低NOx排放技术

1、低NO排放技术浙能温州发电有限公司发电部徐少峰 浙能温电浙能温电. . 电站锅炉NOX排放控制标准 限于成本的考虑，中国火力发电燃煤锅炉主要考虑燃烧控制技术。根据不同燃煤燃烧时NOX排放控制可以达到的技术水平，确定火电厂大气污染物排放标准。 火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度执行表1规定的限值。 为了满足火电厂大气污染物排放标准规定的NOX排放要求，国产燃煤锅炉主要采用低NOX燃烧器和分级燃烧技术，其经济性最好。表表1 1 火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度高允许排放浓度 时段第1 时段第2 时段第3 时段燃煤锅炉Vdaf10%15

2、001300110010%Vdaf 20%1100650650Vdaf 20%450燃油锅炉650400200燃气轮机组燃油150燃气80第一节 NOx生成机理 燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO和NO2，通常把这两种氮的氧化物称为NOx。其中NO占90%以上。 由于氮的键能不同，以及与氮进行反应的介质成分不同，因而NOx的生成有三种不同的机理：热力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，它占总的氮氧化物的（2050）%；快速NOx，它是燃料中的碳氢化合物CHx与空气中的N2，在过量空气系数为（0.70.8）时，由预混燃烧生成，其生成地点不是发生在火焰面的下游，而是在燃

3、烧初期的火焰面内部，而且反应时间极短，在实际燃烧装置中，快速NOx量很少，就煤粉炉而言，小于5%；燃料NOx，它是燃料中所含的氮化合物，在燃烧过程中氧化而生成的氮氧化物，它占总的氮氧化物的75%左右。1热力型NOx 热力型NOx系燃烧过程中空气中的氮和氧在高温中生成的NO及NO2总和，其总反应方程为： N2+O2=2NO NO+1/2O2=NO2 影响热力氧化氮生成的主要因素是温度、氧浓度以及在高温区的停留时间。其中温度对热力NOx生成速率的影响最大，热力NOx的生成速率与温度几乎呈指数的关系。氧浓度增大和在高温区停留时间的延长，都会使热力NOx生成量增加。在典型的煤粉火焰中，热力NOx占总N

4、Ox排放量的20%左右。对实际煤粉锅炉，燃烧温度的降低，以及温度分布均匀化，都能有效地降低热力NOx的生成。 由于氧原子与N2反应的活化能比氧原子与火焰中可燃成分反应的活化能高的多，而且氧原子在火焰中存在时间较短：故火焰不会产生大量的NO，NO的生成反应系在燃料中可以燃烧部分基本烧完之后的高温区进行。由于热力型NO生成的活化能很高，在1500以下几乎观测不到NO的生成反应，当温度超过1500时，温度每上升100，反应速度将增加67倍。热力型NOx可占生成总量的25%30%。 NO生成反应速度与温度呈指数规律外，还与N2浓度成正比及O2浓度的平方根成正比，并与停留时间有关。要控制热力型NOx的生

5、成，则必须降低燃烧温度；避免产生局部高温区；缩短烟气在高温区停留时间以及降低烟气中氧的浓度。2燃料型NOx 煤中的氮原子与各种碳氢化合物结合成氮的环状或链状化合物，如C5H5N、C6H5NH2等。煤中氮有机化合物的C-N结合键能较空气中氮分子的N三N键能小得多，在燃烧时容易分解。从氮氧化物生成的角度看，氧更容易首先破坏C-N键与氮原子生成NO。煤燃烧时燃料型NOX约为NOX生成总量的7590%。在一般燃烧条件下，煤中氮有机化合物先被分解成氰（HCN）、氨（NH3）和CN等中间产物，作为挥发分而析出，称为挥发分N；而残留在焦碳中的氮，称为焦碳N。挥发N要比其它挥发分析出要晚一些，一般当挥发分析出

6、1015%时，挥发分N才开始析出。燃料N转化为挥发分N的比例与煤种、析出时的温度及加热速度有关。在挥发分氮中，HCN与NH3所占比例与多种因素有关：对于烟煤，HCN比例一般大与NH3，劣质烟煤则以NH3为主，无烟煤挥发分N中HCN与NH3均较少；煤中燃料N以芳香环结合时，挥发分N以HCN为主，燃料N以胺的形式存在时，NH3是主要的热解初始产物；挥发分N中HCN及NH3产率随温度增高而增加，但温度超过10001100时，NH3含量达到饱和；随温度上升，燃料N转化为HCN的比例大与转化为NH3的比例。 燃料型NOX的反应机理较热力型复杂的多，两种形态的氮氧化物HCN及NH3以不同的反应途径生成NO

7、，同时伴随NO还原为N2的反应。HCN氧化为NCO后，可能有两条反应途径，取决于反应条件。在氧化性气氛中，NCO会进一步氧化生成NO；而在还原气氛中，NCO会反应生成NH。NH在氧化气氛中会进一步氧化生成NO，成为NO的生成源，同时，又能与已生成的NO进行还原反应，使NO还原为N2。 NH3可能作为NO的生成源，也可作为NO的还原剂。NH3与OH、O及H反应生成NH2，NH2再与OH及O、H反应生成NH。NH会被氧化生成NO；而NH也可直接与NO反应还原为N2及OH或H2O；NH与OH及O反应还可以生成原子N，原子N与NO可反应还原生成N2及O。 在通常燃烧温度下，煤粉燃烧时由挥发分生成的NO

8、X占燃料型NOX的6080%。而由焦碳生成的NOX则占2040%。焦碳N生成NOX的情况较复杂，与氮在焦碳中NC、NH之间的结合状态有关。有人认为焦碳N是通过焦碳表面多相反应而生成NOX；也有人认为焦碳N与挥发分N一样，是首先以HCN及CN的状态析出后氧化生成NOX的。但研究表明，在氧化性气氛中，随着过量空气的增加，挥发分NOX增长迅速，明显超过焦碳NOX的增长。这可能由两方面原因所致：焦碳N生成NOX的活化能较碳氧反应的活化能大，故焦碳NOX是在火焰尾部生成，其所处烟气的氧浓度较低，再加上因温度较高，可能焦碳中的灰熔融而使焦碳反应表面减少，致使焦碳NOX生成量减少；另一方面，焦碳表面具有还原

9、作用，在碳及煤灰中CaO的催化作用下，可促进焦碳NOX还原。3快速型NOX 快速型NOX是弗尼莫尔1971年发现的。碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会瞬间快速生成NOX。与热力型及燃料型不同，快速型NOX是燃料燃烧时产生的烃类等撞击空气分子中N2分子而生成CN、HCN等再被氧化成NOX。 在碳氢化合物燃烧时，特别是富燃料燃烧时，会分析出大量的CH、CH2、CH3、C2等，会破坏N2的分子链而生成HCN及CN等，该组分反应活化能较低，故反应速度较快。HCN、CN与O、OH反应生成NCO，NCO被进一步氧化后生成NO。有一种观点认为90%的快速型NOX是通过HCN生成的。此外，研究发现

10、火焰中HCN达到最高值转入下降阶段时，存在大量的氨化物，这些氨化物和氧原子等快速反应而生成NO。由前述可见，快速型NOX来源于空气中的N2，类似于热力型；但NO的生成机理却与燃料型相似，在HCN生成后与燃料型NOX生成途径基本一致。 快速型NOX生成对温度不敏感，一般情况下，对不含氮的碳氢燃料在较低温度燃烧时，才重点考虑快速型NOX，如内燃机的燃烧过程，对煤粉燃烧，快速型NOX生成量占总生成量的5%以下。 可以看出，NOX生成的最大特点就是与煤的燃烧方式、燃烧工况有关系。NOX生成量强烈地依赖于燃烧的温度水平，此外与风煤比，传热和煤种以及煤、空气和燃烧产物的混合程度有关。正因为这样，可以通过改

11、善燃烧方式，改变锅炉运行条件来降低NOX生成量。第二节 低NOx排放燃烧技术 控制NOX方案来源于对其机理的研究。控制措施分为一次及二次措施，一次措施指在燃烧过程中采用的措施，系在炉膛内实现，为低NOX的燃烧技术；二次措施为净化烟气的脱硝技术，系在燃烧后对烟气中加入还原剂及催化剂吸收已生成的NOX。一般一次措施最多只能降低NOX排放值的50%，当环保要求降低到40%以下时，则应加二次措施，二次措施与一次措施一般同时采用。 低NOX燃烧技术的要点是抑制NOX的生成，并创造条什使已生成的NOX还原。对煤粉燃烧锅炉，燃烧温度在1350以下，几乎没有热力型NOX生成，只有当燃烧温度超过1600，热力型

12、NOX可到2530，而快速型NOX仅占5，故对煤粉燃烧主要是控制燃料型NOX图741为低NOX燃烧技术的原理简图，其要点是对燃料型NOX生成各途径造成还原性气氛，控制其生成，促进其还原，该图中用粗黑箭头表示了以还原性气氛使燃料N转化为分子氮(N2)的方向。一、低氧燃烧一、低氧燃烧 低氧燃烧是控制NOX排放量最简单的方法。对燃烧器及燃烧系统不需作任何改动，仅在运行中控制入炉风量，使煤粉燃烧过程尽可能接近理论燃烧空气量下进行。采用低氧燃烧方案可使NOX排放量降低2030。 该方案实际应用时受条件限制。炉内氧量过低，将使飞灰含碳量增加，对难燃及较难燃的煤种更为明显；另外，还会使排烟CO浓度增加，这都

13、会使锅炉效率降低。还有一个问题是，对某些锅炉，低氧燃烧时导致主蒸汽或再热蒸汽温度偏低。具体实施时要根据燃刚煤种，锅炉效率降低幅度及汽温等性能确定适宜的炉膛出口(或省煤器处)烟气氧量控制值。二、空气分级燃烧技术 将助燃空气分成多股，使其逐渐与煤粉混合燃烧，这样就可降低见局部区域的空气燃料比，煤在热分解和着火阶段，由于缺氧，因而氮氧化物的生成受到抑制。空气分级可以在燃烧器内实现，也可在锅炉内完成。将完全燃烧所需的85%空气量引入主燃烧器，使主燃烧器区域的燃烧在氧气不足、燃料富集的工况下进行。由于氧气量不足，火焰温度较低，氮氧化物的生成量就较少，燃料氮生成的中间产物（如NCH，NH3等）也会因此而无

14、法氧化成为NOX。同时，已经生成的NOX还可能在还原性气氛中还原成分子氮（N2），其结果就减少了NOX的排放量。上部设置二层顶部燃尽风（OFA）喷口，通过它将其余的约15%的空气送入炉膛，避开了高温火焰区，还可以使未燃尽的炭粒燃尽，完成整个燃烧过程。三、烟气再循环燃烧技术 将锅炉尾部烟气抽出，掺混到一次风中，一次风因烟气掺混后其氧浓度降低，同时低温烟气还会使火焰温度降低，也能使氮氧化物的生成受到抑制。但这一方法会引起煤粉燃烧不稳定，甚至灭火。最近有的在燃烧器中采用高温烟气再循环，这样既能抑制氮氧化物的生成，又能提高煤粉燃烧的稳定性。四、煤粉浓淡分离燃烧技术 将一次风输送的煤粉用离心分离法分为浓

15、度不同的浓、淡粉风流。在着火燃烧的初期，空气燃料比低的浓粉对抑制氮氧化物生成有利。但从整个锅炉燃烧过程来看，煤粉空气混合越均匀，燃烧效果越好，将煤粉浓淡分离就对炉内后期的煤粉与空气混合不利，会使飞灰含碳量增加，效率降低。此外，在煤种不同，负荷不同的条件下，煤粉浓、淡程度难以控制 五、燃料分级（或再燃）燃烧法 向炉内燃烬区再送入一股燃料流，使煤粉在氧量不足的条件下热分解，所生成的中间产物可将NOX还原为N2，也可在燃烧器出口的热分解区、着火区，使已生成的NOX回流，并与热分解产生的中间产物反应使NOX还原。但这种方法往往会使分级送入燃烬区的煤粉难以燃烬，从而影响燃烧效率。 再燃烧法的特点是，将燃

16、烧分成三个区域：一次燃烧区是氧化性或稍还原性气氛（1）；在第二燃烧区，将二次燃料送入还原性气氛（1），因而生成碳氢化合物基团，这些基团与一次燃烧区内生成的NO反应，最终生成N2，这个区域通常称为再燃烧区。二次燃料称为再燃燃料；最后再送入二次风（），使燃料完全燃烧，称为燃尽区。六、低NOX煤粉燃烧器 Babcock双调风燃烧器。该燃烧器的特点是，通过控制煤粉与空气的混合，使燃烧从燃烧器的出口开始，将完全燃烧区调长。这种延时燃烧的方法可降低火焰温度峰值来减少NOX排放量。根据我国南通电厂使用该燃烧器的情况看，在燃用收到基挥发分为22.8%的晋北煤时，锅炉效率为93.6%, 满负荷是NOX排放量为6

17、00 mg/m3。 WR型浓淡偏差燃烧器。直流燃烧器四角布置。切圆燃烧是ABB-GE公司的传统燃烧方式，这种燃烧器因气流在炉膛内形成一个较强烈旋转的整体火焰，对燃烧稳定，强化后期混合，保证燃料完全燃烧十分有利。此外，四角燃烧时，炉内火焰充满情况较好，水冷壁传热均匀，燃烧中心的火焰峰值温度和最大热流密度较低，有利于减少NOX的排放。第三节燃烧优化降低NOx措施1.炉膛氧量对NOx排放和效率的影响 随着入炉氧量的增加，NOx排放量呈明显上升趋势，特别是在氧量较低时增加速度较快。锅炉效率随着氧量的增加而下降，造成锅炉效率下降的主要原因是排烟温度和体积的增加使排烟热损失加大，而未完全燃烧热损失变化不大

18、。 在NOx排放方面，采用缩腰型配风和倒宝塔配风方式最低，均匀配风和鼓形配风次之，正宝塔配风最高。从正宝塔配风、均匀配风到倒宝塔配风，空气中心上移，炉内空气分级程度增大，使主燃烧器区域的氧浓度降低，既能降低主燃烧区域的火焰温度，又能抑制燃料氮形成的中间产物与氧的化合，因而降低了NOx的排放量。缩腰配风NOx排放量最低，低于的倒宝塔配风，这是因为缩腰配风不仅象倒宝塔配风一样使上二次风喷口的风量加大，主燃烧器区域的氧浓度降低，而且让部分中间二次风喷口风量转移到下二次风喷口，使一次风与二次风的混合推迟，造成燃烧初期氧量供应的下降，限制了NOx的生成量。 在锅炉效率方面，倒宝塔和鼓形配风机械未完全燃烧热损失最大，效率最低。缩腰配风机械未完全燃烧热损失最小，虽然由于氧量较大使排烟热损失较大，但如果将氧量控制在较小，锅炉效率应较高，考虑到炉膛氧量有不同，锅炉效率的变化不明显。综合锅炉效率和NOx的排放量以缩腰配风最佳。2.二次风配风方式对NOx和效率的影响3一次风速对NOx排放和效率的影响 随着一次风风速的增加锅炉NOx排放量相应增加。一次风风速的降低，会导致煤粉气流着火提前，着火提前，相当于与二