料火焰) )，还有以下反应发生：，还有以下反应发生： (E229kJ/mol，E-2165kJ/mol） 热力型热力型NOxNOx生成机理生成机理 影响热力型NOx生成的主要因素是温度、氧浓度以及在高温区的停留 时间。随温度、氧浓度以及在高温区的停留时间的增加，热力型NOx的浓 度增加。 温度对热力型NOx生成速率的影响最大，热力型NOx的生成速率与温 度几乎呈指数关系。在温度小于1500时，热力型NOx的生成量很小；只 有当温度高于1500以

28、上时，NOx的生成量才逐渐增大。当燃烧温度高于 1500时，温度每增加100，热力型NOx生成反应速度将增加6-7倍。在 高温区停留时间较短时，热力型NOx随停留时间的增加而增加，但超过一 定时间后，热力型NOx不再受停留时间的影响。 因此，要控制热力型NOx的生成，就需要降低燃烧温度，避免产生局 部高温区；缩短烟气在高温区的停留时间；降低烟气中氧浓度和使燃烧 在偏离理论空气量的条件下进行。 快速型快速型 NOxNOx生成机理生成机理 快速型NOx的生成途径 快速型NOx是由燃烧空气中的N2经氧化而生成的NOx。从NOx中氮的 来源看，它类似热力型NOx，但其反应机理和热力型NOx很不相同。快

29、速 NOx只有在燃烧时碳氢化合物CHi类基团较多，氧气浓度相对较低的富燃 料燃烧情况时才发生。因此在燃煤锅炉中，其生成量很小，一般在5%以 下。快速型NOx对温度的依赖性很弱，一般情况下，对不含氮的碳氢燃 料在较低温度燃烧时，才考虑快速型NOx。降低快速型NOx，只要保持足 够的氧量供应，就能阻止燃烧过程中分解生成的CH、CH2和C2等中间产 物与空气中的N2的反应，以减少HCN和NHi等的生成，从而便可降低快速 型NOx。 燃料型燃料型 NOxNOx生成机理生成机理 燃料型NOx是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧 化而生成NOx。煤燃烧时约75%90%的NOx是燃料型NOx。

30、因此，燃料型 NOx是煤燃烧时产生的NOx的主要来源。燃料型NOx的生成机理非常复杂， 其生成和破坏机理至今仍不是完全清楚。这是因为燃料型NOx的生成和破 坏过程不仅和煤种特性、煤的结构、燃料中的氮受热分解后在挥发分和 焦炭中的比例、成分和分布有关，而且大量的反应过程还和燃烧条件如 温度和氧及各种成分的浓度等密切相关。一般当挥发分析出量占煤质量 的10%15%时，燃料中的氮有机化合物首先热分解成氰化氢(HCN)、氨 (NH3)和CN 等中间产物，它们随挥发分一起从燃料中析出，称之为挥发分 N。挥发分N析出后残留在焦炭中的氮化合物，称之为焦炭N。煤燃烧时由 挥发分生成的NOx占燃料型NOx的60

31、%80%，由焦炭N所生成的NOx占到 20%40%。 控制燃料型NOx的生成量的主要措施就是减少过量空气系数、改善燃 烧方式、改变锅炉运行条件、在NOx的生成阶段采用富燃料燃烧来降低燃 料型NOx的生成。 NOxNOx控制技术控制技术 针对煤燃烧过程中针对煤燃烧过程中NOxNOx形成和转化机理的不同，国内外发展了许多形成和转化机理的不同，国内外发展了许多 控制煤燃烧过程中控制煤燃烧过程中NOxNOx排放的技术措施。目前主要可分为两大类：一类排放的技术措施。目前主要可分为两大类：一类 是通过改变燃料的燃烧条件，从而控制燃烧过程中是通过改变燃料的燃烧条件，从而控制燃烧过程中NOxNOx的生成，即低

32、的生成，即低 NOxNOx燃烧技术；另一类是对燃烧后生成的燃烧技术；另一类是对燃烧后生成的NOxNOx进行处理，即烟气脱硝技进行处理，即烟气脱硝技 术术。 1 1低低NOxNOx燃烧技术燃烧技术 低低NOxNOx燃烧技术是指通过改变燃烧条件，控制燃烧区的温度和空气燃烧技术是指通过改变燃烧条件，控制燃烧区的温度和空气 量，以达到阻止量，以达到阻止NOxNOx生成及降低其排放的目的。在各种降低生成及降低其排放的目的。在各种降低NOxNOx排放的排放的 技术中，低技术中，低NOxNOx燃烧技术是采用最广、相对简单和经济的方法在锅炉设燃烧技术是采用最广、相对简单和经济的方法在锅炉设 备中，目前己经使用

33、的低备中，目前己经使用的低NOxNOx燃烧技术主要有低燃烧技术主要有低NOx NOx 燃烧器、浓淡偏差燃烧器、浓淡偏差 燃烧、烟气再循环、以及分级燃烧（包括空气分级和燃料分级）等燃烧、烟气再循环、以及分级燃烧（包括空气分级和燃料分级）等。 低低NOxNOx燃烧器技术燃烧器技术 对煤粉锅炉来说，煤粉燃烧器是锅炉燃烧系统中的关键设备，不但煤粉对煤粉锅炉来说，煤粉燃烧器是锅炉燃烧系统中的关键设备，不但煤粉 是通过燃烧器送入炉膛，而且煤粉燃烧所需要的空气也是通过燃烧器进入是通过燃烧器送入炉膛，而且煤粉燃烧所需要的空气也是通过燃烧器进入 炉膛的。煤粉气流的着火过程、炉膛中的空气动力和燃烧工况，主要是通炉

34、膛的。煤粉气流的着火过程、炉膛中的空气动力和燃烧工况，主要是通 过燃烧器的结构及其在炉膛上的布置来组织的。因此，从燃烧的角度看，过燃烧器的结构及其在炉膛上的布置来组织的。因此，从燃烧的角度看， 燃烧器的性能对煤粉燃烧设备的可靠性和经济性起着主要作用。另一方面，燃烧器的性能对煤粉燃烧设备的可靠性和经济性起着主要作用。另一方面， 从从NOxNOx的生成机理看，占的生成机理看，占NOxNOx绝大部分的燃料型绝大部分的燃料型NOxNOx是在煤粉的着火阶段生成是在煤粉的着火阶段生成 的。因此，通过特殊设计的燃烧器结构，以及通过改变燃烧器的风煤比例，的。因此，通过特殊设计的燃烧器结构，以及通过改变燃烧器的

35、风煤比例， 可以将空气分级、燃料分级和烟气再循环降低可以将空气分级、燃料分级和烟气再循环降低NOxNOx浓度的原理用于燃烧器，浓度的原理用于燃烧器， 以尽可能地降低着火区氧的浓度，适当降低着火区的温度，达到最大限度以尽可能地降低着火区氧的浓度，适当降低着火区的温度，达到最大限度 地抑制地抑制NOxNOx生成的目的。这就是低生成的目的。这就是低NOxNOx燃烧器技术。研究表明，低燃烧器技术。研究表明，低NOxNOx燃烧器燃烧器 技术最大可降低技术最大可降低60%60%的的NOxNOx排放量，将这项技术应用于燃煤锅炉上时，可以排放量，将这项技术应用于燃煤锅炉上时，可以 使使NOxNOx的排放量达到

36、规定的标准。的排放量达到规定的标准。 DSDS型低型低NOxNOx旋流燃烧器旋流燃烧器 低低NOxNOx燃烧器技术燃烧器技术 浓淡偏差燃烧技术浓淡偏差燃烧技术 浓淡偏差燃烧技术是让一部分燃料在空气不足的条件下 燃烧，即燃料过浓燃烧，另一部分燃料在空气过剩的条件下 燃烧，即燃料过淡燃烧。无论是过浓燃烧还是过淡燃烧，其 过剩空气系数都不等于1。过浓燃烧中1，故又称为非化学当量燃烧或偏差燃烧。浓淡燃烧时， 燃料过浓部分因氧气不足，燃烧温度不高，所以，燃料型 NOx和热力型NOx生成量都会减少。燃料过淡部分因空气量过 大，燃烧温度低，热力型NOx生成量会减少。所以，采用浓 淡偏差燃烧技术总的结果是NO

37、x生成量低于常规的燃烧技术。 烟气再循环技术烟气再循环技术 烟气再循环技术通常是指从省煤器后抽取20%30%的 烟气量，将这部分烟气与燃烧空气相混合送入炉内或燃烧 器。这样就减少了与燃料混合的空气量，同时也降低了火 焰温度，进而达到了降低热力NOx生成的目的。由于燃煤锅 炉中热力NOx在总NOx排放中占的份额较小，所以在燃煤锅 炉中，单独采用烟气再循环技术措施仅可使NOx排放降低约 20%。 空气分级燃烧技术空气分级燃烧技术 炉内空气分级技术通常又称之为两级燃烧TSC（Two Stage Combustion），主要是通过减少燃烧区空气量，同时为了保证一定的总 过剩空气量而将一部分空气在燃烧区

38、后送入炉内以完成燃尽过程。通常 这部分空气是从燃烧器上部的燃尽风喷口（OFA）送入炉内，同时可以 防止炉膛水冷壁腐蚀与结渣。 炉内空气分级需要将燃烧空气分成一次风与二次风两部分。一次风 （约占总风量的70%90%）与燃料混合反应后会形成燃烧温度较低、 氧量不足、燃料富集的燃烧区域，从而抑制了NOx的生成。二次风（约 占总风量的10%30%）则通过独立布置在燃烧器上部的燃尽风喷嘴送 入炉内从而实现分级燃烧，在这一区域完成燃尽过程并使火焰体积增大， 从而在温度相对较低的燃尽区进一步抑制了NOx的生成。 燃料分级燃烧技术燃料分级燃烧技术 燃料分级技术又称为再燃技术，其燃烧过程分为主燃烧 区、再燃区和

39、燃尽区，在主燃区中已生成的NOx在再燃区中 遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时，会发生 NOx的还原反应。利用这一原理，将占入炉热量80%85%的 燃料喷入主燃烧区，在过量空气系数大于1的条件下使燃 料氮尽可能在燃烧区上方的再燃区，在所形成的过量空气系 数小于1的还原性气氛下，主燃烧区中生成的NOx在再燃区 被还原成分子氮。在再燃区中不仅使得已生成的NOx得到还 原，同时还抑制了新的NOx的生成，可使NOx排放浓度降低 50%以上。 空气分级燃烧空气分级燃烧 燃料分级燃烧燃料分级燃烧 燃料分级燃烧技术燃料分级燃烧技术 2. 2. 烟气脱硝技术烟气脱硝技术 低低NOxNOx

40、燃烧技术是降低燃煤燃烧技术是降低燃煤NOxNOx排放值比较经济的技术措施。但是一排放值比较经济的技术措施。但是一 般情况下，采用低般情况下，采用低NOxNOx燃烧技术只能降低燃烧技术只能降低NOxNOx排放值的排放值的50%50%左右，无法满左右，无法满 足愈加严格的环保法规要求。要进一步降低足愈加严格的环保法规要求。要进一步降低NOxNOx的排放，就必须采用烟气的排放，就必须采用烟气 脱硝技术。烟气脱硝技术按照其作用原理的不同，可分为催化还原、吸收脱硝技术。烟气脱硝技术按照其作用原理的不同，可分为催化还原、吸收 和吸附和吸附3 3类，按照工作介质的不同可分为干法、半干法和湿法类，按照工作介质

41、的不同可分为干法、半干法和湿法3 3类。烟气脱类。烟气脱 硝技术中得到大规模工业应用的有硝技术中得到大规模工业应用的有SCRSCR法和法和SNCRSNCR法。法。 Overfire air Reburning Low NOx Air Heater Hot-side Ammonia Post-FGO Combined NOx/SOx Control injection FGD Device SNCR SCR Burner Stack 典型的燃煤锅炉典型的燃煤锅炉NOxNOx排放控制技术排放控制技术 燃料分级燃烧技术燃料分级燃烧技术 选择性催化还原（选择性催化还原（SCRSCR）技术）技术 SCR

42、脱硝技术是将还原剂（主要是NH3）注入烟道与烟气混合，还原剂 在催化剂作用下能在较低温度选择NOx发生化学反应，将其还原为氮气和 水，从而使烟气中NOx含量降低。主要发生如下反应： NH3的喷入量十分重要，NH3量不足会导致NOx的脱除效率降低，但NH3 过量又会带来NH3对环境的二次污染，通常喷入的NH3量随着机组负荷的变 化而变化。SCR反应主要在催化剂表面进行，所以催化剂是SCR工艺的核 心，而贵金属催化剂使得系统运行成本高昂。 3222 4NH +4NO+O4N +6H O 3222 8NH +6NO7N +12H O 选择性非催化还原选择性非催化还原(SNCR)(SNCR)技术技术

43、SNCR脱硝技术是将氨水或尿素等还原剂，喷入到温度为脱硝技术是将氨水或尿素等还原剂，喷入到温度为90011009001100的的 烟气中，然后在不需要催化剂的情况下，还原剂迅速热分解成烟气中，然后在不需要催化剂的情况下，还原剂迅速热分解成NHNH3 3及其它及其它 副产物，副产物，NHNH3 3与烟气中的与烟气中的NOxNOx进行还原反应生成氮气和水。在向燃烧烟气进行还原反应生成氮气和水。在向燃烧烟气 喷氨而不采用催化剂的条件下，喷氨而不采用催化剂的条件下，NHNH3 3还原还原NOxNOx的反应只能在的反应只能在90011009001100这这 一狭窄的温度范围内进行，因此称为选择性非催化还

44、原法。一狭窄的温度范围内进行，因此称为选择性非催化还原法。 在在SNCR法的应用中温度窗口的选择是至关重要的，温度过高或过低都法的应用中温度窗口的选择是至关重要的，温度过高或过低都 不利于对污染物排放的控制。温度低于不利于对污染物排放的控制。温度低于900900时，反应不完全，氨逃逸率高，时，反应不完全，氨逃逸率高， 造成新的污染。温度超过造成新的污染。温度超过11001100时，时，NHNH3 3会被氧化成会被氧化成NONO，反而造成，反而造成NOxNOx排排 放浓度增大。放浓度增大。SNCR技术的脱硝效率一般在技术的脱硝效率一般在50%50%左右，最高可以达到左右，最高可以达到80%80%

45、， 但相对于但相对于SCRSCR技术来说，该方法不用催化剂，设备运行费用省，具有一定技术来说，该方法不用催化剂，设备运行费用省，具有一定 的优势。的优势。 第四节第四节 循环床循环床N N2 2O O的生成机理与控制技术的生成机理与控制技术 N2O(氧化亚氮，俗称“笑气”)，是氮氧化物中另一种重 要的污染气体，对环境主要有两个方面的影响：一方面，N2O 对红外辐射有很强的吸收作用，造成温室效应。研究表明， N2O的温室作用比同浓度的CO2强200-300倍；另一方面，N2O 和同温层中的臭氧破坏有关，N2O在大气对流层中相当稳定， 存活期达150年以上，因此N2O有机会进入到同温层中，和游 离

46、态的氧发生反应生成NO，后者参与了把臭氧转化为O2的化 学反应循环。 每年人类活动产生的每年人类活动产生的N N2 2O O占每年全世界生成总量的占每年全世界生成总量的31%31%， 其中人类活动产生的其中人类活动产生的N N2 2O O中有中有80%80%以上来自化石燃料的燃烧。以上来自化石燃料的燃烧。 大气中大气中N N2 2O O的浓度逐年增加，目前大气中的的浓度逐年增加，目前大气中的N N2 2O O体积浓度已体积浓度已 达到达到300ppbv300ppbv，并以每年，并以每年0.2%-0.3%0.2%-0.3%的速度增加。因此，的速度增加。因此，N N2 2O O 对于循环流化床燃烧

47、技术的发展目前看来起着决定性的作用，对于循环流化床燃烧技术的发展目前看来起着决定性的作用， 能否合理地解决这个问题将会直接制约循环流化床在我国的能否合理地解决这个问题将会直接制约循环流化床在我国的 发展。发展。 循环床循环床N N2 2O O的生成机理与控制技术的生成机理与控制技术 CFBCFB锅炉燃烧条件下锅炉燃烧条件下N N2 2O O生成机理生成机理 在煤的挥发分中，NH3和HCN氧化生成的产物不同，NH3氧化生成的氮氧 化物主要是NO，而HCN氧化时更容易生成N2O。挥发分中NH3和HCN之比，与 煤中N的存在方式有关。研究表明，褐煤、烟煤以及生物质燃烧挥发分中 NH3较多，而低挥发分

48、的烟煤和无烟煤挥发分中HCN较多。NH3和HCN的比例， 也与煤热解析出挥发分的条件有关，温度越高，加热速度通常会影响烟气 中的NOx和N2O的排放浓度。 煤中氮的转化途径煤中氮的转化途径 在在N N2 2O O生成的同时，也存在着生成的同时，也存在着N N2 2O O的均相分解和多相分解反应。的均相分解和多相分解反应。 1 1均相分解均相分解 (1) N(1) N2 2O O与与H H或或OHOH基发生均相反应基发生均相反应 N N2 2O + H NO + H N2 2 + OH N + OH N2 2O + OH NO + OH N2 2 + HO + HO2 2 这是最重要的两个反应，

49、反应速率为这是最重要的两个反应，反应速率为1.91.910106 6T T2.47 2.47exp(-13500/RT) exp(-13500/RT)和和 2.02.0101012 12exp(-100/RT) exp(-100/RT)。可以看出：燃烧温度。可以看出：燃烧温度T T升高，反应速率加快。升高，反应速率加快。 (2) (2) 分子与气体分子碰撞实现热分解分子与气体分子碰撞实现热分解 N N2 2O + M NO + M N2 2 + O + M + O + M ，式中，式中M M代表气体分子，如代表气体分子，如N N2 2,CO,CO2 2,O,O2 2等。等。 2. 2. 多相分

50、解多相分解 在焦炭表面，在焦炭表面，N N2 2O O通过与焦炭中的活性碳通过与焦炭中的活性碳(-C)(-C)和活性原子团和活性原子团(-CO)(-CO)的气的气 一固反应被分解：一固反应被分解： N N2 20 + (-C) N0 + (-C) N2 2 + CO 2N + CO 2N2 2O + (-C) NO + (-C) N2 2 + CO + CO2 2 N N2 2O + (-CO) NO + (-CO) N2 2 + CO + CO2 2 3. 3. 固体表面的催化还原固体表面的催化还原 在流化床运行温度范围内，许多固体，如在流化床运行温度范围内，许多固体，如CaOCaO、CaS

51、OCaSO4 4、FeFe2 2O O3 3、MgOMgO和床和床 料等，都能起到催化剂的作用，使料等，都能起到催化剂的作用，使N N2 2O O在其表面发生还原反应。其中，在其表面发生还原反应。其中，CaOCaO活活 性最高，可使性最高，可使N N2 2O O还原为还原为N N2 2和和O O2 2。 因此，因此，N N2 2O O的排放浓度，实际上是生成反应与分解反应达到动态平衡时的排放浓度，实际上是生成反应与分解反应达到动态平衡时 的结果。的结果。 CFBCFB锅炉燃烧条件下锅炉燃烧条件下N N2 2O O分解机理分解机理 N N2 2O O生成量的影响因素生成量的影响因素 影响CFB锅

52、炉燃烧N2O生成量的因素主要有：燃烧温度、 过量空气系数、煤种和煤质、石灰石炉内脱硫等。 1 1 燃烧温度的影响燃烧温度的影响 N2O的生成量随温度的升高而下降, 而NO的生成量则随温度的升高而 升高。煤中氮转化成N2O和NO的转化率也具有同样的变化趋势。N2O浓度随 温度升高而下降，其原因是生成反应的速率随温度升高而减慢，而分解反 应的速率随温度升高而加快。因而，温度越高，生成量越小。煤粉燃烧由 于燃烧温度高(10001600)，因而N2O的生成量很小，而流化床燃烧温 度为800950，属低温燃烧，因而N2O生成量较大。 2 2 过量空气系数的影响过量空气系数的影响 过量空气系数小于1.0时

53、，N2O生成量并不大。随着过量空气系数增加， N2O的生成量明显增加。煤中氮转化为N2O的转化率也明显升高。因为HCN 生成NCO的过程是需氧反应，由焦炭通过多相反应生成NO、(-N) 和(-CNO) 也需要氧参加，氧量不足，直接影响中间产物的生成量，进而影响N2O的 生成量。 N N2 2O O生成量的影响因素生成量的影响因素 3 3 煤种的影响煤种的影响 研究结果表明：在流化床燃烧温度范围内，煤中N转化为N2O的转化 率的大小明显依赖于煤种，即无烟煤烟煤褐煤。在700800，转化 率的大小顺序是：烟煤褐煤无烟煤；在850950，烟煤无烟煤褐 煤。因此，煤种不同，N2O的生成量也不同，而且，

54、其相对大小还受燃烧 温度的影响。 N N2 2O O生成量的影响因素生成量的影响因素 4 4 煤质的影响煤质的影响 (1) 含氮量的影响含氮量的影响 煤的含氮量越高，N2O的生成量也越高,具有明显的依赖关系。 (2) 含碳量的影响含碳量的影响 煤的含碳量越高，N2O的生成量也越高,具有明显的规律性。 (3) 挥发分的影响挥发分的影响 各种煤的挥发分含量与N2O的生成量之间没有明显的规律性，挥 发分含量不能作为判断N2O生成量的指标。在7001000的温度范 围内，最重要的4个因素是氮含量、碳含量、固定碳含量和氮在焦炭 中的分配。 N N2 2O O生成量的影响因素生成量的影响因素 5. 5.

55、石灰石对石灰石对N N2 2O O的影响的影响 CFB锅炉电厂在不加入石灰石脱硫和加入石灰石脱硫时，N2O排放浓度 的对比如图所示。数据表明，加入石灰石脱硫，CFB锅炉和实验装置烟气 中N2O浓度通常有所减小。在不同的运行条件下，N2O的浓度减少的量不同， 减小幅度最大的达到25%。CaO除了引起HCN向NH3转化，抑制燃烧过程中N2O 的生成，还能促进N2O的热分解，造成烟气中N2O的排放浓度降低。 石灰石对石灰石对N N2 2O O排放浓度的影响排放浓度的影响 N N2 2O O生成量的影响因素生成量的影响因素 CFBCFB锅炉燃烧下锅炉燃烧下NOx/NNOx/N2 2O O控制技术控制技

56、术 为了有效减少CFB燃煤过程中NOx/N2O的排放，国内外众多研究者开 发了许多行之有效的技术。对公认较为成熟的抑制NOx/和N2O排放的技术 进行总结和比较对开发新型高效抑制CFB燃煤过程NOx/N2O排放技术或新 型CFB燃煤工艺无疑是十分重要的。 1 1 低氧燃烧技术低氧燃烧技术 过剩空气系数较大，CFB中O2浓度较高，燃烧温度升高，有助于HCN， NH3以及半焦N的氧化，NO排放浓度较高。过剩空气系数降低时，NO排放 明显下降。在某些场合，当过剩空气系数由l.3变为1.1时，NO排放浓度可 以下降(80150)10-6。 2 2 烟气再循环技术烟气再循环技术 将温度已降低的部分烟气引

57、入CFB的烟气再循环技术，是通过降 低炉内O2浓度和火焰温度实现抑制NOx/N2O的生成。采用烟气再循环 技术，由于烟气量明显增加，将引起燃烧状态不稳定，可能增加未完 全燃烧的热损失。因此，CFB电站锅炉的烟气再循环率一般不超过20 。 CFBCFB锅炉燃烧下锅炉燃烧下NOx/NNOx/N2 2O O控制技术控制技术 3分级燃烧技术分级燃烧技术 CFB燃煤过程的分级燃烧技术，旨在使CFB的提升管自下而上形成 富燃料(煤)区、部分燃烧区、燃烧区。该技术有利于抑制CFB燃煤过程， 特别是高挥发分煤燃烧过程的NOx排放。NOx的排放浓度与一次空气供应 量有关。一般一次空气量为理论燃烧空气量的65%-

58、85之间时对降低 NOx排放最有利。 CFBCFB锅炉燃烧下锅炉燃烧下NOx/NNOx/N2 2O O控制技术控制技术 4 4SNCR和和SCR技术技术 在CFB的烟气出口处注入NH3、尿素、氰尿酸等含N物质，不使用固 体催化剂就达到降低N排放的选择性非催化还原(Selective Non-catalytic Reduction，SNCR)技术主要在9001100温度范围进行，通过以下反 应达到NOx还原生成N2和H2O的目的。 6NO+4NH3 N2+6H2O 4NO+O2+4NH3 4N2+6H20 SNCR 技术一般可以脱除30-50的NOx。 SNCR和SCR均有逸氨的缺点，这使燃烧含

59、Cl量较高的煤种时可能从 烟囱排出NH4Cl，或泄漏的NH3与尾气中的SO3生成NH4HSO4堵塞管道。 因此，注NH3时应十分小心。另外，由于NH3存在储藏和运输等方面的 困难，所以通常优先应用尿素，在小型装置上更是如此。 CFBCFB锅炉燃烧下锅炉燃烧下NOx/NNOx/N2 2O O控制技术控制技术 5 5再燃技术再燃技术 分段供给燃料和空气到燃烧系统中的再燃技术，旨在通过在炉内形 成3个不同的燃烧段，即由下至上分别为富氧区、富燃料区和富氧区， 实现降低N 排放的目的。在一次燃烧段，主要燃料煤粉在过量的空气中 燃烧，与空气中N2形成NOx。二次燃料，又称为再燃燃料，通常是天然 气或煤粉，

60、在主燃烧段上方喷入，形成富燃料的“再燃”段。从这一区 段的再燃燃料中释放出来的烃基与主燃烧段中形成的N反应，NOx被部分 还原为N2，部分转化为HCN。最后，在再燃段上方喷入空气，形成贫燃 料的“燃烬”区，从而完成了燃烧全过程。通常再燃燃料的热量占总输 入热量的10-30，再燃技术可以减少高达70的NOx。 CFBCFB锅炉燃烧下锅炉燃烧下NOx/NNOx/N2 2O O控制技术控制技术 有前景的减少有前景的减少NOxNOx和和N N2 2O O排放工艺排放工艺 1 1 反向分级燃烧技术反向分级燃烧技术 反向分级燃烧技术的关键是从提升管底部引入绝大部分燃烧空气，并 严格控制燃烧空气量，使提升管