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氮氧化物(NOx)的产生机理及类型

返回列表 来源:银晨锅炉 发布日期:2019-05-10 09:15
 

燃气燃烧过程中产生的NOx的主要有燃料型、热力型和快速型。

01
热力型NOx

由空气中的N2在高温下氧化产生,反应温度越高,NOX的生成速度越快。影响因素如下:

a)火焰温度,当温度低于1300℃,产生的NOX很少,温度超过1500℃时,NOX将会成倍增加。

b)氧气浓度:氧气浓度越高,NOX产生量越大。

c)燃烧时间:在高温区停留时间越长,NOX生成量越多。

02
快速型NOx

燃烧过程中碳氢化合物高温分解产生CH自由基和空气中的N2分子反应生成HCNN,再进一步氧化,反应的时间只需要60ms。快速型NOX的生产量占比非常少,通常不足5%

03
燃料型NOx

指的是燃料中的含氮化合物在燃烧过程中产生的,含氮化合物中的氮通常以原子状态存在,其结合键能量小,在燃烧过程中很容易分解出来氧化成NOX,由于天然气中基本不含有固定氮,所以燃料型NOX基本可以忽略。

综上,我们在进行低氮燃烧技术改进时,主要控制的是热力型NOX,根据其产生机理,控制的方向是降低火焰温度,尤其是降低火焰峰值温度,缩小火焰高温区的范围,缩短烟气在高温区停留时间,降低氧气的浓度等。

按照控制NOX排放的主要措施按控制的环节不同可以分为两类:第一类是控制NOX的产生,通过降低燃烧高温区的温度,缩小高温区的分布范围,具体的措施有:燃料/空气分级燃烧技术,烟气再循环技术(内循环、外循环),全预混表面燃烧技术,水冷燃烧技术,低过量空气系数等方法。第二类是烟气脱硝技术,就是说对烟气中已经产生的NOX进行处理,主要的相关技术有:贵金属催化脱硝法,选择性催化还原法(SCR),选择性非催化还原法(SNCR)、碱液吸收法等。

在燃气锅炉行业目前应用较多、有效且简单的控制氮氧化物的方式主要为燃烧控制法,即第一类。主要是通过优化炉内燃烧工况,合理优化燃料与空气混合,控制火焰分布,降低炉膛内温度来实现降低制氮氧化物。常见的有以下几种方法:

  • 空气分级燃烧

将燃烧所需要的空气分阶段与燃料混合燃烧,降低燃烧强度和火焰温度。二次供风出口速度很高,卷席周围烟气,使得烟气在炉内再循环。分级配风一方面降低了中心火焰的温度,另外一方面稀释了火焰表面的氧浓度,从而抑制了NOX的生成。

 

分级配风示意图

 

  • 燃料分级燃烧

燃料分级燃烧是指将燃气从不同的区域送入炉膛,使得燃料分阶段、分区域进行燃烧。充分利用燃烧室的空间,将燃料分散布置,降低火焰集中度,降低高温区的温度。

  • 分级燃烧

一般低氮燃烧器将空气分级和燃料分级相结合,统称分级燃烧技术。分级燃烧技术原理实质是通过贫氧和过氧相结合,使火焰分散,降低火焰温度,促使炉内烟气局部循环,形成还原气氛,部分还原已经产生的NON2,从而在总量上控制NOx的排放浓度。

分级燃烧技术虽然可以一定程度降低氮氧化物的产生,但是很多燃烧器在实际使用中没有完全实现助燃空气和燃气的充分混合,炉膛内存在局部高温区,其温度高于产生热力型NOx的温度,造成NOx浓度超标。另一方面,有可能出现燃料和空气的混合流动不佳,造成一氧化碳超标,局部积碳等不完全燃烧的现象。为了降低反应温度,需要尽可能使火焰分散,扩大火焰形状,也就是说需要结合炉膛配合使用,而大多是情况是炉膛体积有限,为了避免火焰相对炉膛过大,通常会降低燃烧器的输出功率,这样可以降低NOx浓度及保证充分燃烧,但是缺点是锅炉的功率下降了,而且有烟气冷凝的风险。

据相关文献及实际运行数据显示,分级燃烧一般可将NOx排放浓度控制在60~80 mg/m3,可满足国家标准,但是对于目前的很多地方标准,这种技术已经不能满足。

实际工程应用中,分级燃烧会和烟气再循环技术(FGR)结合起来应用,以满足30mg/m3的排放要求。

  • 烟气再循环技术(FGR

烟气再循环技术指的是将燃烧后的部分烟气(主要为水蒸气、二氧化碳和氮气)引出返回至燃烧器,与新鲜的空气混合参与燃烧。再循环烟气的温度与炉膛内的火焰温度比要低得多,能够显著降低炉膛内的温度,减少炉膛容积热强度。同时,由于引入的烟气含氧量极低,在炉膛内可以有效降低炉膛内的氧气浓度,有效抑制了NOx的形成。

2  烟气外循环低氮燃烧系统

 
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