3.新燃烧原理第三次上课内容---精简版

合，使燃料完全燃烧。
“燃尽风”喷口的位置决定了煤粉气流 在主燃烧区内的停留时间，它和过量空
气系数一起，共同决定了主燃烧区内NOx
降低的程度，也直接关系到其在燃尽区 的燃尽效果和炉膛出口烟气温度水平。
沿炉膛高度空气分级燃烧
1.2 燃料分级燃烧
★ 燃料分级燃烧也称燃料再燃技术。
★ 已生成的NO在遇到烃根和未完全燃烧产物和时，会发生 NO的还原反应。总反应式为：
氰 (HCN, CN)
Zeldovich机理 氰氧化物 (OCN, HNCO) 氨类(NH3, N2O NOx H
NOx
还原气氛 氧化气氛
NH2，NH，N)
N2
★ NO 的生成及破坏与以下因素有关：
煤种特性：煤的含氮量，挥发份含量，空气比等。 炉膛燃烧温度或燃烧区域的温度峰值。 反应区烟气的气氛，即烟气内氧气，氮气，NO和 CHi的含量。 燃料及燃烧产物在火焰高温区和炉膛内的停留时间。
1.6 低NOx 燃烧器
1.7 低NOx 燃烧技术比较
低NO燃烧技术的定义
凡通过改变燃烧条件来控制燃烧过程 关键参数，以抑制NOx生成或破坏已生 成的NOx使之还原为N2达到减少排放的 技术称为低NOx燃烧技术。
1.1 空气分级燃烧
★ 将燃料燃烧所需的空气量分两级送入； ★ 第一级燃烧区内过剩空气系数0.7- 0.8，燃料先在缺氧 的富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和燃烧温度降低， 从而抑制了热力型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（NH、CN、HCN和NH3等）相互作用 与NO还原分解，抑制了燃料型NOx的生成：
低NOx燃烧技术的原理
燃料型NOx的生成特性，不仅受反应区附近局部空气比和温度的影响，
同时还明显受到燃料的氧化过程、自由基(O、OH、H)浓度、等局部燃 烧条件的影响。 也就是说，与化学反应的影响相比，实际燃烧炉中燃料型NOx的生成， 更主要地是被燃料和空气的混合过程所控制 。 因此，为了抑制燃料型NOx的生成，设计竞争反应中的还原反应，显著 优先于氧化反应进行的气氛是非常重要的。 即在考虑了和氧化区域相平衡，而且不损失总的燃烧效率的前提下，把
采用催化剂促进NH3与NOx的反应，就称为选择性催化剂法。反应温
度为300～400℃左右；而采用活性焦炭做催化剂时，反应温度应选为 100～150℃。一般能够达到80％～90％的脱硝率，能够满足较为严格的 排放标准，目前正得到广泛地的应用。
1. 低NOx 燃烧技术
1.1 空气分级燃烧 1.2 燃料分级燃烧 1.3 烟气再循环 1.4 低过剩空气燃烧 1.5 浓淡偏差燃烧
降低NOx排放的主要技术措施
1. 低NOx燃烧技术：低过量空气燃烧法，空气分 级燃烧法（OFA），燃料分级燃烧法，烟气再循 环法。 2. 炉膛喷射脱硝：喷氨及尿素，喷水蒸汽，喷入 二次燃料。 3. 烟气脱硝：
干法脱硝。(SCR, SNCR, 电子束照射烟气脱硝) 湿法脱硝。
NOx的主要控制技术
1800 K以上的高温区产生。
★ 快速型NOx （Prompt NOx）：在碳氢化合物燃料的过 浓预混燃烧火焰中，有虽然是源于空气中的N2，但又是以 不同于燃料型NOx的生成机理，而快速生成的NOx。
★ 燃料型NOx （Fuel NOx）：由燃料中的氮形成的NOx。
三种NOx 在煤燃烧中对NOx的总贡献
但N2O的影响日益显现 NOx的生成根据N成分的来源（空气中N2、燃 料中N成分）及其生成途经的不同，其生成机理、 抑制机理也不同。
3.1 NOx 的生成类型
★ 热力型NOx （Thermal NOx，Zeldovovich NOx）：起
源于空气中的N2，在高温下氧化生成的NOx。通常是在
★ 在第二级燃烧区内，将完全燃烧所需的其余空气通过布 置在主燃烧器上方的专门空气喷口OFA（Over Fire Air） “火上风”喷入炉膛。 ★ 空气分级燃烧可使NOx生成量降低30％－40％。
煤粉炉燃烧器前墙布置时“火上风”(OFA)喷口 在炉膛上布置的示意图
2CO 2 NO 2CO2 N 2 NH NH N 2 H 2 NH NO N 2 OH
★ 低NOx燃烧技术
◆ 空气分级燃烧技术
◆ 煤粉浓淡燃烧技术 ◆ 低NOx燃烧器
◆ 燃料分级燃烧技术
◆ 烟气再循环技术
★ 烟气脱硝技术
◆ 选择性非催化脱硝法（SNCR） 向炉膛中喷射氨、尿素等氨基还原剂，因为NH3等只与烟气中的NOx 发生发应 ◆ 选择性催化剂法（SCR）4 NH3 + 4NO + O2→ 4N2 + 6H2O
特点 污染物 气象条件 煤烟型烟雾 光化学型烟雾 事件 事件 煤炭的燃烧产物、 汽车尾气 生产废气 气温低、气压高、 气温高、天气晴朗、紫 风速很低、湿度大、 外线强烈，逆温产生 有雾、有逆温产生 河谷盆地易发生 多发生在南北纬60○以 下的地区； 大城市 多发 眼睛及呼吸道刺激症状
地点特征
症状特征
4 NO CH 4 2 N 2 CO2 2 H 2O 2 NO 2Cn H m (2n m / 2 1)O2 N 2 2nCO2 mH 2O 2 NO 2CO N 2 2CO2
★ 利用这一原理，将80%--85%燃料送入一级燃烧区，在 α>1条件下燃烧生成NOx；其余15%--20%的燃料则在主燃 烧器上部送入二级燃烧区，在α <1条件下形成很强的还 原性气氛，使NOx还原。二级燃烧区又称再燃区。
低NOx燃烧技术实现的重要途径
1 . 减少燃料周围的氧浓度。包括：减少总的空气过剩系数； 减少一次风量；减少挥发分燃尽前燃料与二次风的掺混； 2 . 在氧浓度较少的情况下，维持足够的停留时间，使生成 的NOx经过均相或多相反应被还原分解。 3 . 在过剩空气的条件下，降低温度峰值，以减少热力型 NOx的生成。如采用烟气再循环等。 4 . 加入还原剂，使还原剂生成CO、NH3、HCN，它们再 将NOx还原分解。
第一个反应式是控制反应；高温下反应非常快。
O源于高温下O2的分解。
3.4 快速型NOx （Prompt NOx)
快速型NOx是经HCN（氰化氢）、NH（铵 ）、N等中间
产物形成的，而HCN、NH、N等中间产物又是由碳氢化合 物分解过程中形成的活性炭化氢（CH、CH2等）与N2反应 生成的：
CH N 2 HCN N CH 2 N 2 HCN NH
Primary combustion Zone α>1
Figure 1 Schematic diagram of reburning
燃料分级燃烧技术 (fuel staging): 根据 NOx的分解机理，已生成的NOx在遇到烃根 CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm 时，会发生NO的还原反应从而降低NOx排 放水平。 第一级燃烧区：将85%左右的燃料送入进行 富氧燃烧，生成大量的NOx； 第二级燃烧区：送入15%的燃料，进行缺氧 燃烧，将第一区生成的NOx进行还原，从 而降低NOx的排放。 燃料分级燃烧时所使用的再燃燃料可以与 主燃料相同，但由于煤粉气流在再燃区内 的停留时间相对较短，再燃料宜于选用容 易着火和燃烧的烃类气体或液体燃料，如
3.3 热力型NOx （Thermal NOx)
热力型NOx的生成机理可用Zeldovich机理来描述：
N 2 O NO N N O2 NO O N OH NO H
Zeldovich NOx的生成特点是生成反应比燃烧反应慢，因 此，主要在火焰带下游生成NOx。 Zeldovich NOx反应的温度，主要在1800 K以上区域。
NOx的性质
难溶于水 NO：大气中NO2的前体物质，形成光化学烟雾 的活跃组分。 NO2: 强烈刺激性，来源于NO的氧化，酸沉降。 N2O：单个分子的温室效应为CO2的200倍，并 参与臭氧层的破坏。
1. 氮氧化物及其性质
大气中50%的NOx由人为污染源产生；主要是 化石燃料的燃烧过程。 燃料燃烧生成的NOx 中，90％以上是NO，NO2 只有5-10％。
HCN和NH经一系列的反应变成CN（氰）、N，再被氧化 为NO。
N也可通过高温下的Zeldovich反应生成NO。
快速型NOx的生成量与同样起源于空气中N2的Zeldovich NOx不同，对温度的依赖性低。
3.5 燃料型NOx （Fuel NOx)
燃料氮在燃烧中被分解后释放，形成含氮的中间产物
HCN、NHi等（用I表示），通过图示的竞争反应，亦称 Fenimore途径，一部分转化为NO，一部分转化为N2。 R表示含氧原子的化学组分。
“火上风”喷 口 一次风煤粉 和二次风
空气分级燃烧
空气分级燃烧
★ 空气分级的低NOx旋流燃烧器
一次火焰区：富燃，含氮组分析出但难以转化 二次火焰区：燃尽CO、HC等
空气分级燃烧技术 (air staging):
燃料的燃烧过程分段进行，燃烧用风分为 一、二次风，减少煤粉燃烧区域的空气 量，提高燃烧区域的煤粉浓度。 推迟一、二次风混合时间，煤粉进入炉 膛时形成富燃料区，并在富燃料区进行 缺氧燃烧，以降低燃料型NOx的生成。缺 氧燃烧产生的烟气再与补入的二次风混
1943年夏季，洛杉矶市250 万辆汽车燃烧的1100吨汽 油所产生的氮氧化物等气 体，在太阳紫外线照射下引 起化学反应.形成了浅蓝色 烟雾，使该市大多市民患了 眼红、头疼。1955年和 1970年洛杉矶又两度发生 该类事件，分别有400多人 死亡和全市四分之三的人患 病。
大气污染著名案例
伦敦烟雾事件
★ 再燃区上面还布置“火上风（OFA）”形成第三级燃烧区 （燃尽区），使再燃区生成的未完全燃烧产物燃尽。
再燃低NOX燃烧技术
再燃低NOX燃烧技术又称为 燃料分级或炉内还原（IFNR）技 术，它是近二十年发展起来的一 种很有前途的低NOX 技术，其原 理示意图见图１。
再燃低NOX 燃烧技术可以大幅
Flue gas
Burnout Zoneα>1 Burnout air Reburn Zone α<1 Reburning Fuel
度降低NOX 排放，一般情况下可 以使NOX排放浓度降低50%以上
再燃技术可以保证燃料燃烧初
Secondary air
Primary coal +Air
期的良好燃烧条件，可以解决其 他低NOX 燃烧技术在燃用低挥发 分煤种效果较差的问题。
燃料过浓还原性区域(低RO浓度)，设在燃烧炉内或者烧嘴附近的适当位
置，这是两段燃烧、低NOx喷嘴、或称为“低NOx燃烧”技术，共同依 据的基本原理。
燃料燃烧中NOx生成机理、来自百度文库抑制NOx生成、促使破坏NOx的途径
空气中的氮
空气N2 烃生成物中结合的氮
燃料中氮的转换
杂环氮化物
NO再燃烧
烃生成物 CH，CH2
自1952年以来，伦敦发生 过 12 次 大 的 烟 雾 事 件 。 1952年12月那一次，伦敦 大雾，燃煤排放的粉尘和 二氧化硫无法散去。迫使 所有飞机停飞，汽车白天 开灯行驶，行人走路困难。 烟雾事件使 呼吸道疾病 患 者猛增，5天内有4000多 人死亡，两个月内又有 8000多人死去。
煤烟型烟雾事件与光化学型烟雾事件的 特点比较
呼吸道刺激症状
1. 氮氧化物及其性质
氮氧化物是氮的氧化物的总称。种类很多，包 括NO、NO2、N2O、NO3、 N2O3、 N2O4、 N2O5等。其中N2O5是固体。 大气中除NO、NO2较稳定外，其他氮氧化物 都不太稳定，故通常所指的氮氧化物，主要是 NO和NO2的混合物，即NOx。
1. 氮氧化物及其性质
天然气。
沿炉膛高度燃料分级燃烧
1.3 烟气再循环
★ 它是在锅炉的空气预热器之前抽取一部分烟气 直接送入炉内，或者是与一次风或二次风混合 后送入炉内。
燃烧学原理
NO3.NOX生成原理及低NOx燃烧技术
美丽的地球 -- 人类和动物、植物的家园
从太空俯瞰美丽的地球
Surrounding of Western Kentucky University, Bowling Green, KY, USA. Fall of 2002
大气污染著名案例
洛杉矶光化学烟雾事件