煤粉炉燃烧控制NOx的应用研究.pdf

字“第4卷第6期
锅炉技术
2013年11月
BOILER TECHNOLOGY
Nov,,2013
燃料与燃烧
煤粉炉燃烧控铏NO的应用研究
杨根盛,李忠,杨定华2,张大龙2
(].神华集团公同,北京100011;2.清华大学热能工程系,北京10008
摘要:燃煤电站是我国NO2的排放源之一,其减排通过SCR将消耗大量的尿素,因此从源头控制结合
SCR是更加经济环保的措施。通过燃煤NO2的生成过程和机理分析,比较了热力型NO-和燃料型NO-的生
成特点,指出燃料型NO是重点的减排对象。燃料型NO-可以通过燃烧组织进行破坏,这是燃烧控制NO
生成的基础。进而对目前几种典型的低氮燃烧技术进行了分析,比较了各种技术路线的特点,并分析了潜在
的风险,为新建燃煤机组的NO2控制提供参考。
关键词:煤粉锅炉;燃烧技术;NO控制
中图分类号:TK229.6
文献标识码:B
文章编号:1672-4763(2013)06-0029-06
0前言
的氮元素是生成氮氧化物的2个来源。氮氧化
物主要由NO构成,其份额约占NO2排放总量的
NO,污染已成为一个不可回避的环境问题,90%以上。根据生成方式一般将煤粉燃烧生
燃煤电站作为NO-的主要来源之一,越来越多的成的NO-分为热力型NO和燃料型NO-。除
受到人们的关注。我国更新版的GB13223一W火焰型锅炉外,煤粉燃烧时空气中的N2只有
20114火电厂大气污染物排放标准》规定,现有煤少量转化为NO,,大部分N2随着烟气无害排放
粉锅炉NO。排放应低于100mg/Nm(折合6%燃料中的氮主要以N一C键形式存在,N一C键
O2),该指标达到了国际领先水平。
的键能比燃烧空气中N2的N=N键的键能小很
2011年火电发电量3.8975×102kW?h,标多,因此燃料氮更容易被氧化为NO。煤粉燃烧
煤耗330ge/(kWh),据此测算,2015年的火力时生成的NO,大部分是由燃料N转变来的,
发电不加控制的NO年排放量为1.18×10t。般煤粉燃烧情况下,燃料型NO。常占80%
若将排放下降80%,采用SCR年氮氨摩尔比按190%,其余为高温型NO。燃料型NO》是燃煤
考虑,则需尿素5.74×10t/年,占目前我国尿素锅炉氮氧化物的重点减排对象。
产量的20%。而尿素生产也会有一定量的污染
煤在燃烧过程中首先要经过热解反应,脱除
物排放,因此只采用SCR降低NO,在经济上和挥发分,然后剩余的焦炭再进行燃烧。在燃烧初
环保上还是值得商榷的。更为合理的方式是燃期,煤中的N一部分随着挥发分一起析出,称为
烧采取一定的措施,降低NO。原始排放量,再加挥发分N,并且随着热解温度和加热速率的增加
上氧气净化SCR,以降低脱硝成本。因此低氮燃而增加;剩余部分的燃料氮则残留在焦炭中,称
烧技术应作为燃煤电厂氮氧化物控制的首选技为焦炭N。燃料N转化为挥发分N和焦炭N的
术。本文从NO2的生成机理出发,分析了几种典比例与煤种、热解温度及加热速率等有关。对于
型的低氮燃烧技术方案,为进一步完善和开发新高挥发分煤种,热解温度和加热速率提高时,挥
型的煤粉炉低氮燃烧技术提供参考
发分N产率增加,而焦炭N相应地减少。
氮氧化物的生成与破坏过程
挥发分N中最主要的氮化合物是HCN和
其所占比例不仅取决于煤种及其挥发分的
在煤的燃烧过程中,空气中的氮气和燃料中性质,而且还与温度等有关。对烟煤来说,HCN
收稱日期:2013-04-10
基金项目:国家“863”项目(2013AA051202)
作者简介:杨根盛(1965-),男,高級工程师,主要从事能源管理的工作。
锅炉技术
第4卷
在挥发分中的比例比NH2大;劣质煤的挥发分N40%。焦炭N的转化与氮在焦炭中N-C、N
中则以NH3为主;无烟煤的挥发分N中HCN和H之间的结合状态有关,在氧化气氛中,过量空
NH3相当。挥发分中HCN和NH2的产率随温气系数增加时,挥发分N生成的NO迅速增加,
度的增加而增加,但在温度超过1100℃时,NH3明显超过焦炭N生成的NO2。
的含量达到饱和。随着温度的上升,燃料N转化
挥发分N在燃烧初期即可与O2发生反应生
为HCN的比例大于转化成NH3的比例。
成NOn,而焦炭氮与氧气反应生成NO2的反应
挥发分N中HCN氧化的主要反应途径如活化能比焦炭本身的燃烧反应所需的活化能还
图1所示,首先转化为NCO,之后可能有2种反要高,因此焦炭氮生成的NO主要发生在焦炭的
应途径,这取决于NCO生成后所遇到的反应条燃烧后期。燃烧初期形成的NO,可以在燃烧后
件。在氧化性气氛中,NCO会进一步氧化成期被还原为N2,其中NO与半焦的反应生成N2
NO;若遇到还原性气氛,则NCO会反应生成和CO或CO2是NO被还原的主要因素。半焦
NH。生成的NH在氧化气氛中会进一步被氧化与NO的反应主要取决于实际的活性面积,但是
成NO,成为NO的生成源;同时NH在还原气氛由于前驱体不同,以及半焦中所含杂质的因素,
中又能与巴经生成的NO进行氧化、还原反应,造成了半焦在表面积和孔结构上存在较大的差
使NO被还原成N2,成为NO的还原剂
异。 Thomas等人通过研究发现3?,在半焦与
NO的反应中,半焦不仅直接作为还原剂,而且还
H
NCO
是催化剂或者催化剂的载体,而煤灰中的大多数
成分具有催化作用
由HCN和NH3的演化途径可知,生成的
HCN
NO
NH
NO,遇到还原性气氛时,会还原成氮分子,因此
最初生成的NO2的浓度并不等于其排放的浓度,
挥发分N
NH2
可以通过燃烧条件的改变把已经生成的NO2还
N
原成N2。NO的破坏途径见图3所示,可见有3
条可能的破坏或还原NO的途径。在还原气氛
燃料N
中NO通过烃类(CH:)或碳被还原,见途径(a)。
图1HCN被氧化的主要反应途径
当NO在还原气氛中週到烃(CHI1)时,会生成
HCN,然后HCN与O、OH和H会发生反应,生
挥发分N中的NH3氧化的主要反应途径见成中间产物NCO等。在还原气氛中,NCO会生
图2,NH:在不同条件下,可能作为NO的生成成NH。此时生成的NH,在还原性气氛中如遇
源,也可能成为NO的还原剂。在通常燃烧温度到NO则会将NCO还原为N2。在燃煤火焰中
下,煤的然料型NO。主要来自挥发分N。煤粉燃当NO遇到碳时,则有可能被还原成N2和CO、
烧由挥发分N生成的NO:占燃料型NO)的CO2气体。根据这个原理,可将含烃燃料或高挥
60%~80%,由焦炭N所生成的NO占20%~发酚含量的煤粉喷入含有NO的燃烧产物中,即
02.0H.0
CH: C
燃料N
NH
(a)
0.0H
NCO
NO
挥发分N
zzz
OOH
9
乙
H
NO
HOOH
NH3
NO
图2NH3被氧化的主要反应途径
阿3NO2破坏的反应途径