4低氮燃烧技术原理-培训教程要点

发布时间：2023-12-13 08:03:44| 来源：乐鱼平台登录

  锅炉燃烧过程中成成的氮氧化物（主要是NO和NO2）严重地污染了环境。因此，抑制NOX的生成已成为大容量锅炉的燃烧器设计及运行时一定要考虑的主体问题之一。锅炉燃烧过程中产生的NOX一般可分为三大类：即热力型NOX(Thermaol NOX)、燃料型NOX（Feul NOX）、和快速型NOX（Prompt NOX）。上述3种氮氧化物的组成随燃料含氮量不同有差别。对于燃煤，通常燃料型NOX占70％～85％，热力型NOX占15％～25％，其余为少量的快速型NOX。

  热力型NOX的产生源于空气中的氮气在1500℃以上的高温反应环境下氧化，所以，控制热力型NOX的主要从一下几方面入手：

  一般来说，工业燃烧过程中以空气为氧化剂时控制N2的浓度不容易实现，而富氧燃烧或纯氧燃烧技术就是以减少N2由此减少热力型NOX的一种方法。降低燃烧温度在工程实践中是通过向火焰面喷射水/水蒸气来实现的。降低氧浓度能够最终靠烟气循环来实现。使一部分烟气和新鲜空气混合，既能够更好的降低氧浓度，同时能降低火焰的温度。此外分级燃烧和浓淡燃烧技术也能控制热力型NOX。

  燃烧过程中最终生成的NO浓度和燃料中氮全部转化成NO时的浓度比为燃料型NOX的转化率CR＝【最终生成的NO浓度】÷【燃料全部转化成NO的浓度】

  而焦炭氮煤在通常的燃烧温度下以产生燃料型和热力型NOX为主，对不含氮的碳型燃料，只在较低温度燃烧时，才要重点考虑快速型NOX，而当温度超过1000℃时，则主要生成热力型NOX。可见，降低燃烧温度可有实际效果的减少NO的生成，但当温度降低到900℃以下时，燃料N向N2O的转化率将提高。因此，仅通过降低燃烧温度来控制NOX的排放是不够的，需要兼顾各方面因素。

  在锅炉燃烧水平下，NO生成反应还未达到化学平衡，因而NO的生成量将随烟气在高温区内的停留时间增长而增大。另外，氧气的浓度直接影响NO的生成量，氧浓度水平越高，NO的生成量就会越多。当温度高于1500℃时，NO生成反应变得十分明显，随着温度的升高，反应速度按阿累尼乌斯定律按指数规律迅速增加。通过实验得到，温度在1500℃以上附近变化时，温度每升高100℃，上述反应的速度将增大6-7倍。可见温度具有决定性影响。因此也就把这种在高温下空气中的氮氧化物称之为温度型NOX。

  其主要的生成阶段是燃烧起始时候，在煤粉炉占NOX生成总量的约60%一80%左右，目前对燃料型NOX的研究仍在继续深入。燃煤中氮元素的含量一般约为0.5%~2.5%，以N原子状态与煤中的碳氢化合物相紧密结合，以链状或环状形式存在，主要是以N-C和N-H键的形式存在，N-C和N-H键要比分子氮的N-N键能小的多，更容易被氧化断裂生成NOX，从这个反应的机理能够准确的看出燃料型NOX要比热力型NOX更容易产生。由于这种氮氧化物是燃料中的氮化合物经过热分解和氧化产生的，故称之为燃料型NOX。

  快速型NOX的特征是温度依赖性低，生成速度快。根据快速型NOX的生成机理考虑，它是由N2分子和CHI自由基反应生成的HCN，HCN又被数个基元反应氧化而成的。所以快速型NOX的控制主要从两个方面来入手考虑:抑制N2分子和CHI自由基的反应以及HCN的多个基元反应。

  燃料燃烧时，燃料氮几乎全部迅速分解生成中间产物I，如果有含氧化合物R存在时，则这些中间产物I(指N，CN，HCN和NHi等化合物)与R(指O，O2和OH等)反应生成NO，同时I还可以与NO发生反应生成N2:

  燃煤中的氮分为挥发性氮和焦炭氮，其中挥发性氮被释放后含有一定量的NH3，并按下式进行反应:

  燃料中氮的化合物中氮是以原子状态与各种碳氢化合物结合的，与空气中氮相比，其结合键能量较小，因而这些有机物中的原子氮较容易分解出来，氮原子的生成量大幅度提升，液体与固体燃料燃烧时，由于氮的有机物放出大量的氮原子，因此无论是挥发燃烧中还是焦炭燃烧阶段都生成大量的NO。就煤而言，燃料氮向NOX转化过程大致有三个阶段:首先是有机氮化合物随挥发分析出一部分，其次是挥发分中氮化合物燃烧，最后是炭骸中有机氮燃烧。

  燃料型NOX是燃料中氮化合物在燃烧过程中热分解且氧化而生成的，是燃煤电厂锅炉产生氮氧化物的主要途径，其生成量主要与氧浓度（化学当量比）有关。燃料型NOX包括挥发分中均相生成的NOX和由残焦中异相生成的NOX两部分。挥发分中的氮主要以HCN和NHi的形式析出，随后氧化生成NOX。焦炭中氮能够最终靠异相反应氧化生成NOX。其中由挥发分燃料氮转化而成的燃料型NOX（简称挥发分燃料型NOX）约占60％～80％，由焦炭燃料氮转化而成的NOX（简称焦炭燃料型NOX）约占20％～40％。

  经实验发现，随着燃烧温度上升，首先出现HCN，在火焰面内到达最高点，在火焰面背后降低下来。在HCN浓度降低的同时，NO生成量急剧上升。还发现在HCN浓度经最高点转入下降阶段时，有大量的NHi存在，这些胺化合物进一步氧化生成NO。其中HCN是重要的中间产物，90%的快速温度型NOX是经HCN而产生的。快速温度型NOX的生成量受温度的影响不大，而与压力的0. 5次方成正比。在煤粉炉中，其生成量很小，一般在5%以下。一般的情况下，对不含氮元素的碳氢燃料的较低温度的燃烧反应中，才着重考虑快速型NOX。

  快速温度型NOX的产生是由于氧原子浓度远超过氧分子离解的平衡浓度的缘故。测定发现氧原子的浓度比平衡时的浓度高出十倍，并且发现在火焰内部，由于反应快，O、OH、H的浓度偏离其平衡浓度，其反应如下:

  可见，快速温度型NOX的生成可以用扩大的泽尔多维奇机理解释，但不遵守氧分子离析反应处于平衡状态这一假定。

  同时，燃料中的含氮量也是影响燃料型NOX生成的一个主要的因素。研究之后发现，含氮量越高的燃料生成NOX的转化率越低。但是由于基数相对较大，实际燃烧过程中高含氮量燃料最终所产生的燃料型NOX要远大于含氮量低的燃料。研究表明燃料中的氮是在较低温度下就开始分解，故温度对燃料型NOX的生成影响不是很大。

  综上所述，降低燃料型NOX的重要的因素是减少反应环境中的氧气浓度，使煤粉在a1环境中进行燃烧反应；在扩散燃烧时候推迟空气和燃料的混合；在允许条件下应当燃用含氮量低的燃煤。

  经理论和试验研究根据结果得出，煤粉中氮转化成NOX的量主要根据炉内过量空气系数的高低，当煤粉在缺氧状态下燃烧时，挥发出来的N和C，H竞争环境中不足的氧气。但是由于氮竞争能力相对较弱，这就减少了NOX的形成；氮虽竞争氧能力比较差，但是却可以之间相互作用而生成无害的氮气分子。由以上结论能够准确的看出，在富燃料条件下降低炉内的过量空气系数能在很大程度上抑制燃料型NOX的生成。

  上述反应是一个连锁反应，决定NO生成速度的是原子N的生成速度，反应式NO2→NOO相比于式N2O→NON是相当迅速的，因而影响NO生成速度的关键反应链是反应式N2O→NON，反应式N2O→NON是一个吸热反应，反应的活化能由反应式反应和氧分子离解反应的活化能组成，其和为542X103J/mol。分子氮较为稳定，只有较大的活化能才能把它氧化成NO，在反应中氧原子的作用是活化链接的环节，它源于O2在高温条件下的分解。热力型NOX的生成量伴随氧气浓度和温度的增大而加大。正因为氧原子和氮分子反应的活化能很大，而原子氧和燃料中可燃成份反应的活化能又很小，在燃烧火焰中生成的原子氧很容易和燃料中可燃成份反应，在火焰中不会生成大量的NO，NO的生成反应基本上在燃料燃烧完了之后才进行。热力型NOX的生成速度要比相应的碳等可燃成份燃烧速度慢，主要生成区域是在火焰的下游位置。

  热力型NOX是高温下空气中氮气氧化而成，其生成机理是由原苏联科学家捷里道维奇提出来的。温度对热力型NOX的影响十分很明显，热力型NOX又称为温度型NOX。当燃烧温度不高于1800K时，热力NOX生成极少；当温度高于1800K时，反应逐渐明显，且随温度的升高，NOX生成量急剧升高。控制热力型NOX的重点是降低燃烧温度水平，避免局部高温。

  燃煤中的氮生成NOX主要根据煤中的含氮量，显然煤中的含氮量越高，生成的NOX越多。当锅炉内生成NOX时，还存在一系列氧化还原反应。

  燃料氮的转化率主要受温度、过量空气系数(富裕氧浓度)和燃料含氮量的影响，一般在10%~45%范围内。

  随着氮的转化率(主要受温度影响)升高，燃料氮转化率逐步的提升，但这主要发生在700℃~800℃温度区间内。因为燃料NO既可通过均相反应又可通过多相反应生成，燃烧温度很低时，绝大部分氮留在焦炭内；而温度很高时，70% -90%的氮以挥发分形式析出。浙江大学研究表明，850℃时，70%的NO来自焦炭燃烧；1150℃时，这一比例降至50%。由于多相反应的限速机理，在高温时可能向扩散控制方向转变，故温度超过900℃以后，燃料氮转化率只有少量升高。

  快速型NOX主要是指燃料中的碳氢化合物在燃料浓度较高区域燃烧时所产生的烃与燃烧空气中的N2分子发生反应形成的CN、HCN，继续氧化而生成氮氧化物。因此，快速型氮氧化物主要产生于碳氢化合物含量较高、氧浓度较低的富燃料区。快速温度型NOX是空气中的氮分子在着火初始阶段，与燃料燃烧的中间产物烃（CHi）等发生撞击，生成中间产物HCN和CN等，在经氧化最后生成NOX。其转化率取决于过程中空气过剩条件和温度水平。

  对挥发份析出时刻进行气氛的有效控制，可以有效抑制NOX的生成，这一结论从微观角度验证了空气分级技术对NOX深层控制的可行性。

  煤是一种含有大量C，H，O和少量S，N等有机物和部分无机物的沉积岩。煤里面的N原子一般是以链状或者环状两种形态存在于物质当中，经研究之后发现，如果N以环状形态存在于物质中，通过燃烧正常情况下不会转化成为氮氧化物，所以对环境的污染相对较少，但是如果以链状的形态存在于物质中，经过剧烈的燃烧化学反应多数被氧化成氮氧化物，造成大气污染。然而煤中的N元素的主要存在形式为链状，所以煤燃烧过程就伴随大量的氮氧化物的产生。