摘要 我國工業(yè)鍋爐有5 0 多萬臺，主要采用層燃方式，且多為鏈條爐，普遍存在燃燒效 率低、污染物排放量高等問題。其中，造成大氣污染重要來源之一的氮氧化物( n o x ) 的 排放約占我國n 仉排放總量的1 5 - - 2 0 。因此，研發(fā)工業(yè)鍋爐低n o x 燃燒技術(shù)對于 減排燃煤n o x 、保護(hù)大氣環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 熱解燃燒鏈條爐是根據(jù)中國科學(xué)院過程工程研究所提出的層燃鏈條爐熱解燃燒技 術(shù)原理設(shè)計(jì)出的新型層燃爐。與普通層燃鏈條爐相比，熱解燃燒鏈條爐融合了燃料再燃 技術(shù)可以有效抑制爐內(nèi)n o x 的生成。其實(shí)現(xiàn)方式如下：將鏈條爐分解為前段熱解和部 分氣化區(qū)以及后段半焦和可燃?xì)馊紵齾^(qū)。前段熱解氣化區(qū)產(chǎn)生的對n o x 具有還原作用 的可燃?xì)獗粚?dǎo)入后段燃燒爐堂后，形成了燃料再燃，可對鏈條爐排半焦燃燒生成的n o x 起到很好的抑制效果，從而達(dá)到降低n o x 排放的目的。 本文采用流體力學(xué)軟件f l u e n t ，模擬揭示熱解燃燒鏈條爐降低n o x 的排放特性， 并考察爐膛結(jié)構(gòu)參數(shù)對降低n o x 排放的影響，為熱解燃燒鏈條爐的開發(fā)設(shè)計(jì)提供理論 指導(dǎo)。模擬過程中，選取后段燃燒爐膛作為計(jì)算物理模型，將前段流化床氣化產(chǎn)生的可 燃?xì)夂喕癁榧淄?，采用添加元素n 的乙烯空氣混合物燃燒模擬爐排半焦層燃燒及其生 成的n o ，建立了爐膛燃燒的數(shù)學(xué)模型及n o 生成與還原模型。模擬結(jié)果表明，傳統(tǒng)燃 燒時(shí)，爐膛出1 ：3n o 濃度為1 7 8 p p m 。而在同等燃燒條件下，熱解燃燒鏈條爐由于在爐 膛中形成一局部還原燃燒區(qū)，爐膛出口n o 排放量降為1 5 2 p p m ，n o 還原率為1 4 6 。 這說明該技術(shù)相對于傳統(tǒng)燃燒，具有一定的n o x 減排作用。對于熱解燃燒鏈條爐，計(jì) 算結(jié)果表明，減小過量空氣系數(shù)、增大再燃比和減弱爐排前段風(fēng)室配風(fēng)量有利于提高出 口n o 還原率；增大前拱長度、減小前拱角度、增大前后拱間距會減弱n o 減排效果， 而后拱角度的改變對出口n o 還原率沒有影響。 關(guān)鍵詞：鏈條爐，再燃，熱解燃燒，n o x ，數(shù)值模擬 a b s t r a c t i nc h i n a , t h ee x i s t i n gp r o b l e m so fi n d u s t r i a lb o i l e r sw h i c ha r ea b o u tm o r et h a n5 0 0 t h o u s a n du n i t sa n dm a i n l ya d o p tt h eg r a t e f i r e dm a n n e ra r eg e n e r a ll o wc o m b u s t i o n e f f i c i e n c ya n dh i g he m i s s i o no fp o l l u t a n t a m o n gt h e m , a ni m p o r t a n ts o u r c oo fa t m o s p h e r i c p o l l u t i o nc a u s e db yn i t r o g e no x i d e s ( n o x ) e m i s s i o na c c o u n t sf o ra b o u t 15 - - - 。2 0 o f a m o u n t i n gt on o xe m i s s i o ni nc h i n at h e r e f o r e ，i t i sv e r yi m p o r t a n ti nv i e wo ft h e e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o no fc h i n at od e v e l o pn e wc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a lb o i l e r f o rl o wn o xe m i s s i o n p y r o l y s i s - c o m b u s t i o n c h a i ng r a t eb o i l e ri n v e n t e d b y t h ei n s t i t u t eo fp r o c e s s e n g i n e e r i n g ， c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s ，i san e w - s t y l es t o k e rb o i l e r i nc o m p a r i s o nw i t h t r a d i t i o n a lc h a i ng r a t eb o i l e r , p y r o l y s i s c o m b u s t i o nc h a i ng r a t eb o i l e rc o m b i n e dw i t hf u e l r e b u m i n gc a nb ee f f e c t i v e l ys u p p r e s s e dt h eg e n e r a t i o no fn o x t h ep y r o l y s i s - c o m b u s t i o n c h a i ng r a t eb o i l e ri sc o m p o s e do ft w os e c t i o n si n c l u d i n gf r o n ts e c t i o no fp y r o l y s i sa n dp a r t i a l g a s i f i c a t i o n ，a n db a c ks e c t i o no fs e m i c o k ec o m b u s t i o n t h ef l a m m a b l eg a sp r o d u c e db yc o a l p y r o l y s i sa n dp a r t i a lg a s i f i c a t i o ni nf r o n ts e c t i o nc a nb ei m p o r t e di n t ot h eb a c kf u m a c e ， w h i c hf o r mf u e lr e b u m i n gw h i c hc a nr e d u c en o xe m i s s i o nf i o ms e m i c o k ec o m b u s t i o no nt h e c h a i ng r a t e i nt h i sp a p e r , f l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n tw 鵲u s e dt os i m u l a t en o xe m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp y r o l y s i s c o m b u s t i o nc h a i ng r a t eb o i l e ri no r d e rt op r o v i d et h e o r e t i c a l g u i d a n c eo fd e s i g n m e a n w h i l e ，t h ee f f e c t so fp a r a m e t e r so ff u r n a c es t r u c t u r eo nn o x e m i s s i o nw e r ei n v e s t i g a t e d d u r i n gt h es i m u l a t i o np r o c e s s ，b a c kc o m b u s t i o nf u m a c oi s s e l e c t e da st h ec a l c u l a t i n gp h y s i c a lm o d e l m e t h a n ei sa d o p t e da sr e b u m i n gf u e l ，w h i l et h e c o m b u s t i o no fa i r - e t h y l e n em i x t u r ea d d e dw i t hne l e m e n tw h i c hf o r m e dn oi nc o m b u s t i o n p r o c e s si se m p l o y e dt os i m u l a t et h ec o m b u s t i o no f s e m i c o k eo nt h eg r a t e o nt h e o t h e rh a n d , t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa b o u tf u m a c ec o m b u s t i o n ，n of o r m a t i o na n dr e d u c t i o n ，a r e e s t a b l i s h e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tn oc o n c e n t r a t i o no ff u m a c eo u t l e ti s17 8 p p m i nt h et r a d i t i o n a lc o m b u s t i o n ，w h e r e a so nt h es a m ec o m b u s t i o nc o n d i t i o n s ，n oe m i s s i o n o ff u m a c oo u t l e tc a nb ed e c r e a s e dt o1 5 2p p mw i t hr e d u c t i o ne f f i c i e n c yb e i n g1 4 6 f o r m i n gap a r t i a lr e d u c t i o nz o n ei n t h ef u r n a c eb yp y r o l y s i sg a sr e b u m i gi st h em a j o r c o n t r i b u t i o nf o rt h er e d u c t i o no fn o x t h i ss h o w st h a tp y r o l y s i s c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yh a sa c e r t a i ne f f e c to nt h en o xr e d u c t i o nc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lc o m b u s t i o n f o rt h e p y r o l y s i s - c o m b u s t i o nc h a i ng r a t eb o i l e r , t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a ti m p r o v i n g n or e d u c t i o ne f f i c i e n c yb yd e c r e a s i n ge x c e s sa i rr a t i o ，i n c r e a s i n gr e b u mf u e lf r a c t i o na n d d e c r e a s i n ga i rv o l u m ei nt h ea i rp l e n u mu n d e r n e a t hf o r e p a r to ft h et r a v e l i n gg r a t e v a r y i n g t h ec o n f i g u r a t i o no fb o i l e rf u m a c ec l a r i f i e dt h a tn or e d u c t i o ne f f i c i e n c yd e c l i n e dw i t h i n c r e a s i n gt h ef r o n ta r c hl e n g t h ，d e c r e a s i n gt h ef r o n ta r c ha n g l ea n de x t e n d i n gt h ew i d t ho f t h ef o r e a n d - a f ta r c h n o n e t h e l e s s ，c h a n g i n gt h eb a c ka r c ha n g l eh a sl i t t l ee f f e c to nt h en o r e d u c t i o ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：c h a i ng r a t eb o i l e r ，f u e lr e b u m i n g ，p y r o l y s i s c o m b u s t i o n ，n o x ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n l n 西北大學(xué)學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)聲明書 本人完全了解西北大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定。學(xué)校 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部l 、j 或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版。本人允許 論文被查閱和借閱。本人授權(quán)西北大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存 和匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所等機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論 文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫或其它相關(guān)數(shù)據(jù)庫。 保密論文待解密后適用本聲明。 學(xué)位論文作者簽名：要矗輦 指導(dǎo)教師簽名： z 呷年f 月7 日 年月日 西北大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外， 本論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得西 北大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的 同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝 = 丘 思o(jì) 學(xué)位淪文作者簽名：賈端華 硼7 年廠月( 日 西北大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 我國工業(yè)鍋爐概況 第一章緒論帚一早珀比 工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中廣泛應(yīng)用的一種熱能動力設(shè)備，在國民經(jīng)濟(jì)中占 有重要地位。具有使用量大、需求面廣的特點(diǎn)，主要包括工業(yè)蒸汽鍋爐、采暖熱水鍋爐、 民用生活鍋爐等。目前，我國工業(yè)鍋爐有5 0 多萬臺，總?cè)萘吭? 2 1 1 萬噸【1 1 ，主要采用 層燃方式。其中，鏈條爐排占主導(dǎo)地位，產(chǎn)量占工業(yè)鍋爐總臺數(shù)的5 2 7 0 , ，占總?cè)萘康?5 9 ：其次為往復(fù)爐排，分別占總臺數(shù)的2 1 和總?cè)萘康? 7 ；再次為固定爐排，約占 總臺數(shù)的1 7 ，總?cè)萘康? 左右【2 i 。我國工業(yè)鍋爐主要以燃煤為主，年耗煤量在4 億 多噸，約占全國原煤產(chǎn)量的三分之一【l l 。下圖1 1 為一普通層燃鏈條爐示意圖，其燃燒 方式為傳統(tǒng)的固定床燃燒：由煤斗加入的煤直接在爐膛內(nèi)鏈條爐排上燃燒，產(chǎn)生的煙氣 在前后拱的作用下折流進(jìn)入爐膛上部空間，燃燒所需的空氣由爐排下方的風(fēng)室提供。 ； j f r o n ta r c h ；：j j c o a lb o p p e r 。 _ 柵赫 _ l a 1 1 啪m t e s ti n t 鋤 。j ：j ”砑， j 多妻靜o mp d。磁謦耘；。， ；_ f 詈乎i 丐鼉鼉匕三f 矛f i 下 ：、毪藁黧囊簍雯驀霎耋：_ j 圖1 - 1 普通層燃鏈條爐示意圖 f i g1 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft r a d i t i o n a lc h a i ng r a t eb o i l e r 我國工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)效率普遍為7 2 - 8 0 ，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)大部分都在6 0 6 5 之間，形成了低效率、高耗能的現(xiàn)狀。與國外先進(jìn)水平相比，能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。造成 這一問題的主要原因是：鍋爐使用時(shí)間過長，設(shè)備陳舊，自動化程度不高，鍋爐操作人 員缺乏必備的技術(shù)素質(zhì)，燃用的煤種多、煤質(zhì)差，燃燒不完全和過大的過量空氣系數(shù)( 2 o ) 等。除此以外，鍋爐燃燒排放的黑煙造成嚴(yán)重的“煤煙型”大氣污染，包括煙塵、s 0 2 和n o x 的污染。對于s 0 2 的排放已經(jīng)有了相對較好的控制措施，但n o x 排放控制的工 作才剛剛起步，而且主要集中在電站鍋爐上，工業(yè)鍋爐特別是層燃爐由于其本身n o x 的排放值較低，還沒有引起足夠的重視。但是因?yàn)楣I(yè)鍋爐數(shù)量多、耗煤量大，n o x 排 放總量占我國大氣污染物氮氧化物( n o x ) 排放的1 5 , - - - , 2 0 ，所以，工業(yè)鍋爐n o x 污染 第一章緒論 問題不容忽視 3 , 4 1 。 綜上所述，提高工業(yè)鍋爐效率和降低污染物排放是我國潔凈煤技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容 和重要環(huán)節(jié)。如果我國工業(yè)鍋爐能達(dá)到發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品的同等效率，則每年可節(jié)省約 1 億噸原煤，節(jié)約開支約3 0 0 億元，相對于目前的總污染排放量，可減少煙塵、s 0 2 、 c 0 2 和n q 排放量5 1 0 。因此，開發(fā)高效、低污染的新型層燃技術(shù)符合我國國情， 具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會意義。 1 2n 0 。的危害 氮氧化物( n o x ) 是一氧化氮( n o ) 、二氧化氮( n 0 2 ) 及其它氮和氧的化合物的總稱，其 中造成大氣污染的n o x 主要是n o 和n 0 2 。煤燃燒過程中產(chǎn)生的n o 進(jìn)入大氣后，逐漸 與大氣中的氧氣或臭氧結(jié)合生成n 0 2 ，而n 0 2 的毒性更大，約為n o 的4 , - 一5 倍。n 0 2 很容易和動物血液中的血紅素相結(jié)合，使血液缺氧，引起中樞神經(jīng)麻痹癥。n 0 2 還對呼 吸器官粘膜有強(qiáng)烈的刺激作用，引起肺氣腫和肺癌，其毒性較s o z 和n o 更強(qiáng)。人在含 n o 為1 0 0 p p m 的大氣中停留l 小時(shí)，或在含n 0 2 為4 0 0 p p m 的大氣下停留5 分鐘就會 死亡。此外n 0 2 對心臟、肝臟、腎臟和造血組織都有損害p j 。 氮氧化物形成光化學(xué)煙霧，其毒性更強(qiáng)。n 0 2 在陽光的照射下分解為n o 和o ，o 與碳?xì)浠衔镒饔蒙捎袡C(jī)過氧化合物r 0 2 ( 過氧烷基) ，o 與0 2 反應(yīng)生成0 3 ，0 3 將丁 烯氧化為丙烯醛和甲醛等。這些反應(yīng)生成一系列有毒的光化學(xué)氧化物。這種以0 3 、 聊d 唄過氧基硝酸酯) 和h 2 s 0 4 ( 如果有s 0 2 存在) 為主要成分的光化學(xué)煙霧不僅降低能見 度，而且對人的眼睛與呼吸道有強(qiáng)烈的刺激性，使眼睛紅腫，肺功能發(fā)生變化，且p a n 有致癌作用，對人體危害極大。 n o 會破壞平流層中的臭氧層，使其失去了對紫外光輻射的屏蔽作用，對地面生物 造成危害。 n o x 與s o z 和粉塵共存，可生成毒性更大的硝酸或硝酸鹽氣溶膠形成酸雨，對農(nóng)作 物、森林、土地和建筑物等都能造成嚴(yán)重?fù)p害。 煤在低溫下燃燒能生成大量的n 2 0 ，n z o 吸收紅外線能力較c 0 2 要大2 0 0 倍，因此 n 2 0 是一種溫室效應(yīng)很強(qiáng)的氣體。n 2 0 同樣能能破壞臭氧層，對人類造成危害【6 j 。 2 西北大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 課題的提出和研究內(nèi)容 1 3 1 課題的提出 為降低工業(yè)鍋爐污染物的排放，中國科學(xué)院過程工程研究所提出了層燃鏈條爐熱解 燃燒技術(shù)【7 引，并根據(jù)該原理設(shè)計(jì)出一種新型的工業(yè)鍋爐：熱解燃燒鏈條爐，旨在同時(shí) 實(shí)現(xiàn)高效燃燒、抑制n o x 的生成和爐內(nèi)固硫。熱解燃燒技術(shù)( p c tp y r o l y s i s - c o m b u s t i o n t e c h n o l o g y ) 原理如圖1 - 2 所示將煤的燃燒依次分兩步進(jìn)行：煤首先在流化床內(nèi)進(jìn)行熱解 和部分氧化氣化，所生成半焦和可燃?xì)庠趯尤紶t中燃燒，從而將層燃爐分解為前段熱解 氣化區(qū)和后段半焦和熱解氣燃燒區(qū)。煤首先被送入上游的流化床熱解氣化爐內(nèi)的燃料顆 粒床層上，被空氣流化的同時(shí)與空氣中的氧氣相互作用，在8 0 0 c 左右發(fā)生熱解和部分 氣化，生成的半焦及可燃?xì)庥诟邷貭顟B(tài)下進(jìn)入下游的層燃爐進(jìn)一步燃燒。半焦在爐排上 堆積并燃燒，而可燃?xì)庠谙掠螌尤紶t爐膛內(nèi)部結(jié)構(gòu)如前、后拱的引導(dǎo)下在半焦層的表面 附近燃燒。半焦和可燃?xì)馊紵尫诺臒崃客ㄟ^對流、傳導(dǎo)以及輻射換熱的方式加熱鍋爐 換熱面內(nèi)的工質(zhì)，生成熱水或蒸汽。 煙氣 煤 空氣 圖1 - 2 層燃爐熱解燃燒技術(shù)原理圖 f i g1 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fp y r o l y s i s - c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo fs t o k e rb o i l e r 與普通層燃鏈條爐相比，熱解燃燒鏈條爐融合了燃料再燃技術(shù)可以有效抑制爐內(nèi) n o x 的生成。這是因?yàn)槊涸诹骰矡峤夂筒糠謿饣^程中所生成的可燃?xì)鈴牧骰采戏?的連通口進(jìn)入下游燃燒爐膛時(shí)，在前拱的作用下繞流與爐排上燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣強(qiáng)烈 混合，在爐排上方形成一局部還原燃燒區(qū)。該燃燒區(qū)域含有大量可將n o x 還原為n 2 的 可燃性氣體如c o 、h 2 等。對于爐排上的燃料燃燒來說，還原燃燒區(qū)的形成實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn) 了使用燃料熱解和部分氣化氣作為再燃燃料的“再燃技術(shù)，從而可以有效降低層燃爐 第一章緒論 n o x 的排放量。 1 3 2 研究內(nèi)容 本文作為國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 2 0 6 0 6 0 3 4 ) 和國家8 6 3 計(jì)劃資助項(xiàng)目 ( 2 0 0 7 a a 0 5 2 3 0 4 ) 內(nèi)容的一部分，其研究主要包括以下兩點(diǎn)： ( 1 ) 通過流體力學(xué)軟件f l u e n t ，對采用層燃爐熱解燃燒技術(shù)原理所設(shè)計(jì)的熱解燃 燒鏈條爐降低n o x 的排放特性進(jìn)行數(shù)值模擬。一方面，從流場、溫度場和濃度場角度闡 述熱解燃燒鏈條爐抑制n o x 生成的機(jī)理：另一方面，模擬揭示鍋爐實(shí)際運(yùn)行操作參數(shù)對 再燃降低n o x 的影響： ( 2 ) 適當(dāng)改變爐膛結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析其對還原性可燃?xì)庠偃冀档蚽 o x 的影響，以便用 于爐膛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，為熱解燃燒鏈條爐的開發(fā)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。 4 西北大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1n 0 ，的種類 第二章n 0 ?？刂萍夹g(shù) 煤燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物主要是n o 和n 0 2 ，此外，還含有少量的氧化二氮 ( n 2 0 ) 。和s 0 2 的生成機(jī)理不同，煤燃燒過程中，氮氧化物的生成量和排放量與煤燃燒 方式，特別是燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等燃燒條件關(guān)系密切。在通常的煤燃燒溫度下， 生成的n o 。中，n o 占9 0 以上，n 0 2 占5 - - 一1 0 ，而n 2 0 只占l 左右。其生成的 n o x 可分為三類： ( 1 ) 熱力型n o x ( t h e r m a ln o x ) ，它是空氣中的氮?dú)庠诟邷匮趸律傻模?( 2 ) 燃料型n o x ( f u e ln o x ) ，它是燃料中含有的氮化合物在燃燒過程中熱分解而又接 著氧化而生成的； ( 3 ) 快速型n o 。( p r o m p tn o x ) ，它是燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如c h 等反應(yīng)生成的n o x 。 一般情況下，三種n o x 在煤燃燒過程中情況很不相同?？焖傩蚽 o x 所占比例不到 5 ；在溫度小于1 3 5 0 c 時(shí)，幾乎沒有熱力型n o x ，只有當(dāng)溫度超過1 6 0 0 c ，才可能占 到2 5 3 0 ；而燃料型n o x 是最主要的，占到6 0 - - , 8 0 。對于層燃爐中更是有9 0 以上的n o 。屬于燃料型n o x 9 l 。 2 2 不同類型n 0 。的生成機(jī)理與控制措施 2 2 1 熱力型n 仉 熱力型n o x 是空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠诟邷貤l件下生成的，其反應(yīng)機(jī)理可用擴(kuò)展的 z e l d o v i c h l l o ，1 1 1 機(jī)理來描述。主要的反應(yīng)如下： d + 2 n + n o ( 2 1 ) + q 營o + n o ( 2 2 ) + o h h + n o ( 2 3 ) 對于熱力型n o x ，其生成速率和溫度的關(guān)系符合阿累尼烏茲定律，隨著溫度的升高， n o x 的生成速度按指數(shù)規(guī)律迅速增加。在上述三個(gè)反應(yīng)式中，第一個(gè)反應(yīng)的速率較慢， 決定了整個(gè)反應(yīng)的速率。燃燒過程中，這一反應(yīng)比主燃燒反應(yīng)慢好幾個(gè)數(shù)量級，所以在 在火焰中只有少量的n o x 生成。影響熱力型n o 。生成的決定性因素是燃燒溫度，當(dāng)溫 5 第二章n o x 控制技術(shù) 度低于1 5 0 0 c 時(shí)，n o x 生成量很小，超過1 5 0 0 c ，溫度每增加1 0 06 c ，反應(yīng)速率可增加 6 - - - 7 倍。除此以外，鍋爐的過量空氣系數(shù)和煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間對熱力型n o x 的生 成也有一定影響。研究表明，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1 1 ，煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間為0 1 s 時(shí)， n o 濃度約為5 0 0 p p m ，但停留時(shí)間為l s ，則濃度達(dá)到1 3 0 0 p p m ，若過量空氣系數(shù)為1 4 ， 停留時(shí)間為l s 時(shí)，n o 濃度僅為5 0 0 p p m l l 2 1 3 1 。 抑制熱力型n o x 的生成可用下列方法： ( 1 ) 降低燃燒溫度，并防止產(chǎn)生局部高溫區(qū)； ( 2 ) 降低氧氣濃度，使燃燒在偏離空氣量下進(jìn)行； ( 3 ) 縮短煙氣在高溫區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間。 2 2 2 快速型n o 快速型n o x 最早是f e n i m o r e t l 4 1 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。一般在燃燒溫度較低、停留時(shí)間 較短的富燃料燃燒條件下，才會生成較多的快速型n o x ，例如在平焰燃燒器、分段燃燒 和燃?xì)廨啓C(jī)中【15 1 。 快速型n o x 主要是碳?xì)浠衔锖涂諝庵械牡饔蒙傻摹? 6 】。碳?xì)淙剂显谶^濃的條 件下燃燒時(shí)，會產(chǎn)生c h 、c h 2 和c 2 等基團(tuán)，它們與空氣中的氮反應(yīng)生成h c n 、h 2 c n 和c n 等中間產(chǎn)物，然后這些中間產(chǎn)物與火焰中生成的自由基如o 、o h 等進(jìn)一步反應(yīng) 生成n o x 。由于其反應(yīng)在火焰面上，所以生成速度非?？??？焖傩蚽 o x 的生成機(jī)理比較 復(fù)雜，圖2 1 是快速型n o 的生成步驟【1 0 1 ： 圖2 - 1嬲n o 轉(zhuǎn)化途徑 f i g2 - 1 r e a c t i o np a t hd i a g r a mi l l u s t r a t i n gt h em a j o rs t e p si np r o m p tn of o r m a t i o n 快速型n o x 對溫度的依賴性很弱，一般情況下，對于燃煤設(shè)備，與熱力型和燃料 型n o 。相比，其生成量非常小，可忽略不計(jì)。只有不含氮的碳?xì)浠衔镌诘蜏厝紵龝r(shí)， 6 劇 眺 i班 西北大學(xué)碩士學(xué)位論文 煤中的氮主要來源于成煤植物和菌種的蛋白質(zhì)、氨基酸、生物堿等【1 7 1 ，一般含量在 等形式。揮發(fā)份中h c n 和n h 3 轉(zhuǎn)化為n o x 的機(jī)理比較復(fù)雜，圖2 - 2 和圖2 - 3 簡要的說 明了它們向n o x 的轉(zhuǎn)化【1 8 l 。研究表明1 9 】，影響揮發(fā)份n 轉(zhuǎn)化為n o 的主要因素是過量 ：蘭c n ! 立蘭抓 n 蘭。州刪，八上 n h 3 圖2 - 3n 1 t 3 的轉(zhuǎn)化途徑 f i g2 - 3 r e a c t i o np a t hd i a g r a mf o r t h eo x i d a t i o no fa m m o n i ai nf l a m e s 焦炭燃燒過程中焦炭n 主要以n o 、n 2 0 和n 2 的形式釋放出來，也可能釋放出前 7 第二章n o x 控制技術(shù) 驅(qū)物h c n 和n h 3 【2 0 1 。對于焦炭n 向n o x 的轉(zhuǎn)化目前有兩種不同的觀點(diǎn)：一種認(rèn)為焦炭 n 是通過焦炭表面多相反應(yīng)直接生成n o x ；一種認(rèn)為焦炭n 同揮發(fā)份n 一樣，先析出 前驅(qū)體h c n 和n h 3 ，然后前驅(qū)體進(jìn)一步被氧化生成n o x 。影響焦炭燃燒生成n o x 的主 要因素有焦炭含氮量及焦炭的生成條件。二者對焦炭n o x 的生成影響非常復(fù)雜。在這方 面，已經(jīng)進(jìn)行過大量的研究。s h i m i z u 等1 2 l j 利用流化床研究發(fā)現(xiàn)焦炭的表面積對n o 的 產(chǎn)生量有一定影響，焦炭的表面積越大，n o 的產(chǎn)率越小。t u l l i n 等【2 2 】研究了流化床中 燃燒氮氧化物排放與碳轉(zhuǎn)化關(guān)系情況，研究發(fā)現(xiàn)焦炭燃燒過程中燃料n 向n o 轉(zhuǎn)化率隨 c 轉(zhuǎn)化而不斷提高。 綜上所述，抑制燃料型n o x 可采用以下的措施： ( 1 ) 選用含氮量較少的燃料； ( 2 ) 降低過量空氣系數(shù)： ( 3 ) 當(dāng)火焰為擴(kuò)散燃燒時(shí)，推遲燃料與氧化劑的混合。 2 3 再燃原理 1 9 7 3 年，w e n d t 1 在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)將甲烷噴入燃燒器下游附近后，鍋爐n o 排放量可 降低5 0 ，隨即提出“再燃 概念并開始相應(yīng)的研究。再燃技術(shù)發(fā)展至今，如圖2 4 所 示，其主要形式是：在沿鍋爐爐膛高度方向，將燃燒區(qū)域分為三部分，第一區(qū)域?yàn)橹魅?區(qū)，將7 5 - 一9 0 的燃料投入到鍋爐內(nèi)在過量空氣系數(shù)大于l 的條件下進(jìn)行燃燒。該區(qū) 域是n o x 主要的生成區(qū)。第二區(qū)域也即再燃區(qū)域，在過量空氣系數(shù)小于1 的情況下，通 入1 0 - - - - 2 5 的再燃燃料進(jìn)行燃燒，在該區(qū)域，由于再燃燃料與主燃區(qū)燃燒生成的n o x 發(fā)生還原反應(yīng)生成n 2 ，導(dǎo)致n o x 水平降低。爐膛最上部的區(qū)域?yàn)槿急M區(qū)，主要的作用 是在過量空氣系數(shù)大于l 的條件下，使沒有完全燃燒的燃料充分燃盡。 圖2 - 4 再燃原理示意圖 f i g2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fr e b u r n i n gc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y 再燃區(qū)的n o x 還原反應(yīng)包括均相反應(yīng)機(jī)理和非均相反應(yīng)機(jī)理，均相還原反應(yīng)主要包 括c h i 、c n h m 、h c n 、n i - i j 、c o 、h 2 與n q 之間的反應(yīng)。非均相還原反應(yīng)則是依靠焦 炭的吸附作用，在焦炭表面發(fā)生反應(yīng)將n o x 還原。這些反應(yīng)的總反應(yīng)式如下： 8 西北大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 n d k ：h 4 - + 2 n 2 + c 0 1 2 + 2 h 2 0( 2 4 ) 2 n o + 2 c h m + ( 2 n + m 一1 ) 0 2 - * n x + 2 n c 0 2 + m h 2 0 ( 2 5 ) 2 n o + 2 c o - - - n 2 + 2 c 0 2( 2 6 ) 2 n o + 2 c _ n 2 + 2 c o( 2 7 ) 2 n 餅- 2 h 2 一n 2 + 2 h 2 0( 2 8 ) 關(guān)于n o x 還原機(jī)制側(cè)重點(diǎn)目前還沒有統(tǒng)一的觀點(diǎn)。大部分研究者認(rèn)為均相還原反應(yīng) 是主要的機(jī)制，尤其是碳?xì)浠衔锏倪€原作用，h c n 和n h 3 也不能忽視2 3 ，弘2 5 1 。其它 一些研究者則側(cè)重非均相還原作用，認(rèn)為低階煤的異相還原效果更為重要，占到9 0 以 i - - 1 2 6 lo 再燃技術(shù)又稱之為燃料分級燃燒技術(shù)，對于普通的再燃工藝可降低n o x 5 0 以上， 如果使用先進(jìn)再燃技術(shù)，那么n o x 的排放量將會減少8 5 。使用再燃技術(shù)，常用的再燃 燃料有煤、天然氣和油。其中由于天然氣不含氮，具有較高的n o 。脫除率，所以是一種 最理想的再燃燃料【2 7 1 。除此以外，為了節(jié)省能源，現(xiàn)在正開發(fā)一些可替代的新型再燃燃 料如生物質(zhì)、含碳?xì)浠衔镙^高的廢舊物等。目前，關(guān)于再燃技術(shù)的研究已進(jìn)行了大量 的工作。c a s a c a 等【2 8 】利用實(shí)驗(yàn)裝置考察了生物質(zhì)作為再燃燃料時(shí)，顆粒尺寸影響n o x 還原率的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，存在一個(gè)最佳的粒徑分布，低于或高于這個(gè)粒徑分布， n o x 的還原率都減小。n i m m o 等2 9 1 對廢舊輪胎作為一種新型的再燃燃料進(jìn)行了深入研 究，研究表明，再燃區(qū)使用廢舊輪胎和煤的混合物，主燃區(qū)不論是煤還是丙烷，還原效 果都非常接近，在1 9 - 8 1 之間。h a m p a r t s o u m i a n 掣3 0 1 考察了煤種特性、再燃比、停 留時(shí)間等因素對先進(jìn)再燃技術(shù)的影響，并與普通再燃技術(shù)做了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使 用先進(jìn)再燃技術(shù)可降低n o x 8 5 。v i t a l i 等3 1 1 利用5 種生物質(zhì)氣化生成氣作為再燃燃料， 考察了再燃比對n o x 的影響。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，再燃比從0 增大到2 0 時(shí)，n o x 還原率與再燃比的變化趨勢一致，繼續(xù)增大再燃比，n o x 還原率基本不變或略有下降。 2 4 低n 0 ，排放技術(shù) 對燃燒過程中生成的n o x 實(shí)施控制是一項(xiàng)較為復(fù)雜的的技術(shù)，由于n o x 生成機(jī)理 不同，影響其生成量因素也各不相同，同一控制因素對它們的影響程度也各有差異，甚 至一項(xiàng)控制因素對一類的n o x 可以起到有效控制，但是對另外一種類型卻完全無效。例 如，降低燃燒溫度對熱力型n o x 非常有效，對于燃料型n o x 則沒有顯著影響。此外， 所采用的措施還必須考慮是否會影響到鍋爐的效率。因此，采用n o x 控制措施時(shí)，需要 9 * = 章n o x 控制拄$ 綜臺考慮各項(xiàng)因素。目前關(guān)于低n o x 排放技術(shù)可分為三大類：使用低氪燃料；基于改 變?nèi)紵龡l件控制n o ；生成的低n o 。燃燒技術(shù)；對燃燒產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行尾處理的煙氣脫 硝技術(shù)。其中，低n o ；燃燒技術(shù)包括低氧燃燒、空氣分級、燃料分級、煙氣再循環(huán)、濃 淡偏差燃燒、低n o ；燃燒器和爐內(nèi)噴射脫硝；煙氣脫硝技術(shù)包括干法和濕法脫硝兩大類。 在各類燃料中固體燃料的含氮量最高( o5 25 ) 原油次之( 1 左右) ，氣體燃 料最低( 天然氣中幾乎不含氮) 。固此，采用天然氣等氣體燃料是母好的選擇。 低氧燃燒就是使燃燒過程盡量在接近理論空氣量的條件下進(jìn)行。使煙氣中的過剩氧 量減少，從而降低燃燒生成的n o 。量，這種方法簡單經(jīng)濟(jì)，可使n 0 x 排放量降低15 2 0 0 0 。但同時(shí)也存在不利因索采用較低的過量空氣系數(shù)會導(dǎo)致鍋爐化學(xué)不完全燃燒損 失和機(jī)械不完全燃燒損失增大，降低了鍋爐燃燒效率。也容易導(dǎo)致爐壁結(jié)渣和腐蝕。 濃淡偏差燃燒技術(shù)依據(jù)n o x 對過量空氣系數(shù)的依賴關(guān)系，使部分燃料在空氣不足的 條件下燃燒，即燃料過濃燃燒：另一部分燃料在空氣過剩下燃燒也即燃料過淡燃燒。燃 燒過程中，過量空氣系數(shù)部不等于1 。這種方法又被稱為偏差燃燒或化學(xué)計(jì)量數(shù)配比燃 燒。對于燃料過濃燃燒，由丁氧量不足，燃燒溫度不高，所咀燃料型n o 。和熱力型n 仉 都很不高。燃料過淡部分因空氣量很大，燃燒溫度降低，使熱力型n o x 降低。使用這 種燃燒技術(shù)可減少n o 。排放量近3 0 ，通常多用于燃燒器多層布置的電站鍋爐。 空氣分級燃燒又稱為二級燃燒，如罔2 - 5 吲所不：一般將助燃風(fēng)( 二次風(fēng)) 單獨(dú)引入 圖2 - 5 空氣分緩燃燒示意圖 f i g2 - 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo fa i rs t a g e dc o m b u s t i o n t e c h n o l 0 2 ) 爐內(nèi)或燃燒器內(nèi)，引入爐內(nèi)的助燃風(fēng)稱為燃盡風(fēng)，它是指從原來的二次風(fēng)分出一股，在 主燃燒區(qū)的下游引入，從而使原來單一的二次風(fēng)變成了燃燒器的二次風(fēng)和爐膛燃盡風(fēng)兩 部分。在主燃區(qū)內(nèi)，燃料燃燒的空氣量占總空氣量的7 0 9 0 ，使燃料在缺氧的條件 墼，j法嘧 一 |*目霉 d | 匕大# 碩學(xué)位* i 下燃燒。由于過量空氣系數(shù)小于l ，導(dǎo)致主燃區(qū)的燃燒速度和溫度都降低，從而抑制了 燃料型n o i 的牛成量。通入的燃盡風(fēng)約占1 0 3 0 ，從主燃燒器的下游噴入，在空氣 過量的情況下完成燃燒過程。這一階段的燃燒溫度也較低，阻礙了熱力型n o 。的生成。 空氣分級燃燒技術(shù)是目前使用最為普遍的低n o ；燃燒技術(shù)之一。 常規(guī)的燃燒器易十產(chǎn)生較多的n 仉。從燃燒角度和n o x 生成機(jī)理看，不同結(jié)構(gòu)和形 式的燃燒器將形成不同的燃燒工況和n o x 生成特性。因此通過特殊設(shè)計(jì)的燃燒器結(jié)構(gòu) 及改變其運(yùn)行方式，并結(jié)合空氣分級、燃料再燃等低n o x 燃燒技術(shù)原理，從而設(shè)計(jì)出低 n 吼燃燒器。它可以用來控制燃料與空氣的混合特性，改善火焰結(jié)構(gòu)，降低燃燒溫度火 焰峰值，實(shí)現(xiàn)低n o ；排放?，F(xiàn)在有許多公司致力于開發(fā)低n 0 x 燃燒器扭| 英國的m i t s u i b a b c o c k e n e r g y 公司、美國b w 公司、a b b c e 公司等。在降低n 仉排放上，也取得r 不錯(cuò)效果。如a b b 公司開發(fā)的分離式燃燒器能達(dá)到3 0 6 0 的n 仉還原率p ”。圖2 - 6 是一個(gè)空氣分級型低n o 。燃燒器示意圖。 圖2 空氣分緩型低n o ，燃燒囂示意圈 f i g26s e h e m a l i cd i a g r a mo f l o wn o xh u r f l e ro f a i rs t a g e d 煙氣再循環(huán)技術(shù)是將部分低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t內(nèi)，或與空氣( 一次風(fēng)或二次風(fēng)) 混合 后送入爐內(nèi)這樣使?fàn)t內(nèi)溫度和氧含量降低，導(dǎo)致燃燒速度也隨之降低，因此抑制了爐 內(nèi)熱力型n o x 的生成。這種方法對于燃?xì)忮仩tn 吐的減排效果最為顯著，可減少 2 0 0 曠7 0 ；對于燃用重油的鍋爐也具有一定的效果，可降低n o ；含量1 0 0 o - 5 0 ：但對 于煤粉爐而言，由于燃燒生成的主要是燃料型n o 。，所以采用這種方式降低n o 。作用有 限n 0 。降低量在1 5 以下。在燃用著火困難的煤時(shí)受到爐溫和燃燒穩(wěn)定性降低的限 制，故不宣采用。煙氣再循環(huán)方法可以在一臺鍋爐上單獨(dú)使用，也可以和其它低n o x 燃燒方法配合使用。 爐內(nèi)噴射脫硝是在爐膛上方噴入某種物質(zhì)，能夠在一定條件下將主燃區(qū)燃燒生成的 第二章n o x 控制技術(shù) n o x 還原，以降低n o x 排放量。噴入的物質(zhì)可以是二次燃料也可以是氨或尿素等還原劑。 如果噴入的是二次燃料就是燃料分級燃燒。這樣由于二次燃料與氧氣的反應(yīng)，使得二次 燃料的消耗量增加，同時(shí)二次燃料的燃燒也使煙氣溫度上升，所以這種方法在實(shí)際應(yīng)用 中受到限制。如果噴入氨、尿素等還原劑，那么爐內(nèi)噴射脫硝又稱為選擇性非催化還原 法( s n c r ：s e l e c t i v en o n c a t a l y t i cr e d u c t i o n ) 。采用這種方法具有投資少、運(yùn)行費(fèi)用較低 和n o x 還原率較高等優(yōu)點(diǎn)。但是由于氨還原n o x 的反應(yīng)只能在一個(gè)狹窄的溫度范圍 ( 9 5 0 。c - - 一1 0 5 0 c ) 內(nèi)進(jìn)行，所以必須有良好的混合和反應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，爐內(nèi)噴氨存在n h 3 泄漏量過大等問題，應(yīng)用也受到一定限制。 干法煙氣脫硝技術(shù)包括采用催化劑促進(jìn)n o x 還原的選擇性催化還原法( s c r ： s e l c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ) 、電子束照射法、脈沖電暈等離子體法等。s c r 技術(shù)就是將 氨氣作為還原劑噴入煙道氣流中，混合后的氣體通過催化劑層時(shí)，在催化劑的作用下， n o x 與氨氣發(fā)生還原反應(yīng)生成氮?dú)夂退?，從而降低n o x 排放量。該法所用催化劑主要有 鈦、鐵的氧化物或活性焦炭。前者的反應(yīng)溫度在3 0 0 - - 4 0 0 ，后者在1 0 0 1 5 0 。c 。 使用該法程序簡單，可減少n o x 8 0 - - - 9 0 ，并適合較大容量的煙氣處理，所以目前得 到廣泛應(yīng)用。電子束和脈沖電暈等離子體法是近年發(fā)展起來的新型干法煙氣同時(shí)脫硫脫 硝工藝。二者的脫硝脫硫原理相近，都是通過特殊裝置產(chǎn)生的電子將煙氣中的氧、水蒸 汽等分子激發(fā)轉(zhuǎn)化為氧化能力很強(qiáng)的o h 、o 和n 0 2 等游離基，這些游離基團(tuán)使煙氣中 的硫氧化物和氮氧化物很快被氧化，產(chǎn)生中間產(chǎn)物硫酸和硝酸，再與預(yù)先加入反應(yīng)器中 的氨氣反應(yīng)生成硫酸銨和硝酸銨。 濕法煙氣脫硝技術(shù)主要是利用強(qiáng)氧化劑將煙氣中的n o 氧化成為n 0 2 ，然后再用水 吸收，生成硝酸溶液。該法脫硝率比較高達(dá)到9 0 以上，但整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜，存在二次污 染，現(xiàn)在已經(jīng)很少被采用。 1 2 西北大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1 引言 第三章爐內(nèi)燃燒降低n 0 。的數(shù)學(xué)模型 鍋爐燃燒是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，包含湍流流動、傳熱、傳質(zhì)及湍流燃燒 等。其燃燒方式可分為固定床、流化床和氣流床。隨著計(jì)算流體力學(xué)( c f d - c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 的出現(xiàn)與發(fā)展、燃燒理論和數(shù)值方法的結(jié)合，對于爐內(nèi)燃燒過程的預(yù)測 逐步從可能變成現(xiàn)實(shí)，尤其是關(guān)于氣流床的燃燒模擬已經(jīng)日趨成熟。s m o o t 3 4 1 對煤粉鍋 爐燃燒過程的全模擬發(fā)展過程作了較為全面的綜述，概括起來主要有三個(gè)階段： 模型的發(fā)展與完善階段：主要集中在七十年代。代表性的有g(shù) i b s o n 的化學(xué)動力學(xué) 模型；s p a l d i