循环流化床氮氧化物的产生与控制

循环流化床的燃烧调整对NOx排放的影响

摘要：大气污染日益引起社会的重视，锅炉作为大气污染物排放的重要来源，对

排放的影响至关重要，随着国家大气排放新标准的下发，对锅炉的排放进一步的严格要求，本文就对循环流化床锅炉在氮氧化物生成及控制的机理进行讨论，作为以后工作中操作的理论基础。

循环流化床燃料煤燃烧过程中产生的氮氧化物NOx主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2),此外还有氧化二氮(N2O)。在生成的氮氧化物中,NO占90%以上,NO2占5%~10%,而 N2O只占1%左右。其中N),可分为三种:

(1)热力型(又称温度型)NOx,它是由空气中的氮气在高温下氧化而生成的。 (2)燃料型NOx它是由燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而接着氧化反应生成

(3)快速型NOx,它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团反应生成的。 N2O和燃料型NO2一样,也是从燃料的氮化合物转化生成的,它的生成过程和燃料型NO的生成和破坏密切相关。

由于循环流化床的运行温度范围850Co-----950Co而温度低于1350C0几乎没有热力型的NOx产生；快速型NOx受温度的影响不大。一般情况下,对不含氮的碳氢燃料在较低温度燃烧时,才重点考虑快速型NO,在流化床燃烧条件下,一般不考虑快速型快速型NOx受温度的影响不大。一般情况下,对不含氮的碳氢燃料在较低温度燃烧时,才重点考虑快速型NO,因此这里不对温度型和快速型氮氧化物进行讨论。

一、NOx的生成机制 1.燃料型NOx的生成机理

煤中氮的化合物在燃烧过程中发生热分解,氧化而生成的NOx称为燃料型NOx。燃料型NOx是循环流化床中生成NO2的主要部分,其含量常超过95%。煤炭中的氮含量一般在0.5%~2.5%左右,它们以氮原子的状态与各种碳氢化合物结合成氮的环状化合物或链状化 合物,煤中氮与上述化合物的C—N结合键能较小,在燃烧时日很容易分解出来。因此,从氮 氧化物生成的角度看,氧更容易首先破坏C—N键而与氮原子生成NOx。

由于燃料型NOx的生成和破坏过程不仅和煤种特性、煤的结构、燃料中的氮受热分解后在挥发分和焦炭中的比例、成分和分布有关,而且大量的反应过程还和燃烧条件如温度和氧及各种成分的浓度等密切相关。燃料型NOx的生成机理如下:

(1)在一般燃烧条件下,燃料中氮的有机化合物首先被热分解成氰(FCN)、(NH3)和CN等中间产物,它们随挥发分一起从燃料中析出,称之为挥发分N。挥发分N析出后仍残留在焦炭中的氮化合物,称之为焦炭N。如果煤中的挥发分增加、热解温度和热解速度提高,且煤颗粒减小时,那么挥发分N增加,而焦炭N相应减少。

(2)挥发分N中最主要的氮化合物是HICN和NH3。HICN和NHl3在挥发分N中所占的比例不仅取决于煤种及其挥发分的性质,而且与氮和煤的碳氢化台物的结合状态以及烧条件等有关。

(3)挥发分N中的HCN会氧化成NCO。其中:在氧化性气氛中,NOC直接氧化成NO,而在还原性气氛中,NCO生成NH、NH在还原性氛中生成N2,在氧化性气氛中生成NO。

(4)挥发分中NH3与OH、O或H反应生成NH2,NH2进一步反应生成NH,NH氧化生成NO);NH2还可能还原NO生成N2。

(5)在通常的煤燃烧温度下,燃料型NOx主要来自挥发分N。煤粉燃烧时由挥发分生 成的NOx,占燃料型NO的60%~80%,由焦炭N所生成的NOx占到20%~40%,焦炭N的析出情况比较复杂,这与氮在焦炭中N-C、N-H之间的结合状态有关。研究表明,在氧化性气氛中,随着过量空气的增加,挥发分NOx迅速增加,明显超过焦炭NOx，而焦炭N的增加则较少。

(6)NOx的还原。NOx当遇到还原性气氛(富燃料燃烧或缺氧状态)时,会还原成氮分子,这样使最初生成的NOx的浓度发生变化,所以,煤燃烧设备烟气中NO,的排放浓度最终取决于NO的生成反应和NO的还原或破坏反应的综合结果。

(7)煤燃烧时,燃料N只有一部分最终生成NO,其余的燃料N常以NH3的形式分解出来,再转化为N2。燃料氮转化为NO的转化率与煤种特性和炉內燃烧条件有关,一般煤中固定碳的含量相对于挥发分的含量越高,过量空气系数越低,转化率越低。

2.N2O的生成机理

常规燃煤设备中N2O的排放值很低,但随着流化床技术的发展,人们发现流化床锅炉

所排放的N2O浓度比其他燃烧方式排放的N2O大得多,因而N2O的排放问题逐渐受到人们的重视。N2O是一种燃料型氮氧化物,其生成机理和燃料型NO很相似,也是在挥发分析出和燃烧期间,挥发分N首先析出并生成挥发分NO,然后NO再和挥发分N中的HCN,NCO、NH;发生反应生成N2O。因此,NO的存在是生成挥发分N2O的必要条件。同时焦炭N也会在一定条件下通过多相反应生成N2O。

影响N2O生成的因素很多,其中主要有:床温、过量空气系数、停留时于间、煤等。研究表明,N2O达到最大浓度的温度范围在800~900C之间,当温度进一步增加时,N2O的浓度很快下降。当过量空气系数增加时,火焰中的氧浓度增加,氧原子浓度也增加,因而生成的NCO的浓度增加,致使生成的N2O的浓度升高;停留时间对N2O生成量有较大影响,一般在800~850C的温度范围内,停留时间越长,NO的浓度越高。随着温度的提高,停留时间对N2O浓度的影响越来越小,当温度超过1000C以后,停留时间对N2O的浓度几乎不再有影响。煤种对N2O生成量也有很大影响,随着燃料比(固定碳含量与挥发分的比值)的增加,N2O生成量增加，因为碳粒子数增加，加强了NOx转化为N2O的催化作用。

二、影响氮氧化物排放的主要因素 1、过量控制系数的影响

如下图所示,过量空气系数降低时,NOx和N2O排放都下降。另一方面,过量空气系数很大时,对NO和N2O排放的影响大大减弱,因为过量空气系数很小或很大时,CO浓度都升高,这对NOx和N2O的还原和分解都有利。在O2浓度小于1.5%或CO浓度≈1%的区域在900C或更高温度下,N2O的分解只需100ms时间。低氧燃烧可减少50%~75%氮氧化物排放。但机理性试验表明,即使燃烧区氧分压小于1Pa,也不能完全消除氮氧化物。

总的空气过量系数对NOx和N2O排放的影响

2.分级燃烧时

为了降低氮氧化合物的排放而采用分级燃烧时,是依据了控制氮氧化物生成的机理。以二次风送入点为界限,使上部形成富氧区,下部形成富燃料区(贫氧区),这样在还原性气氛中可抑制氮氧化物的生成。测试结果表明:当过量空气系数一定时,二次风率增大,一次风率相应减小,NOx生成量也随之下降,并在某一分配下达到最低点。值得注意的是,实施分段燃烧时SO2和CO排放也将不同程度地下降,因此这是一种安全可行的清洁燃烧运行方式

3、床温的影响

运行床温提高时,NOx排放升高,而N2O排放将下降。这意味着,通过降低床温来控 制NOx排放会导致N2O的排放上升。另一方面,运行床温的控制还受负荷及燃烧效率的制 约,床温过低则CO浓度很高,这尽管有利于NOx的还原,却带来了化学不完全燃烧损失。 N2O随温度上升而减少的原因一般归结为N2O的热分解,即

N2O—N2+O

该反应对温度十分敏感。在高温下,这一反应将是十分迅速的。有资料表明,在最佳脱硫温 度850C左右时,燃料氮向N2O的转化率最高,此时N2O排放可达200~250ppm,而床温进一步增高时,从焦炭和原煤燃烧中产生的N2O都将大大减少。

4、循环倍率的影响

提高循环倍率对脱硫是很有益的,对降低NO2排放也有帮助,因为提高循环倍率可以增加悬浮段的焦炭浓度,从而加强了NO与焦炭的反应,反应式为

2C+NO—N2+2CO C+2NC—N2O+CO

在这两个反应的作用下,NOx排放将降低,而N2O排放升高。但总的来看N2O的升高还是有限的,而且在很高的循环倍率对NO-和N2O排放的影响环倍率下,N2O升高的势头将会大大减弱甚至消失,如图6-11所示

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