第二章 清洁燃料技术

第二章清洁燃料技术，课后习题答案
1.列举燃料完全燃烧的需要的条件，解释3T的含义？
答: ①空气条件,通入空气的量要适宜，保证燃料能够充分的燃烧；②温度条件，温度要适合燃料的充分燃烧;③时间条件以及燃料和空气的混合条件,燃烧时间必须充分，燃料要充分混合。

“3T”是指温度（Temperature）、时间（Time）和湍流（Turbulence）。

2.烟气中硫氧化物主要以哪种形式存在？
答: 烟气中，硫主要以SO2,SO3,的形式存在，氮主要以NO NO2的形式存在
3.有效降低氮氧化物产生的途径是什么？
答: 【关键词】氮氧化物;低NOx燃烧技术;机理
氮氧化物是造成大气污染的主要污染源之一。

通常所说的氮氧化物NOx有多种不同形式：N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和 N2O5，其中NO和NO2是主要的大气污染物。

我国氮氧化物的排放量中70％来自于煤炭的直接燃烧。

研究表明，氮氧化物的生成途径[2]有三种：（1）热力型NOx，指空气中的氮气在高温下氧化而生成NOx；（2）快速型NOx，指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成NOx；（3）燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成NOx；在这三种形式中，快速型NOx所占比例不到5％；在温度低于1300℃时，几乎没有热力型NOx。

对常规燃煤锅炉而言，NOx主要通过燃料型生成途径而产生。

控制NOx排放的技术指标可分为一次措施和二次措施两类，一次措施是通过各种技术手段降低燃烧过程中的NOx 生成量；二次措施是将已经生成的NOx通过技术手段从烟气中脱除。

１．热力型
热力NOx的生成和温度关系很大，在温度足够高时，热力型NOx的生成量可占到NOx总量的30% ，随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。

当T<1300℃时NOx的生成量不大，而当T>1300℃时T每增加100℃，反应速率增大6∼7倍。

热力型NOx的生成是一种缓慢的反应过程，是由燃烧空气中的N2与反应物如O 和OH以及分子O2反应而成的。

所以，降低热力型NOx的生成主要措施如下：
①降低燃烧温度，避免局部高温。

②降低氧气浓度。

③缩短在高温区内的停留时间。

2.快速型
快速型NOx是在碳氢化合物燃料在燃料过浓时燃烧，燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成。

快速NOx在燃烧过程中的生成量很小，影响快速NOx生成的主要因素有空气过量条件和燃烧温度。

3.燃料型
燃料型NOx是由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成，由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600∼800℃时就会生成燃料型NOx，它在煤粉燃烧NOx 产物中占60∼80%。

由于煤的燃烧过程由挥发分燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型NOx的形成也由气相氮的氧化（挥发分）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）两部分组成，其中挥发分NOx占燃料型NOx大部分。

影响燃料型NOx生成的因素有燃料的含氮量、燃料的挥发分含量、燃烧过程温度、
着火阶段氧浓度等。

燃料的挥发分增加NOx转换量就增大，挥发分NOx转化率随氧浓度的平方增加。

火焰温度越高NOx转换量就越大。

根据其影响因素，控制燃料NOx生成的途径主要是：
①含N量低的燃料。

②过浓燃料。

③燃料与空气的混合。

通过以上的机理可知，在日常生活中燃料（煤）燃烧是氮氧化物产生的主要方式，因此要降低NOx排放就要从控制燃烧型NOx方面入手。

目前，氮氧化物控制技术可分为两大类，一类是燃烧中控制技术；另一类是燃烧后控制技术。

其中燃烧中控制技术是根据氮氧化物的形成机理而开发的，主要有低氧燃烧法，分级燃烧法，烟气再循环法，低NOx燃烧器法等；燃烧后控制技术可分为干法，湿法和干一湿结合法三大类。

下面分别简要介绍燃烧中低NOx燃烧技术。

低NOx燃烧技术主要有：分级燃烧、燃料再燃、低过剩空气燃烧和烟气再循环等几种方式。

3.1空气分级燃烧
空气分级燃烧的基本原理为[3]：将燃烧所需的空气量分成两级送入，使第一级燃烧区内过量空气系数在0.8左右，燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，因而抑制了热力型NOx的生成。

同时，燃烧生成的CO与NO 进行还原反应，以及燃料N分解成中间产物(如NH、CN、HCN和NH3等)相互作用或与NO还原分解，抑制了燃料型NOx的生成。

在二级燃烧区内，将燃烧用的空气的剩余部分以二次空气输入，成为富氧燃烧区。

此时空气量虽多，一些中间产物被氧化生成NO，但因火焰温度低，生成量不大，因而总的NOx生成量是降低的，最终空气分级燃烧可使NOx生成量降低30％∼40%。

当采用空气分级燃烧后，火焰温度峰值明显比不采用空气分级燃烧时降低，故热力型NOx降低。

分级燃烧可以分成两类：一类是燃烧室（炉内）中的分级燃烧；另一类是单个燃烧器的分级燃烧。

燃烧室中的分级燃烧方法是，通常在主燃烧器上部装设空气喷口，形成所谓的火上风（over fire air，也称为燃尽风）。

[4.5]
3.2燃料分级燃烧
在主燃烧器形成的初始燃烧区的上方喷入二次燃料，形成富燃料燃烧的再燃区，NOx进入本区将被还原成N2。

为了保证再燃区不完全燃烧产物的燃尽，在再燃区的上面还需布置燃尽风喷口。

改变再燃烧区的燃料与空气之比是控制NOx排放量的关键因素。

存在问题是为了减少不完全燃烧损失，需加空气对再燃区烟气进行三级燃烧，配风系统比较复杂。

3.3烟气再循环
除了空气和燃料分级降低NOx的排放量之外，目前使用较多的还有烟气再循环法。

它是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉内，或者是与一次风或二次风混合后送入炉内，这样不但可以降低燃烧温度，而且也降低了氧气浓度，因而可以降低NOx的排放浓度。

烟气再循环技术，其核心在于利用烟气所具有的低氧以及温度较低的特点，将部分烟气再循环喷人炉膛合适的位置，降低局部温度及形成局部还原性气氛，从而抑制NOx的生成。

烟气再循环技术在很多情况下是被用来防止锅炉运行中的结焦问题。

对于燃烧无烟煤等难燃煤种以及煤质不是很稳定的电站锅炉，则不宜采用烟气再循环技术。

其原理为从空气预热器前抽取温度较低的烟气，通过再循环风
机将抽取的烟气送入空气烟气混合器，和空气混合后一起送去炉内。

4.已知煤中C,O,S,灰分，水分的含量分别是6
5.7%,2.3%,1.7%,21.3%,9.0%.试计算1kg煤燃烧所需的理论空气量及空气过剩系数为 1.2条件下的实际空气量？
答: 1kg煤中含C元素657g，S元素17g，O元素23g，灰分213g，水分90g
C元素燃烧耗氧量：
C~O2 12g~32g ∴657gC元素耗氧量=1752g
S元素燃烧耗氧量：
S~O2 32g~32g ∴17gC元素耗氧量=17g
O元素、灰分、水分燃烧不耗氧
∴总耗氧量=1752+17=1769g
空气中氧气质量分数约为23.2%
∴理论空气量=1769g/23.2%=7625g，实际空气量=理论空气量×空气过剩系数。

所以，实际空气量=1.2×7625g=9150g。