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1、3 煤的清洁燃烧技术能源清洁利用能源清洁利用3.0 导论?消费的煤炭大约95%是以燃烧方式利用?煤炭利用过程中污染物主要产生于燃烧过程:灰分颗粒物，硫-SO2,酸雨，氮NOx，重金属与有机污染物?方法：改变燃料性质，改变燃烧方式，调整燃烧条件，适当增加添加剂煤的现金燃烧技术?优缺点：控制效率低于烟气净化，但成本低，商业竞争力强；燃烧过程复杂，控制及其优化需很高的管理水平与技巧?主要技术：煤粉炉低NOx燃烧；循环流化床燃烧；水煤浆燃烧煤粉炉及循环流化床煤粉炉vs链条炉?煤经过研磨得到的煤粉，颗粒很小、燃烧完全煤经过研磨得到的煤粉，颗粒很小、燃烧完全?机械不完全燃烧损失、化学不完全燃烧损失和炉膛出
2、口过量空气系数均比链条炉低，热效率比链条炉高机械不完全燃烧损失、化学不完全燃烧损失和炉膛出口过量空气系数均比链条炉低，热效率比链条炉高?煤粉炉是室燃炉，采用悬浮燃烧，因此负荷调整比链条炉迅速煤粉炉是室燃炉，采用悬浮燃烧，因此负荷调整比链条炉迅速?有完善的制粉系统，可以燃用劣质煤，而链条炉不但对煤的粒径有一定要求，而且要求燃用水分、灰分含量低，灰分熔点高，不具有强烈结焦性的优质煤有完善的制粉系统，可以燃用劣质煤，而链条炉不但对煤的粒径有一定要求，而且要求燃用水分、灰分含量低，灰分熔点高，不具有强烈结焦性的优质煤?煤粉炉需要庞大复杂的制粉设备，占地较大，投资较多，厂用电量增加，而且制粉系统工作时噪
3、声较大，制粉和燃烧系统以及锅炉的对流受热面磨损比较严重，维护工作量较大煤粉炉需要庞大复杂的制粉设备，占地较大，投资较多，厂用电量增加，而且制粉系统工作时噪声较大，制粉和燃烧系统以及锅炉的对流受热面磨损比较严重，维护工作量较大?只有大、中型锅炉采用煤粉炉才能利大于弊，而小型锅炉很少采用。只有大、中型锅炉采用煤粉炉才能利大于弊，而小型锅炉很少采用。循环流化床流化床vs煤粉炉-优点1.对燃料适应性特别好2.燃料系统比较简单3.负荷的调节范围宽，调节性能好4.燃烧污染物排放低5.燃烧效率高6.给煤点数量少，布置简单7.燃烧热强度大，炉内传热能力强1.对燃料适应性特别好2.燃料系统比较简单3.负荷的调节
4、范围宽，调节性能好4.燃烧污染物排放低5.燃烧效率高6.给煤点数量少，布置简单7.燃烧热强度大，炉内传热能力强流化床在环保上的优势1 属于低温燃烧，NOx排放远低于煤粉炉，200ppm2.燃烧过程中直接脱硫，效率高且技术设备经济简单，其初投资及运行费用远低于煤粉炉加烟气脱硫（PC FCD）。以130t/h、220t/h、410t/h测算（按年运行5000小时、脱硫效率80%），每台锅炉每年可分别燃用劣质煤12万吨、19万吨、35万吨；减排二氧化硫2784吨、4560吨、8502吨；节约脱硫费用分别为222万元、364万元、680万元，而且减少了大量劣质煤的占地问题3.燃料适应性广且燃烧效率高，
5、特别适合于低热值劣质煤4.排出灰渣活性好，易实现综合利用，无二次灰渣污染5.负荷调节范围大，低负荷可降到满负荷的30左右流化床vs煤粉炉-缺点1、锅炉部件的磨损较严重、锅炉部件的磨损较严重2、风机电耗大、烟风道阻力高、风机电耗大、烟风道阻力高3、流化床锅炉耐火耐磨层的磨损、开裂和脱落、流化床锅炉耐火耐磨层的磨损、开裂和脱落4、循环流化床锅炉尾部受热面的磨损比煤粉炉大、循环流化床锅炉尾部受热面的磨损比煤粉炉大5、循环流化床锅炉的核心部件风帽较易磨损、循环流化床锅炉的核心部件风帽较易磨损6、点火启动时间长、点火启动时间长7、运行、运行维护费用较高，运行周期短费用较高，运行周期短8、循环流化床锅炉对
6、燃煤粒径要求严格、循环流化床锅炉对燃煤粒径要求严格9、循环流化床锅炉实现自动化控制难度大、循环流化床锅炉实现自动化控制难度大3.1 燃煤锅炉低NOx燃烧技术3.1.1 NOx生成机理-热力型-燃料型-快速型热力型NOx?空气中的N在高温下氧化而成?不分支的链式反应-捷里多维奇机理?扩大的捷里多维奇机理热力型NOx-化学反应速率（化学动力学）化学动力学的发展概况化学动力学的发展概况?质量作用定律质量作用定律?阿仑尼乌斯公式阿仑尼乌斯公式?碰撞理论碰撞理论?过渡状态理论过渡状态理论?分子反应动力学分子反应动力学化学动力学的发展概况化学动力学的发展概况?宏观反应动力学：从宏观的角度研究反应的机理和动
7、力学行为，各种宏观因素对速率的影响宏观反应动力学：从宏观的角度研究反应的机理和动力学行为，各种宏观因素对速率的影响?元反应动力学：借助统计力学的方法，从微观分子反应的动力学行为特征出发，研究宏观元反应动力学。元反应动力学：借助统计力学的方法，从微观分子反应的动力学行为特征出发，研究宏观元反应动力学。?分子反应动力学：借助量子力学的方法，通过对分子束散射技术和远红外化学冷光等现象的研究，探究分子经碰撞发生化学反应的动力学行为及能量传递和变化等问题。分子反应动力学：借助量子力学的方法，通过对分子束散射技术和远红外化学冷光等现象的研究，探究分子经碰撞发生化学反应的动力学行为及能量传递和变化等问题。1
8、.反应速率反应速率“速度速度”矢量，矢量，“速率速率”标量，习惯上以作用物浓度表示 以产物浓度表示通 式标量，习惯上以作用物浓度表示 以产物浓度表示通 式tcrddBB=tcrddBB=tcrdd|BBBB=严格定义为反应进度随时间的变化率严格定义为反应进度随时间的变化率（d/dt）对恒容反应：）对恒容反应：|dd1dd1BBBBrtctVr=对反应对反应 aA+fF xX+yY：或：或：tcytcxtcftcardd1dd1dd1dd1YXFA=yrxrfrarrYXFA=0质量作用定律反应速度常数热力型NOx Arrhenius定律（k-T）Arrhenius定律基元反应的活化能例-反应活
9、化能的求解例-反应活化能的求解例-轮胎硫化程度的计算热力型NOx?室温下，几乎没有NOx生成?随温度升高，化学反应速率按指数规律迅速增加?温度超过1200C，少量NOx生成?超过1500C，生成量明显增加?因为，每升高100C，反应速率将增加6-7倍热力型NOx?1200-1700C下)/69090exp(10622/122/116NOTTdtNOd=)/69090exp(2/1TT5.42671E-2017004.41125E-2116002.56065E-2215009.87423E-2414002.30116E-2513002.85696E-271200化学热力学分析-平衡常数kp化学热
10、力学分析-平衡常数kpNO,NO2平衡浓度比较?温度大于1200C时，NO1000ppm，NO2可以忽略不计?烟气温度降低至排烟温度水平时，理论上NO2多，但实际9095%仍为NO快速型NOx?燃料燃烧时产生的烃（CHi）撞击燃烧空气中的N2生成CN,HCN?在高温下氧化而成NOx，60ms?费尼莫（Fenimore）机理费尼莫机理-四组反应?（a）?反应活化能小，速度快?第一个反应为最重要反应费尼莫机理-四组反应?（b）HCN及CN与O,OH原子团生成NCO?（c）NCO进一步被氧化成NO费尼莫机理-四组反应?（d）HCN浓度达到最高点进入下降阶段后，存在大量氨化物（NHi）?氨化物和氧原子
11、快速反应生成NO费尼莫机理-各种成分沿火焰长度分布燃料型NOx?燃料中的N生成（煤中含氮量0.52.5%）?主要来源，占60-80%?煤中氮有机化合物的C-N结合键能（25-63*10E+7 J/mol）比空气中氮分子键能（94.5*10E+7 J/mol）小的多，燃烧时易分解?600-800C产生，受温度影响不大燃料型NOx生成机理挥发分N及焦炭N?挥发分N中主要是HCN及NH3?大致规律为：烟煤中，HCN多；劣质煤：NH3多；烟煤：均较少HCN被氧化途径NH3被氧化途径燃料型NOx生成机理燃料型NOx?主要来源于挥发分N，占6080%?原因一：焦炭N生成NO的反应活化能大?原因二：焦炭表面
12、C及CaO的还原作用NOx的破坏?还原气氛NOx燃料分级还原的反应途径燃料型NOx-过量空气系数和温度的影响不同燃煤锅炉原始NOx排放量NOx排放控制的简单线算法3.1.2 燃煤锅炉的低NOx燃烧技术?燃料型NOx:生成的竞争反应?热力型NOx:缺氧，降温，少停留时间?但与降低飞灰含碳量及提高燃尽率相矛盾?目前技术：低NOx燃烧器；空气分级燃烧；燃料分级燃烧；烟气再循环燃煤锅炉低NOx燃烧控制系统1）低NOx燃烧技术-烟气再循环?烟气温度低140-180C?含氧量也较低8%?再循环率提高有限度（15-25%，NOx降25%）?系统复杂，增加投资烟气再循环率与NOx排放量关系?热力型生成比例较小
13、，对降低总NOx排量作用也较小2)低NOx燃烧技术-空气分级燃烧?思路：通过调整燃烧器及其附近区域或是整个炉膛区域内空气和燃料的混合状态，在保证总体过量空气系数不变的基础上，使燃料经历“富燃料燃烧”和“富氧燃尽”两个阶段，实现总体NOx排放量大幅下降的燃烧控制技术?富燃料阶段：温度低，热力型NOx少；还原气氛，部分NOx被还原；?富氧燃尽：温度低，新生成NOx有限低NOx燃烧技术-空气分级燃烧（A）燃烧器设计a）同轴燃烧）同轴燃烧低NOx燃烧技术-空气分级燃烧b）直流燃烧器浓淡燃料燃烧b）直流燃烧器浓淡燃料燃烧低NOx燃烧技术-空气分级燃烧c）旋转燃烧器空气分级PM型直流煤粉燃烧器型直流煤粉燃
14、烧器NOx生成特性曲线生成特性曲线DRB型煤粉燃烧器几种常见的低NOx旋流燃烧器及其特点(B)我国-船体燃烧器(一次风稳燃体)（C）炉膛布风a)一级燃烧区内的过量空气系数?a=0.8时NOx生成比正常时（a=1.2)时低50%?燃料含氮量越高，NOx生成量越高a)一级燃烧区内的过量空气系数?a0.6时，HCN及NH3含量增高，除还原NOx外，在上部富燃料区转换为NOx?a一般不低于0.7b)一级燃烧区内的过量空气系数-温度的影响?最佳a=0.75c)一级燃烧区内的过量空气系数-停留时间的影响d)空气分级技术的效果d)空气分级技术的效果3)燃料分级燃烧技术燃料分级燃烧原理4）可以同时脱硫的低NOx燃烧器3.1.3 低NOx燃烧技术a)低低NOx燃烧器及空气分段燃烧燃烧器及空气分段燃烧a)低低NOx燃烧器及空气分段燃烧燃烧器及空气分段燃烧b)低低NOx燃烧器及天然气再燃燃烧器及天然气再燃b)低低NOx燃烧器及天然气再燃燃烧器及天然气再燃