循环流化床锅炉氮氧化物生成与控制分析

循环流化床锅炉氮氧化物生成与控制分析

殷立宝 ，张月 ，李加护

（华北电力大学动力系，河北 保定071003）

摘要: 本文从循环流化床锅炉中燃料燃烧过程的基本特性出发，阐述了氮氧化物的生成机理，据此分析了影响NOx和N2O排放浓度的因素，并探讨了控制NOx和N2O排

放量的措施。

关键词：循环流化床；锅炉，氮氧化物，排放，控制

中途分类号：TK229.66

前言

能源与环境是当今社会发展的两大问题，如何文明用能、合理用能已经成为人们越来越关注的话题。在能源的利用中，矿物燃料的燃烧要排放出大量污染物。例如，我国每年排入大气中的87%的SO2、68%的NOx和60%的粉尘均来自于煤的直接燃烧，因此，文明用能、合理用能，发展高效、低污染的清洁煤燃烧技术，降低NOx

和SO2的排放量是当前亟待解决的问题。 循环流化床锅炉是最近二十年里发展起来的一种新型燃烧技术，它的主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环、反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈。它不但能达到90%的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点。本文对循环流化床锅炉中的NOx

生成机制进行深入研究，分析影响NOx浓度的因素，探讨控制NOx排放量的措施，为

循环流化床锅炉的设计、运行提供参考。

1 NOx的生成机制

煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），这两者统称为NOx，此外还有少量的氧化二氮（N2O）产生。和SO2的生成机理不同，在煤燃烧过程中氮氧化物的生成量和排放量与煤燃烧方式、特别是燃烧温度和过量空气

系数等燃烧条件关系密切。

在煤燃烧过程中，生成的NOx途径有三个：

（1）热力型NOx（Thermal NOx），它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的。 （2）燃料型NOx（Fuel NOx），它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解

而又接着氧化而生成的NOx。 （3）快速型NOx（Prompt NOx），它是燃烧时空气中的氮和燃料中的炭氢离子团如CH等反应生成的NOx。其中燃料型NOx是最主要的，它占总生成量的60%~80%以上，热力型NOx的生成和燃烧温度的关系很大，在温度足够高时，热力型NOx的生成量可占到总量的20%；快速型NOx在煤燃烧过程中的生成量很小。另外，N2O和NOx燃料型一样，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NOx的生成和破

坏密切相关。

2 影响因素分析

在循环流化床锅炉中，一方面，氮在燃烧过程中被不断氧化生成NOx，另一方面在还原性气氛中NOx也会被不断还原生成N2，因此，影响氧化、还原反应的所有因

素都将影响到NOx的浓度。

2．1燃料特性的影响

由于NOx主要来自于燃料中的氮，因此，从总体上看，燃料氮含量越高，则NOx

的排放量也越高；同时，燃料中氮的存在形态不同，NOx的排放量也不一样，以胺的

形态存在于煤中的燃料氮在燃烧过程中主要生成NO，而以芳香环形式存在的燃料氮在挥发分燃烧过程中主要生成N2O。一般来说，褐煤、页岩等劣质燃料中燃料氮的主要存在形态是胺，故NOx 排放量较多，N2O很少；相反，烟煤、无烟煤中燃料氮的

主要存在形态是芳香环，故NOx 排放量较少，而N2O很高。 煤，尤其是其挥发分中的各种元素比也会影响到NOx的排放量。显然，O/N比越大，NOx排放量较高。H/C比越高，则NO越难于被还原，故NOx排放量也越高。另外，S/N比会影响到各自的排放水平，因为S和N氧化时会相互竞争，故SO2排放量越高，

NOx排放量越低。

2．2 过量空气系数的影响

当风不分级时，降低过量空气系数，在一定程度上可限制反应区内的氧浓度，因而，对热力型NOx和燃料型NOx的生成都有一定的控制作用，采用这种方法可使NOx

排放量降低15%~20%，但是CO浓度会增加，燃烧效率会下降。 当风分级时，可有效地降低NOx的排放量。一般情况下，二次风从床上一定距离送入较好，如果过低则对NOx的排放量影响甚小。随着一次风量的减少、二次风量的增加，N被氧化的速度下降，NOx排放量也随之下降，并在某一风量分配下达到最

小值。

2．3 燃烧温度的影响

燃烧温度对NOx的排放量的影响已取得共识，即随着炉内燃烧温度的提高，NOx

的排放量将升高，因此，可以通过降低床温来控制NOx的排放量。但是，床温的降低会带来两个不利的后果，一个是CO炉内浓度将增加，不完全燃烧热损失增大，从而使得燃烧效率下降；另一个是不利于N2O分解，从而使得N2O的排放浓度增加。

2．4 脱硫剂的影响

在循环流化床锅炉中，加入的脱硫剂为石灰石，其直接目的是降低SO2的排放量，同时对NOx的排放量也会产生明显的影响，使NO上升。脱硫剂的影响主要体现在两个方面，一个是富余CaO作为强催化剂会强化燃料氮的氧化速度，使NO的生成速度增加；另一个是富余的CaO和CaS作为催化剂会强化CO还原NO的反应过程。一般情况下，CaO对燃料氮氧化物生成NO的贡献大与其对还原性气体还原NO的贡献，从而使得NOx排放量增加。当然，富余CaO和CaS的催化作用还与石灰石的品种、

粒径大小等因素有关，需作进一步的研究。

2．5 床内含炭量对降低NOx排放量的影响

在锅炉高负荷和高床料含碳量的情况下，由于下列反应：

NOx的排放量大为降低。

3 控制NOx的措施

目前，随着环保排放标准的日趋严格，降低各种污染气体的排放量已显得更为紧迫。针对影响NOx生成的因素，在循环流化床锅炉中可采取以下措施控制NOx的排

放量。

3．1 选择合适的床温

降低床温不仅可有效地降低NOx的排放水平，而且有利于脱硫，但不利的影响是会使N2O排放量上升，而且CO浓度增加，燃烧效率会下降。综合考虑各方面的影响，

循环流化床床温以控制在850~900℃较为适宜。

3．2 选择性还原

在悬浮段或分离器区域注入液胺或者尿素等可有效地还原NOx气体、降低其排放

量。例如，对于NH3，其还原反应为 此项措施的限制条件是还原反应温度，一般地，注胺时反应温度约为810℃，尿

素时为890℃，且当地氧浓度不宜过高。

3．3 天然气再燃技术

在密相区域注入天然气可使NOx失氧还原为Ｎ2，同时产生CO。为了提高燃烧效率，可在天然气注入口上方再注入补燃空气，这样既可以控制NOx的排放水平，又

可以保证较高的燃烧效率。

3．4 改变锅炉的结构形式

多粒子流化床锅炉是将循环流化床与鼓泡床结合起来的新型流化床，其设计是主燃烧室以较大的流化速度运行。出主燃烧室的颗粒进入以鼓泡床运行的副燃烧室。其优点是降低运行温度和过量氧率，并使每MJ燃料的NOx和N2O排放降至10mg以下。Wojtowicz（1994）提出了燃烧过程中低NOx，高N2O和尾部控制N2O的锅炉形式方案。在燃烧室前部为矮的、稀相段形式的鼓泡床，燃料在此加入但不添加石灰石，形成富燃料区。后室通过溢流堰与前室隔开，注入二次风和焦炭而形成富氧区。在后室的上部加入石灰石和形成旋流的切向三次风。该种形式流化床的特点是石灰石仅在富氧的后室中加入，N2O在二次燃烧和催化作用下分解而实现对N2O排放的控制。该形式锅炉运行的困难在于要求有丰富的操作经验和很高的运行水平，能够均匀加煤、

合理地调节各次风量等。

3．5 分段燃烧 3．5．1 二段燃烧

二段燃烧是流化床燃烧中最常采用的方法，它实际上是通过降低密相床中O2的浓度来降低氮氧化合物的排放，但O2降低量太多会降低脱硫和燃烧效率。

Shimizu(1991)研究发现二段燃烧中一次风率在0.9~1.0时对氮氧化合物排放的影响最大，对挥发分含量高、中、低的三中煤的燃烧试验发现一次风率提高，NOx和N2O的排放量均增大；分段燃烧时SO2和CO的排放也有不同程度的下降，因此它是一种安全可行的燃烧方式。

3．5．1．1 三段燃烧

平间利昌等（1997）提出了改进的三段燃烧法。试验在实验室规模的鼓泡流化床燃烧台上进行，研究发现两个主要的因素决定了对氮氧化合物的影响，即稀相段温度和一次风量与总风量以及二次风与二次燃料的当量比（试验用气体为丙烷）。当鼓泡床上部温度保持在1120K，风量比分别为0.8和0.7左右时，与单级燃烧相

比较，N2O和NOx分别降低至1/10和2/5。

3．5．1．2 反分级燃烧

Lyngfell（1995）提出了反分级燃烧的概念。反分级燃烧采取一次风量达80%，无二次风，其余20%的风量在旋风分离器后加入。试验在12MW的循环流化床试验台上进行，发现O2在燃烧段的上部降低而下部提高，N2O和NO的排放量分别为40×10-6 kg/m3和53.6×10-6 kg/m3。这种燃烧方式对脱硫没有任何影响。但燃烧效率却降低了2%，另外燃烧段上部的过低氧量对炉体的影响还有待于研究。

流化床分级燃烧的许多技术可借鉴煤分炉分级燃烧中许多成熟的技术，寻找在流化床燃烧特殊环境下的特征，是降低氮氧化合物排放和提高燃烧效率的有效手段。

4 降低N2O排放量的技术措施

4．1二次燃烧法

目前，比较有希望的N2O排放控制方法是所谓“二次燃料注射法”，即“再燃烧法（reburning ）”或“二次燃烧法（afterburning）”。该方法是在旋风分离器的入口或出口处装设若干喷嘴，向内喷射可燃物质，利用其燃烧时产生的高温（950~1000℃），通过N2O与H、OH自由基的反应或N2O与气体分子的反应，来实现N2O分解，从而降低N2O排放量。在该方法中，燃料燃烧温度和烟气在高温区的停留时间是两个重要的运行参数。实验室研究证明，用CH4和C3H8作二次燃料，可使N2O的排放量接近于零。在一台12MW循环流化床上，用液化石油气作为二次燃料进行试验，结果表明：在低过量空气条件下（<3.5%O2），N2O减少量也达60%。同时，流化

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