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第五章煤炭洁净燃烧技术

第五章 煤的洁净燃烧技术 要 点 燃煤锅炉的低NOx燃烧技术 循环流化床燃烧技术 增压流化床燃烧联合循环发电技术 整体煤气化联合循环发电 概 述 将煤炭直接燃烧所产生的能量进行直接利用或转化为其它能量的形式(如电能),仍然是目前煤炭资源最为重要的转化方式和利用手段; 目前消费的煤炭大约有95%是以燃烧方式利用的; 煤炭利用过程中的污染物主要产生于其燃烧过程。如煤中的灰分在燃烧后会形成细的颗粒物直接污染大气;煤中的硫分在燃烧后会形成SO2,它是酸雨的主要来源;煤中的氮分燃烧后会形成NOx污染大气; 概 述 煤炭可以通过燃前净化来达到减少污染排放的目标。但也可以通过燃烧过程的控制来实现污染物的排放量的减少。包括改变燃料性质、改进燃烧方式、调整燃烧条件、适当加入添加剂等方法来控制污染物的生成,从而实现污染物排放量的减少,这也是洁净煤技术的一个重要手段,称为煤的洁净燃烧技术。 煤的燃中净化技术对污染物控制的效率稍低于烟气净化,但投资和运行成本要低于烟气净化,经济效益高。 目前成熟洁净燃烧技术包括:煤粉低NOx燃烧技术、循环流化床燃烧和水煤浆燃烧技术。 第一节 燃煤锅炉的低NOx燃烧技术 一、基本概念 煤燃烧过程中,NOx生成物主要是NO和NO2,其中尤以NO最为重要,常规燃煤锅炉中NO生成量占NOx的总量的90%以上,NO2只是在高温烟气在急速冷却时由部分NO转化生成的。 本节讨论的NOx主要涉及的是NO和NO2。 第一节 燃煤锅炉的低NOx燃烧技术 二、燃煤锅炉NOx的生成机理 根据NOx中的N的来源及生成途径,燃煤锅炉中NOx的生成机理可以分为三类:热力型、燃料型和快速型,其中燃料型占主导作用。 试验表明:燃煤过程中生成的NOx中NO占总量的90%以上,NO2只占5%~10%。 第一节 燃煤锅炉的低NOx燃烧技术 图5-1 炉膛内不同类型的NOx的生成量与炉温的关系 第一节 燃煤锅炉的低NOx燃烧技术 (1)热力型NOx 热力型NOx是参与燃烧的空气中的N在高温下氧化产生的,其生成过程是一个链式反应,又称为捷里多维奇机理。 考虑到下列反应: 则称为扩大的捷里多维奇机理。 第一节 燃煤锅炉的低NOx燃烧技术 (1)热力型NOx 由于N-N(三价键)的键能很高,室温下,空气中的N2非常稳定,几乎没有NOx生成。但随着温度的升高,化学反应速率是按指数倍迅速增加的。 实验表明:当温度超过1200oC时,已经有少量的NOx生成,超过1500oC时,温度每增加100oC,反应速率将增加6~7倍,NOx的生成量明显增加。 第一节 燃煤锅炉的低NOx燃烧技术 (1)热力型NOx 但从总体来说,热力型NOx产生的反应速度要比燃烧时反应速度慢,而且温度对其生成起着决定性作用,因此,在锅炉燃烧时可以通过降低火焰温度、控制氧气浓度以及缩短煤在高温区的停留时间来抑制热力型NOx的生成,所以,通常在燃烧过程中,热力型NOx可以不予考虑。 第一节 燃煤锅炉的低NOx燃烧技术 (2)快速型NOx 快速型的NOx中N的来源也是空气中的氮,但它遵循一条不同于捷里多维奇机理的途径而快速生成。 通常认为是由于燃烧过程中,煤炭挥发分中的碳氢化合物在高温条件下发生热分解,生成活性很强的碳化氢自由基(CH、CH2)这些活化的CHi与空气中的N2反应形成中间产物HCN、NH和N等,再进一步氧化而形成的NO,实验表明这个过程只需60ms,故称快速型NOx。 第一节 燃煤锅炉的低NOx燃烧技术 图5-2 煤粒周围NOx的生成机理 第一节 燃煤锅炉的低NOx燃烧技术 (3)燃料型NOx 由燃料中的N氧化而生成的NOx称为燃料型NOx; 燃料型NOx是煤粉燃烧过程中NOx的主要来源,占总量的60%~80%; 由于煤的热解温度低于其燃烧温度,因此在600~800oC时就会生成燃料型NOx,而且其生成量受温度影响不大。 煤的N含量在0.4~2.9%之间,在通常燃烧条件下,燃煤锅炉中大约只有20~25%的燃料N转化为NOx。 第一节 燃煤锅炉的低NOx燃烧技术 (3)燃料型NOx 煤中绝大多数的N都是以有机N的形式存在,在燃烧过程中,一部分含氮的有机化合物挥发并受热裂解生成N、CN、HCN和NHi等中间产物,随后再被氧化生成NOx;另一部分焦炭中剩余氮在焦炭燃烧过程中被氧化成NOx,因此燃料型NOx又分为挥发分NOx和焦炭NOx。 由于燃料型NOx生成量受燃烧过程中的空气量影响很大,常用过量空气系数(α)来表示燃烧过程空气量的多少,当α1时,表示空气过量,当α1时表示空气量不足,由下图可见,随着α的减少,燃料型NOx的生成量逐渐降低。这对于研究和开发燃料型NOx的控制技术相当重要。 第一节 燃煤锅炉的低NOx燃烧技

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