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电站燃煤锅炉低NOX燃烧技术
一、煤粉燃烧过程中NOX的生成途径
煤粉燃烧过程中所生成的氮氧化物主要是NO和NO2,通常把这两种氮氧化物合称为NOX。其中NO约占95%以上。煤粉燃烧过程中因NOX的生成机理不同可分为热力NOX、燃料NOX和快速NOX。
热力NOX:热力NOX是燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物。
燃料NOX:燃料NOX是燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化形成的氮氧化物。
快速NOX:快速NOX是碳氢化合物在燃烧时分解的中间产物与N2反应得到。
在煤粉的燃烧过程中,燃料NOX约占7090%,热力NOX约占1030%,快速NOX所占比例5%,通常被忽略。
1.  影响热力NOX生成的主要因素
热力NOX起源于空气中的N2,主要是在1800K以上的高温区产生,其化学反应为
N2 + O = NO + N
N + O2 = NO + H
上述反应在高温下的特点是正反应速度比逆反应速度快,且与反应温度、反应时间和O2的浓度成正比,因此影响热力NOX生成有
温度:在燃烧过程中,温度越高,生成的NOX量越大。煤粉锅炉中的燃烧温度通常高于1500℃,因此易产生较多的NOX。
过剩空气系数:由于O2的浓度对热力NOX有直接的影响,因此过剩空气系数对NOX有着明显的影响。在煤粉锅炉燃烧过程中,当=~,NOX的生成量最大,而偏离这个范围时,NOX的生成量会明显减少。
时间:当N和O处于高温区的时间越长,N和O的反应越充分,则生成的NOX越多。
3%,这些氮在燃烧中被分解后释放,形成NHi、HCN等中间产物,通过与OH、O、O2等进行反应,一部分转换为NO,其余的还原成N2。因此,燃煤中的含N量越高,燃烧过程中煤中N转化为NOX也就越多。
2 .影响燃料NOX生成的主要因素
由于燃料氮在较低的温度下分解,所以燃料NOX的生成对温度的依赖性比较低。
研究表明,当燃料过浓时,即当量比较大时,燃料氮向NO的转化率减小,在=。
煤粉燃烧过程中生成的燃料NOX源于煤中挥发分所含氮和焦炭所含氮,焦炭中的氮向NOX的转化率很低,主要还是挥发分中的氮燃烧生成NOX。
挥发分NOX的多少,将具体取决于下述三个因素:
着火区段中挥发分释出量
挥发分释出量越多,较多的燃料N以气相释出转入挥分中,因而生成的挥发分NOX也越多。而挥发分释出量与煤种和热解温度有关,煤种挥发分高,热解温度高,则挥发分释出量多,因而挥发分NOX也多。
着火段中的氧浓度
氮化合物只有经过氧化反应才能生成NOX。着火段中氧浓度增加,则挥分发分NOX增加。反之,当氧浓度减少,挥发分N不易转变成NOX;且由于此时挥发分N浓度较高,挥发分N的相互复合反应以及对NOX的还原反应增强,使挥发分NOX减少。
在着火段中的停留时间
在空气较多时,燃料氮释出并转变成NO需要一定的时间,若在着火段中停留时间较长,则生成的NOX增加.
在富燃工况下,氮化合物的还原分解或相互复合反应增强,着火段中停留时间长,,NH3等得到充分分解和复合反应,则挥发分NOX减少。
3. 炉内NOX的生成特性
煤粒在炉内的燃烧过程可以分为三个阶段:
初始阶段,温度低,反应十分缓慢;
挥发分释出并着火燃烧阶段,温度急剧升高;
焦炭燃尽阶段,氧气浓度浓度减少,氧化反应减慢。
三个阶段的NOX的生成或分解反应有所不同
第一阶段,NOX的生成或分解都很少;
第二阶段,温度很高,氧浓度大,NOX的生成和分解反应都进行得很快,但NOX的生成反应要快得多,因而NOX浓度急剧增加。也有部分NOX转变成N2。当炉温达到最高值时,NOX浓度也达到最大值;
第三阶段,进入焦炭燃尽阶段,氧浓度减少,这时虽然不断地生成焦炭NOX,但是,已经生成的NOX中有部分被焦炭还原分解生成N2而逐渐减少。
挥发分NOX和焦炭NOX情况的说明:
挥发分NOX是燃料NOX的主要组成部分,它是在燃烧初始阶段形成的,也即在距燃烧器很近的地方生成的。所以,燃烧器运行工况变化将影响挥发分NOX的多少。换句话说,可以通过改进燃烧器的设计与运行工况来控制燃料与空气的混合程度,从而使挥发分NOX减少。
炉内NOX的生成特征
(a) NOX生成过程(b)燃料N向NOX和N2的转变率
焦炭NOX是在火焰尾部生成,这时燃料与空气已混合在一起,所以,改变燃烧器运行工况对焦炭NOX生成的影响不大。因此,焦炭NOX一般不容易控制。
由于焦炭可将已生成NOX还原分解,故NOX减少,焦炭NOX的转变率较低,约为12~16%。即使挥发分NOX的转变率较高,但总的燃料NOX的转变率也只有20~50%。其主要与燃料中含N量、挥发分、过剩空气系数和燃烧温度等因素有关