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1、,燃料分级燃烧降低NOx排放技术,高文静 2011年11月10日,基本内容目录,1、NOx的危害及排放情况 2、氮氧化物的产生机理 3、降低NOx排放的主要措施 4、燃料分级燃烧低NOx燃烧技术,。,1.1 NOx的危害,局地：NO2空气污染，刺激呼吸系统 区域：酸沉降， NOX对HxOy化学过程影响可改变SO2在大气中转化速率，影响硫酸盐沉降 生态系统退化及富营养化 光化学烟雾产生O3强氧化剂 形成细粒子(PM10/PM2.5) 大气能见度降低 全球：气候变化，平流层O3,1.2 我国NOx的排放情况（一）,19802000年： GDP年均增长率 9.7% 能源消费年均增长 3.9% NOX
2、排放年均增长 4.6% 能源消费弹性系数： 0.41 NOX排放弹性系数： 0.48,NOX排放大省： 河北、辽宁、江苏、山东、广东、山西、河南、四川等 80以上在中东部地区,1.2 我国NOx的排放情况（二）,90%左右NOX排放源于 火力发电、工业、交通运输,1.2 我国NOx的排放情况（三）,各经济部门NOX排放量,不同燃料品种对NOX排放贡献,1.3 未来NOx排放总量发展趋势,2.1 NOX的种类,热力型NOX 燃料型 NOx 快速型NOx,2.2 热力型NOx生成的机理,热力型NOx是空气中的N2在高温下氧化而生成的,N2+O=NO+N N+O2=NO+O N+OH=NO+H,温度
3、高于1500，热力型NOx的生成反应明显。温度对热力型NOx的生成浓度具有决定性的影响,降低燃烧温度，避免产生局部高温区； 缩短烟气在炉内高温区的停留时间； 降低烟气中氧的浓度和使燃烧在偏离理论空 气量的条件下进行,2.3 燃料型NOx的生成机理（一）,有机化合物：C-N结合键能(25.565)107J/mol,氮气：NN键能(94.5107J/mol),挥发分N ：HCN（主要中间产物） NH3和CN （主要来源）,焦炭N ：挥发分N析出后仍残留在焦炭 中的氮化合物,NH3氧化的主要反应途径,挥发分N中HCN氧化的主要反应途径,2.3 燃料型NOx的生成机理（二）,空气中的氮和燃料中的碳氢离
4、子团反应，反应产物进一步氧化形成NOX.,CH+N2 = HCN + N CH2+N2 = HCN + NH,2.4 快速型NOx的生成机理,90%以上的快速型NOx是经HCN产生的,燃料型NOx占NOx总生成量的6080以上； 热力型NOx在温度足够高时，可占到NOx总量的20； 快速型NOx的生成量很小。,2.5 各类型NOx的生成量和温度的关系,3.1 低NOx燃烧技术策略 降低燃烧室内火焰的峰值温度（Tmax）； 减少气体在火焰区的停留时间（t）； 降低火焰区的氧气浓度（O2）； 加入NOX还原剂等,1. 低过剩空气系数：15%20% 削减率； 2. 空气分级燃烧：天然气锅炉可降低60
5、%70%，而燃煤和燃油锅炉可降低排放40%50% ； 3. 烟气再循环：烟气再循环率为15%20%时，大型煤粉炉NOX排放浓度可降低25%左右； 4. 注入水或蒸汽：可使燃烧气体的燃气轮机NOX还原效率高达80% ； 5. 燃料分级或再燃烧技术： NOX排放浓度降低50%以上； 6. 低NOX燃烧器： NOX削减率通常在30%60%之间 。,3.2 低NOX排放燃烧技术,燃料分级燃烧原理示意图,4.1 燃料分级燃烧原理(一）,4.1 燃料分级燃烧原理（二）,再燃区富燃料燃烧氮氧化物的还原反应： 4NO + C H 42N 2 + CO 2 + 2 H 2 O (1) 2NO + 2C n H
6、m + (2n + m/ 2 - 1) O 2 N 2 + 2nCO 2 + m H 2 O (2) 2NO + 2CO N 2 + 2CO 2 (3) 2NO + 2C N 2 + 2CO (4) 2NO + 2 H 2 N 2 + 2 H 2 O (5),4.1 燃料分级燃烧原理（三）,燃料分级燃烧技术的主要影响因素： 再燃燃料的种类（CHi） 再燃区内过量空气系数（0.9） 再燃区内温度（1200） 再燃区停留时间（一般要求0.70.9s） 再燃量（10%20%） 再燃区混合状况,4.2 天然气再燃降低NOx排放,优点： 天然气本身不含氮、灰和硫，因此它不会加重NOx的排放水平； 不会产
7、生腐蚀性化合物； 比其它燃料产生更多的烃根。 被认为是最理想、使用也最为广泛的再燃燃料。,4.3 生物质再燃技术,生物质优点: 几乎不含硫 含灰量低 ,一般在 1 %5 %之间 灰分中含有钠盐、钾盐等碱金属盐对 NO x 的还原具有催化作用。 生物质挥发份很高 ,易于着火 , 具有可再生性和 CO 2 的净排放性。,缺点 ： 生物质能量密度低 灰熔点低 ,易结渣等问题难以解决。,4.3 生物质再燃的研究现状,山东大学： 脱硝效率达到了8592%，此时再燃燃料的热量占1520%,葡萄牙里斯本高级技术学院： 生物质再燃，生物质颗粒有一个最佳粒径范围,超细煤粉： 通常泛指粒度小于40m的煤粉。,超细
8、煤粉再燃的优势： 挥发分析出速度加快 燃烬特性好 煤粉相对成本较低 供应及应用方便 脱硝率达50%70%。 一次燃料、二次燃料种类相同,4.4 超细煤粉再燃技术,4.5 气化煤制气再燃降低NOx排放技术（一）,煤气化技术 小型的气化炉，煤粉部分气化产生的粗煤气作为气体再燃燃料。 气化炉下部出来的半焦则通过煤粉管道送入一次风喷口再燃烧。,1煤粉仓；2锁气器；3加压仓；4压缩空气；5煤粉空气水蒸汽混合物；6水蒸汽；7气化炉；8煤制气出口；9半焦及灰渣；10燃烧炉一次风；11再燃燃料喷口； 12主燃料喷口；13燃烧炉.,4.5 气化煤制气再燃降低NOx排放技术（二）,如果再燃量过大，将会降低再燃燃料
9、的燃烬率 炉膛内壁还原性腐蚀和灰熔点降低 燃烬区温度过高 因此，必须根据实际情况确定合适的再燃燃料量。,4.6 再燃技术存在的问题,4.7 先进再燃脱硝（一）,先进再燃(advanced reburning)是一种将再燃和选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction，SNCR)相结合的脱硝技术。 在再燃的基础上将氨、尿素等作为 NO x 还原剂喷入到再燃区、燃尽区及其下游，通常可以取80%90%的脱硝效率,4.7 选择性非催化还原( SNCR) 技术（二）,选择性非催化还原( SNCR) 技术属于燃烧后控制技术 ,是将带有氨基物质在没有催化剂的情况下 ,
10、由泵喷射入炉内在一定条件下 ,与 NO x 反应还原生成无毒无害的氮气和水。 尿素溶液的喷入点的温度合适的范围在 800 1 000 。 脱除效率可以达到 40 %80 %。,4.4 CO再燃降低NOx排放的反应机理（四）,反应温度是影响 SNCR 过程的主要因素。,尿素溶液还原 NO x 的化学反应方程式为: CO (N H 2 ) 2 + H 2 O 2N H 3 + CO 2 (1) 4N H 3 十 4NO + O 2 4N 2 + 6 H 2 O (2) 8N H 3 + 6NO 2 7N 2 + 12 H 2 O (3) 在尿素还原 NO x 的同时 ,也会发生从尿素溶液挥发出来的
11、 NH 3 分子与 O 2 的反应： 4N H 3 + 5O 2 4NO + 6 H 2 O (4) 4N H 3 + 3O 2 2N 2 + 6 H 2 O (5),4.7 选择性非催化还原( SNCR) 技术（三）,4.7 先进再燃脱硝（四）,再燃与先进再燃示意图,4.8 第二代先进再燃（SGAR）（一） Second generation advanced reburning,SGAR的优点： 脱硝效率95%，成本为SCR的一半 氨剂可喷入再燃区 添加剂可提高再燃和氨剂的还原效果 添加剂可以从不同位置随氨剂或单独喷入 技术关键: 添加剂在再燃和SNCR过程中的增效作用,4.8 第二代先进
12、再燃（SGAR）（二）,1.异相反应 焦炭与NO反应 催化能力：KNaCaCuFe 催化剂的作用：降低反应活能，增大频率因子，强化煤焦与NO的还原反应。,添加剂催化机理,4.8 第二代先进再燃（SGAR）（三）,主、再燃过程中CO的反应途径,2.同相反应（实际再燃中起决定性作用）,4.8 第二代先进再燃（SGAR）（四）,含钠催化剂 主燃区: H + OH H2O 抑制主燃区NOx的生成。 再燃区: OH浓度的降低，抑制了CHi的消耗 CH + NO HCN + O CH3 + NO HCN+ H2O HCCO+ NO HCN+CO2 含铁催化剂 促使OH、O的减少 也可直接催化NOx为N2:
13、 3CO+ Fe2O3 3CO2 + 2Fe 2Fe+ 3NO 3/2N2 + Fe 2O3,4.8 第二代先进再燃（SGAR）（五）,SNCR 添加剂 添加剂的种类：烃类、一氧化碳、碱金属化合物( NaOH, Na 2 CO 3 , H COONa, CH 3 COON a 和NaN O 3 等) 、酯、醇、苯酚、醚、羧基酸和醛 CO和CH 4 降低了最佳反应温度, 拓宽了最佳反应温度窗口 CH 3 OH 和C 2 H 5 OH , 略有提高低温区N O 还原率 苯降低了最佳反应温度100 K 150 K.,4.8 第二代先进再燃（SGAR）（六）,4.8 第二代先进再燃（SGAR）（七）,SNCR 添加剂的作用 拓宽氨剂还原NO x 的温度窗口 提高NO x 还原效率 减少二次污染气体排放,4.8 第二代先进再燃（SGAR）（八）,技术发展方向： 深入研究添加剂对再燃、氨剂还原NO x 的增效机理 依此筛选制备经济高效的添加剂 进一步研究先进再燃中各过程的协同反应条件,谢谢！,