文档介绍：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.
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1 火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度
时段
第1 时段
第2 时段
第3 时段
燃煤锅炉
Vdaf<10%
1500
1300
1100
10%≤Vdaf ≤20%
1100
650
650
Vdaf >20%
450
燃油锅炉
650
400
200
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(20~50)%;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(~)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。
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NOx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6~7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。
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75~90%。
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10~15%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,与NH3均较少;煤中燃料N以芳香环结合时,为主,燃料N以胺的形式存在时,NH3是主要的热解初始产物;及NH3产率随温度增高而增加,但温度超过1000~1100℃时,NH3含量达到饱和;随温度上升,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,及NH3以不同的反应途径生成NO,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