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1、燃烧学原理,NO3.NOX生成原理及低NOx燃烧技术,美丽的地球-人类和动物、植物的家园,从太空俯瞰美丽的地球,Surrounding of Western Kentucky University,Bowling Green,KY,USA.Fall of 2002,洛杉矶光化学烟雾事件,1943年夏季，洛杉矶市250万辆汽车燃烧的1100吨汽油所产生的氮氧化物等气体，在太阳紫外线照射下引起化学反应.形成了浅蓝色烟雾，使该市大多市民患了眼红、头疼。1955年和1970年洛杉矶又两度发生该类事件，分别有400多人死亡和全市四分之三的人患病。,大气污染著名案例,伦敦烟雾事件,自1952年以来，伦敦发
2、生过12次大的烟雾事件。1952年12月那一次，伦敦大雾，燃煤排放的粉尘和二氧化硫无法散去。迫使所有飞机停飞，汽车白天开灯行驶，行人走路困难。烟雾事件使呼吸道疾病患者猛增，5天内有4000多人死亡，两个月内又有8000多人死去。,大气污染著名案例,煤烟型烟雾事件与光化学型烟雾事件的特点比较,氮氧化物是氮的氧化物的总称。种类很多，包括NO、NO2、N2O、NO3、N2O3、N2O4、N2O5等。其中N2O5是固体。大气中除NO、NO2较稳定外，其他氮氧化物都不太稳定，故通常所指的氮氧化物，主要是NO和NO2的混合物，即NOx。,1.氮氧化物及其性质,1.氮氧化物及其性质,NOx的性质难溶于水NO
3、：大气中NO2的前体物质，形成光化学烟雾的活跃组分。NO2:强烈刺激性，来源于NO的氧化，酸沉降。N2O：单个分子的温室效应为CO2的200倍，并参与臭氧层的破坏。,1.氮氧化物及其性质,大气中50%的NOx由人为污染源产生；主要是化石燃料的燃烧过程。燃料燃烧生成的NOx 中，90以上是NO，NO2 只有5-10。但N2O的影响日益显现 NOx的生成根据N成分的来源（空气中N2、燃料中N成分）及其生成途经的不同，其生成机理、抑制机理也不同。,热力型NOx（Thermal NOx，Zeldovovich NOx）：起源于空气中的N2，在高温下氧化生成的NOx。通常是在1800 K以上的高温区产生
4、。快速型NOx（Prompt NOx）：在碳氢化合物燃料的过浓预混燃烧火焰中，有虽然是源于空气中的N2，但又是以不同于燃料型NOx的生成机理，而快速生成的NOx。燃料型NOx（Fuel NOx）：由燃料中的氮形成的NOx。,3.1 NOx 的生成类型,三种NOx 在煤燃烧中对NOx的总贡献,热力型NOx的生成机理可用Zeldovich机理来描述：,3.3 热力型NOx（Thermal NOx),Zeldovich NOx的生成特点是生成反应比燃烧反应慢，因此，主要在火焰带下游生成NOx。Zeldovich NOx反应的温度，主要在1800 K以上区域。第一个反应式是控制反应；高温下反应非常快。
5、O源于高温下O2的分解。,快速型NOx是经HCN（氰化氢）、NH（铵）、N等中间产物形成的，而HCN、NH、N等中间产物又是由碳氢化合物分解过程中形成的活性炭化氢（CH、CH2等）与N2反应生成的：,3.4 快速型NOx（Prompt NOx),HCN和NH经一系列的反应变成CN（氰）、N，再被氧化为NO。N也可通过高温下的Zeldovich反应生成NO。快速型NOx的生成量与同样起源于空气中N2的Zeldovich NOx不同，对温度的依赖性低。,燃料氮在燃烧中被分解后释放，形成含氮的中间产物HCN、NHi等（用I表示），通过图示的竞争反应，亦称Fenimore途径，一部分转化为NO，一部分
6、转化为N2。R表示含氧原子的化学组分。,3.5 燃料型NOx（Fuel NOx),燃料型NOx的生成特性，不仅受反应区附近局部空气比和温度的影响，同时还明显受到燃料的氧化过程、自由基(O、OH、H)浓度、等局部燃烧条件的影响。也就是说，与化学反应的影响相比，实际燃烧炉中燃料型NOx的生成，更主要地是被燃料和空气的混合过程所控制。因此，为了抑制燃料型NOx的生成，设计竞争反应中的还原反应，显著优先于氧化反应进行的气氛是非常重要的。即在考虑了和氧化区域相平衡，而且不损失总的燃烧效率的前提下，把燃料过浓还原性区域(低RO浓度)，设在燃烧炉内或者烧嘴附近的适当位置，这是两段燃烧、低NOx喷嘴、或称为“
7、低NOx燃烧”技术，共同依据的基本原理。,低NOx燃烧技术的原理,燃料燃烧中NOx生成机理、抑制NOx生成、促使破坏NOx的途径,空气中的氮,燃料中氮的转换,NO再燃烧,NO 的生成及破坏与以下因素有关：煤种特性：煤的含氮量，挥发份含量，空气比等。炉膛燃烧温度或燃烧区域的温度峰值。反应区烟气的气氛，即烟气内氧气，氮气，NO和CHi的含量。燃料及燃烧产物在火焰高温区和炉膛内的停留时间。,1.减少燃料周围的氧浓度。包括：减少总的空气过剩系数；减少一次风量；减少挥发分燃尽前燃料与二次风的掺混；2.在氧浓度较少的情况下，维持足够的停留时间，使生成的NOx经过均相或多相反应被还原分解。3.在过剩空气的条
8、件下，降低温度峰值，以减少热力型NOx的生成。如采用烟气再循环等。4.加入还原剂，使还原剂生成CO、NH3、HCN，它们再将NOx还原分解。,低NOx燃烧技术实现的重要途径,1.低NOx燃烧技术：低过量空气燃烧法，空气分级燃烧法（OFA），燃料分级燃烧法，烟气再循环法。2.炉膛喷射脱硝：喷氨及尿素，喷水蒸汽，喷入二次燃料。3.烟气脱硝：干法脱硝。(SCR,SNCR,电子束照射烟气脱硝)湿法脱硝。,降低NOx排放的主要技术措施,低NOx燃烧技术 空气分级燃烧技术 燃料分级燃烧技术 煤粉浓淡燃烧技术 烟气再循环技术 低NOx燃烧器 烟气脱硝技术 选择性非催化脱硝法（SNCR）向炉膛中喷射氨、尿素等
9、氨基还原剂，因为NH3等只与烟气中的NOx发生发应 选择性催化剂法（SCR）4 NH3+4NO+O2 4N2+6H2O 采用催化剂促进NH3与NOx的反应，就称为选择性催化剂法。反应温度为300400左右；而采用活性焦炭做催化剂时，反应温度应选为100150。一般能够达到8090的脱硝率，能够满足较为严格的排放标准，目前正得到广泛地的应用。,NOx的主要控制技术,1.低NOx 燃烧技术,1.1 空气分级燃烧1.2 燃料分级燃烧1.3 烟气再循环1.4 低过剩空气燃烧1.5 浓淡偏差燃烧1.6 低NOx 燃烧器1.7 低NOx 燃烧技术比较,低NO燃烧技术的定义 凡通过改变燃烧条件来控制燃烧过程
10、关键参数，以抑制NOx生成或破坏已生成的NOx使之还原为N2达到减少排放的技术称为低NOx燃烧技术。,将燃料燃烧所需的空气量分两级送入；第一级燃烧区内过剩空气系数0.7-0.8，燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和燃烧温度降低，从而抑制了热力型NOx的生成；同时，燃烧生成的CO与NO进行还原反应，以及燃料N分解成中间产物（NH、CN、HCN和NH3等）相互作用与NO还原分解，抑制了燃料型NOx的生成：在第二级燃烧区内，将完全燃烧所需的其余空气通过布置在主燃烧器上方的专门空气喷口OFA（Over Fire Air）“火上风”喷入炉膛。空气分级燃烧可使NOx生成量降低3040。,1.1
11、空气分级燃烧,煤粉炉燃烧器前墙布置时“火上风”(OFA)喷口在炉膛上布置的示意图,空气分级燃烧,空气分级燃烧,空气分级的低NOx旋流燃烧器一次火焰区：富燃，含氮组分析出但难以转化二次火焰区：燃尽CO、HC等,空气分级燃烧技术(air staging):燃料的燃烧过程分段进行，燃烧用风分为一、二次风，减少煤粉燃烧区域的空气量，提高燃烧区域的煤粉浓度。推迟一、二次风混合时间，煤粉进入炉膛时形成富燃料区，并在富燃料区进行缺氧燃烧，以降低燃料型NOx的生成。缺氧燃烧产生的烟气再与补入的二次风混合，使燃料完全燃烧。“燃尽风”喷口的位置决定了煤粉气流在主燃烧区内的停留时间，它和过量空气系数一起，共同决定了
12、主燃烧区内NOx降低的程度，也直接关系到其在燃尽区的燃尽效果和炉膛出口烟气温度水平。,沿炉膛高度空气分级燃烧,燃料分级燃烧也称燃料再燃技术。已生成的NO在遇到烃根和未完全燃烧产物和时，会发生NO的还原反应。总反应式为：利用这一原理，将80%-85%燃料送入一级燃烧区，在1条件下燃烧生成NOx；其余15%-20%的燃料则在主燃烧器上部送入二级燃烧区，在1条件下形成很强的还原性气氛，使NOx还原。二级燃烧区又称再燃区。再燃区上面还布置“火上风（OFA）”形成第三级燃烧区（燃尽区），使再燃区生成的未完全燃烧产物燃尽。,1.2 燃料分级燃烧,Figure 1 Schematic diagram of
13、reburning,再燃低NOX燃烧技术又称为燃料分级或炉内还原（IFNR）技术，它是近二十年发展起来的一种很有前途的低NOX技术，其原理示意图见图。再燃低NOX燃烧技术可以大幅度降低NOX排放，一般情况下可以使NOX排放浓度降低50%以上再燃技术可以保证燃料燃烧初期的良好燃烧条件，可以解决其他低NOX燃烧技术在燃用低挥发分煤种效果较差的问题。,再燃低NOX燃烧技术,燃料分级燃烧技术(fuel staging):根据NOx的分解机理，已生成的NOx在遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时，会发生NO的还原反应从而降低NOx排放水平。第一级燃烧区：将85%左右的燃料送入进行富氧
14、燃烧，生成大量的NOx；第二级燃烧区：送入15%的燃料，进行缺氧燃烧，将第一区生成的NOx进行还原，从而降低NOx的排放。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，再燃料宜于选用容易着火和燃烧的烃类气体或液体燃料，如天然气。,沿炉膛高度燃料分级燃烧,它是在锅炉的空气预热器之前抽取一部分烟气直接送入炉内，或者是与一次风或二次风混合后送入炉内。其结果是不仅降低了燃烧温度，而且也降低了氧气浓度，因此可以降低NOx的排放浓度。对于燃烧无烟煤等难燃煤种以及煤质不是很稳定的电站锅炉，则不宜采用烟气再循环技术。,1.3 烟气再循环,烟气再循环,烟气再循环,低
15、过量空气燃烧也称低氧燃烧，即：使燃烧过程在尽可能接近理论空气量的条件下进行。但如果氧含量（浓度）3%时，会使CO浓度剧增，使热效率降低。此外，低氧浓度会使炉膛内的某些地区成为还原性气氛，从而降低灰熔点引起炉壁结渣与腐蚀。,1.4 低过剩空气燃烧,一般用于扩散燃烧，要求炉内燃烧反应在尽可能接近理论空气条件下进行，可在一定程度上限制反应区氧气量对热力NO和燃料NO有一定的抑制作用。,低氧燃烧,降低助燃空气预热温度燃烧空气由27oC预热到315oC，NO排放量增加3倍,此法原理是对装有两个燃烧器以上的锅炉，使部分燃烧器供应较多的空气（呈贫燃料区，1），即燃料过淡燃烧；部分燃烧前供应较少的空气（呈富燃
16、料区，1），即燃料过浓燃烧；由于在化学当量比时NOx产生量最大，因此偏离化学当量比燃烧即可降低NOx。此法又称为非化学当量比燃烧或偏差燃烧。,1.5 浓淡偏差燃烧,CE公司直流式煤粉燃烧器,煤粉直流燃烧器,WR（宽调节比）型直流燃烧器：在WR型燃烧器中，煤粉空气混合物流经入口弯头时，由于离心力的作用大部分煤粉紧贴着弯头的外沿进入煤粉喷管，设置在WR型燃烧器煤粉喷管中间的水平肋板将浓淡两股煤粉流分开，并保持到喷嘴处，再流经摆动式煤粉喷嘴出口处的三角形扩锥，可使其出口端的火焰稳定在回流区中，改善了低负荷下的稳燃性能，再加上喷嘴出口的周界风受到扩锥的导向作用，可推迟周界风和煤粉空气混合物的混和，更有
17、利于煤粉着火。,WR型直流燃烧器,浓淡偏差燃烧,从NOx的生成机理看，占NOx绝大多数的燃料型NOx是在煤粉的着火阶段完成的。因此应用抑制NOx生成的原理，通过特殊设计的燃烧器结构，通过改变燃烧器的风煤比例等，就可以达到降低NOx的目的。具有这种功能的燃烧器就是低NOx燃烧器。低NOx燃烧器能在煤粉的着火阶段有效抑制NOx的生成，达到环保标准，因此世界上主要锅炉生产商都致力于低NOx燃烧器的研究和开发。已经发展了多种低NOx燃烧器。,1.6 Low-NOx Burner,德国斯坦谬勒（Steinmuller）公司SM型低NOx燃烧器,美国巴威公司低NOx燃烧器,巴布科克-日立公司HT-NR型低NOx燃烧器,Babcock-Wilcoks公司XCL型低NOx燃烧器,德国巴威公司DS型低NOx燃烧器,1.7 低NOx燃烧技术比较,低NOx燃烧技术比较,低NOx燃烧技术比较,
