降低烟气氮氧化物技术

一、氮氧化物的介绍

NOx对环境的损害作用极大，它既是形成酸雨的主要物质之一，也是形成大气中光化学烟雾的重要物质和消耗O3的一个重要因子。

根据国标GB 31573-2015标准规定了无机化学工业烟气氮氧化物排放标准，其中镍铁等重金属行业氮氧化物最高排放量为200mg/m^3,地方可以制定严于国家标准的地方标准。厦门市地方排放标准（DB 35323-2011）其中氮氧化物排放量也是200mg/m^3,目前尚不知宁德地区的标准.

一般燃烧形成的氮氧化物主要来自两个方面：一是燃烧所用空气（助燃空气）中氮的氧化，二是燃料中所含氮氧化物在燃烧过程中热分解氧化，燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600℃~800℃时就会生成燃烧型NOx,它在煤粉燃烧的氮氧化物中占60%~80%，其中挥发分燃烧又占燃烧型氮氧化物的一大部分，燃料挥发分增加NOx转换量就增大，挥发分的NOx的转化率又随氧浓度的平方增加，火焰温度越高NOx 的转换量就越大。

二、选用洗选煤

1、煤炭洗选可脱除煤中50%－80%的灰分、30%－40%的全硫

（或60%~80%的无机硫），燃用洗选煤可有效减少烟尘、SO2和NOx 的排放，入洗1亿t动力煤一般可减排60～70万tSO2，去除矸石16Mt。

2、一些研究表明：工业锅炉和窑炉燃用洗选煤，热效率可提高3%~8%；

表（1）我厂使用烟煤成分

表（2）市场上几种洗选煤成分

由表（1）可以得知我厂使用烟煤挥发分平均含量为%左右、灰分平均含量为%左右、平均含硫量%。由表（2）可以得知市场上的洗选煤成分挥发分平均含量%、灰分平均含量12%、平均含硫量%。洗选煤的挥发分仅为烟煤的1/3 、灰分含量比烟煤低%、全硫量比烟煤低%。煤的挥发分就是煤中有机质的可挥发的热分解产物。其中除含有氮、氢、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和硫化氢等气体外，还有一些复杂的有机化合物。我们知道挥发分的燃烧占燃料型氮氧化物的大部分，而燃料型氮氧化物又是主要的氮氧化物来源，因此选用洗选煤对减少氮

氧化物和硫化物有很大作用。同时通过比较表（1）表（2）可知洗选煤的热值并不会比烟煤低，相反，而是比烟煤高很多。

三、改进燃烧技术：

1.选用含氮量低的燃料：包括燃料脱氮转变为低氮燃料

2.降低空气过剩系数，组织过浓燃烧，来降低燃料周围的氧浓度。

3.在过剩空气少的情况下，降低温度峰值以减少“热反应NO”

4.在氧浓度低的情况下，增加可燃物在火焰前峰和反应区中停留

时间。

(一)第一代低氮氧燃烧技术

1.低过剩空气进行

这是一种优化装置燃烧、降低NOx生成量的简单方法，它不需对燃烧装置做结构改造、并有可能在降低NOx排放的同时,提高装置运行的经济性。图（1）是NOx生成量与运行氧量关系的试验结果。由图可见,低过剩空气系数运行抑制NOx生成量的幅度与燃料种类、燃烧方式以及排渣方式有关。需要说明的是,电站锅炉实际运行时的过剩空气系数不能做大幅度的调整。对于燃煤锅炉而言,限制主要来自于过剩空气系数低时会造成受热面的粘污结渣和腐蚀、汽温特性的变化以及因飞灰可燃物增加而造成经济性下降。对于燃气、燃油锅炉而言主要限制在于CO浓度超标。

图1过剩空气系数对NOx的影响

2.降低助燃空气预热温度

降低助燃空气预热温度可降低火焰区的温度峰值,从而减少热力型NOx的生成量。这一措施不宜用于燃煤、燃油锅炉,对于燃气锅炉,则有降低NOx排放的明显效果(图2)。

图2空气预热系统对燃气锅炉NOx生成量的影响

3.浓淡燃烧技术

这种方法是让一部分燃料在空气不足的条件下燃烧,即燃料过浓燃烧;另一部分燃料在空气过剩的条件下燃烧,即燃料过淡燃烧。无论是过浓燃烧还是过淡燃烧,其过剩空气系α都不等于1。前者α<1,后者α>1,故又称为非化学当量燃烧或偏差燃烧。

浓淡燃烧时,燃料过浓部分因氧气不足,燃烧温度不高,所以,燃料型NOx和热力型NOx都会减少。燃料过淡部分因空气量过大,燃烧温度低,热力型NOx生成量也减少。总的结果是NOx生成量低于常规燃烧。这一方法可以用于燃烧器多层布置的电站锅炉,在保持入炉总风量不变的条件下,调整各层燃烧器的燃料和空气量分配,便能达到降低NOx排放的效果。

4.炉膛内烟气再循环

把烟气掺入助燃空气,降低助燃空气的氧浓度,是一种降低燃煤液态排渣炉,尤其是燃气、燃油锅炉NOx排放的方法,图3给出的是这种方法的试验结果。通常的做法是从省煤器出口抽出烟气,

加入二次风或一次风中。加入二次风时,火焰中心不受影响,其唯一作用是降低火焰温度,有利于减少热力型NOx的生成。对固态排渣锅炉而言,大约80%的NOx是由燃料氮生成的,这种方法的作用就非常有限。

图3烟气再循环技术对NOx生成量的影响

(二)第二代低氮氧燃烧技术

1.炉膛内整体空气分级低氮氧直流燃烧技术

这种燃烧器与传统直流燃烧器不同的是在其顶部增设了一层或两层所谓的燃尽风喷口(OFA———Overfireair),一部分助燃空气通过这些独立的喷口送入炉膛。这样燃烧器区处于过剩空气量较低的工况下,抑制了NOx的生成。顶部投入的燃尽风用于保证燃料完全燃烧。

这种燃烧器的技术关键有三点：一是要合理确定燃尽风喷口与最上层煤粉喷口的距离。距离大,分级效果好,NOx下降幅度大,但飞灰可燃物会增加。合适的距离与炉膛结构、燃料种类有关。二是燃尽风量要恰当。风量大,分级效果好,但可能引起燃烧器区域因严重缺氧而出现受热面结渣和高温腐蚀。三是燃尽风要有足够高的流速,以保证与烟气的良好混合。

2.空气分级低氮氧旋流燃烧技术

这种燃烧器的特点是在其出口实现助燃空气逐渐混入煤粉空气射流,其难点是要准确地控制燃烧器区域燃料与助燃空气的混合

过程,以阻止燃料氮转化为NOx的反应和热力型NOx的生成同时又要保证较高的燃烧效率。其做法是通过合理的结构设计,控制燃烧器喉部燃料和空气的动量以及射流的流动方向。

图4可以说明空气分级燃烧器的基本原理。燃料与空气混合物(一次风)和二次风Ⅰ形成初始燃烧区(一次火焰)。由于二次风Ⅱ的旋流作用和燃烧器锥口的作用,形成一个内回流区,加热并使一次风着火。挥发分和含氮组分的大部分在此区中析出,但因处于氧和高CO、CmHn浓度之中,限制了含氮组分向NOx的转换。

图4 LNB的分级风

四、使用低氮燃烧器：

1.阶段燃烧器，有空气分阶段和空气燃料分阶段燃烧，通过在燃

烧器上合理的气道布局使得燃料在出口先过浓燃烧产生还原气氛抑制NOx形成，到火焰外围与分级风低氧缓慢燃尽使燃料燃烧完全。

2.自身再循环燃烧器，使用燃烧的烟气抽入燃烧器中作为燃烧空

气使用做到降低燃烧氧含量。

3.浓淡型燃烧器，浓淡燃烧时燃料过浓部分因氧气不足燃烧温度

不高所以燃料型NO和热力型NO都会减少。燃料过淡部分因空气量过大燃烧温度低热力型NO生成量也减少。总的结果是NO 生成量低于常规燃烧。

4.分割火焰型燃烧器，在烧嘴头部开设一个沟槽，可将火焰分割