燃煤锅炉分级燃烧过程的数值模拟.pdf

硕士学位论文 y 8 2 5 0 6 4 燃煤锅炉分级燃烧过程的数值模拟 N u m e r i c a ls i m u l a t i o no nc l a s s i f i c a t i o nc o m b u s t i o n i nac o a l - f i r e d u t i l i t yb o i l e r 作者姓名奎羞 学科、专业塞全拉盔丞王猩 学号2 Q 3 Q 2 ≥2 2 指导教师生盟扭熬援 完成日期2 Q Q 生1 2 目 大连理工大学 D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 污染物N O x 的排放日益严重地影响着环境、气候和人类的健康，火电厂燃煤产生 的N O x 是排放的主要来源。为了解决电站锅炉排放的N O x 对环境的污染问题，许多控 制N O x 排放的技术应运而生，其中锅炉分级燃烧就是其中一种。本文针对空气分级燃 烧和天然气再燃过程进行了一系列探索性的研究。 建立了煤粉扩散燃烧和污染物N O x 生成．还原模型，采用计算流体力学方法，对煤 粉锅炉空气分级燃烧进行了数值模拟，研究了一级二级空气的配比、一级燃烧区长度、 过量空气系数等参数对N O x 排放和锅炉热效率的影响 1 N O x 的排放量随着分级风 量的增加而减少，但在分级风量大于2 0 ％后，不完全燃烧产物迅速增加一级燃烧区长 度的增大使得N O x 的排放量明显减少，这是增大了N O x 在还原区的停留时间所致；在 过量空气系数逐渐增大的过程中，N O x 的排放呈现先增大后减少的趋势N O x 的排放 量随着煤粉细度的变小而增大。 2 通过对锅炉是否进行空气分级燃烧时N O x 排放的 比较，发现锅炉空气分级燃烧能有效地降低N O x 的排放量。当空气分级比在8 0 ～9 0 ％， 一级燃烧区长度在3 ～3 ．5 m 以及空气过量系数为1 ．3 ～1 ．5 时，综合效果较好。 为了在保证锅炉热效率的同时降低N O x 的排放，在空气分级燃烧技术的基础上引 出了再燃烧技术，并对天然气再燃燃烧过程进行了数值模拟，探讨了再燃量、再燃区长 度、再燃区过量空气系数等参数对N O x 排放和锅炉热效率的影响趋势 1 N O x 的排 放量随着再燃量的增加而减少，在再燃量大于2 0 ％后，N O x 的降低幅度变得不明显； 再燃区长度的增加使得N O x 的排放量明显减少；在再燃区过量空气系数增大的过程中 N O x 的排放量逐渐增大。当再燃量为1 0 ～2 0 ％，再燃区长度为2 ～4 m 以及再燃区空气 过量系数为0 ．8 ～0 ．9 时，综合效果较好。 2 通过对天然气再燃与煤粉再燃对锅炉N O x 排放的比较，发现天然气再燃时，N O x 的脱除率要高于煤粉再燃。 3 通过对锅炉再 燃燃烧与空气分级燃烧技术的比较，结果表明，二者各有优劣。在排放标准严格或燃用 低挥发份劣质煤种时，再燃技术综合效果较好。 关键词低N 0 x 燃烧；再燃；N 0 x ；数值模拟 李芳燃煤锅炉分级燃烧过程的数值模拟 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fS t a g e dC o m b u s t i o ni nAC o a l F i r e dU t i l i t yB o i l e r A b s t r a c t N O xe m i s s i o nm o s t l yc o m ef r o mc o a l f i r e de l e c t r i c a lp o w e rp l a n ti n c r e a s i n g l yi n f l u e n c e s t h ee n v i r o n m e n t , w e a t h e ra n dh u m a nh e a l t h ．Al o to ft e c h n o l o 西e so fc o n t r o l l i n gN O x e m i s s i o nh a v eb e e np r o p o s e ds u c ha ss t a d e dc o m b u s t i o n 。历en u m e r i c a ls i m u l a t i o nO R a i r - s t a g e dc o m b u s t i o na n df u e l ．s t a g e dc o m b u s t i o nw e r ep r o d u e t e di n t h i sp a p e r ．T h em a i n W O r ka n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ．． B a s eo nt h ep u l v e r i z e dc o a lb u n t i n gm o d ea n dt h ep o l l u t a n tN O Xp r o d u c t i o n d e o x i d i z a t i o nm o d e l ．e g u a t i o n sd e s c r i b i n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s sw e r es e tu pa n dt h e p r o c e s so fs t a g e d - a i rc o m b u s t i o ni nC O a l - f i r e db o i l e ri Ss i m u l a t e dw i t hf i n i t ev o l u m em e t h o d ． t h ei n f l u e n c e so f t h ep a r a m e t e r ss u c h 黜s t a g e d - a i rp r o p o r t i o n , p r i m a r yz o n el e n g t ha n de X C e S S a i rc o e 街c i e n to nN O xe m i s s i o na n db o i l e rh e a te f f i c i e n c yw e r eo b t a i n e d 1 t h eN O x e m i s s i o nr e d u c e sw i t ht h ei n c r e s s eo fs t a g e d - a i rp r o p o r t i o na n dp r i m a r yb u r n i n gl e n g t h ，b u t w h e nt h es t a g e d - a i rp r o p o r t i o ni s1 a r g e rt h a n2 0 ％．t h ei n c o m p l e t ec o m b u s t i o np r o d u c t i o n s i n c r e a s er a p i d l y ；w i t ht h ei n c r e a s eo fe X C e S Sa i rt o e 伍c i e n t 。N O xe m i s s i o np r e s e n t st h e t e n d e n c yo fi n c r e a s ef i r s ta n dr e d u c t i o na f t e r w a r d s ；T h eN O xe m i s s i o ns l i g h t l yi n c r e a s e s a l o n gw i t ht h ed e g r e eo ff i n e n e s so fp o w d e r e d c o a l ． 2 C o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a l c o m b u s t i o n ．t h ea i r - s t a g e dc o m b u s t i o nC a ne f f e c t i v e l yr e d u c e sN O xe m i s s i o n ．、釉e nt h e a i r - s t a g e dp r o p o r t i o ni S8 0 , - - 9 0 ％，p r i m a r yz o n e1 e n 窑t hi s3 ≈．5 ma n de X c e S Sa i rc o e f f i c i e n ti s 1 ．3 - 1 ．5 ，t h ec o m p r e h e n s i v ee f f e c ti sg o o d ． I no r d e rt or e d u c eN O xe m i s s i o na n dm a i n t a l nt h eb o i l e rt h e r m a le 撬c i e n c y ，t h e f u e l - s t a g e dc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yw i t hn a t u r a lg a s i sp r o p o s e di nt h ef o u n d a t i o no ft h e a i r - s t a g e dc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y ．n ei n f l u e n c e so ft h ep a r a m e t e r ss u c ha sn a t u r a lg a s p r o p o r t i o n ，r e b u m i n gz o n el e n g t ha n de K c e s sa i rt o e 蚯c i e n ti nt h er e b u m ／n gz o n eo nN 0 x e m i s s i o na n db o i l e rh e a te f f i c i e n c yw e r eo b t a i n e db ys i m u l a t i n gn l en a t u r a lg a sr e b u m i n g p r o c e s si nC O a l - f i r e db o i l e r f 1 T h eN O x e m i s s i o nr e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s eo fn a t u r a lg a s p r o p o r t i o n ，b u tw h e nt h en a t u r a lg a sp r o p o r t i o ni sl a r g e rt h a n2 0 ％，t h es c o p eo fN O x r e d u c t i o ni sn o to b v i o u s ；T h ei r l c r e a s eo f r e b u m i n gz o n el e n g t hc a u s e sN O xe m i s s i o no b v i o u s r e d u c t i o n ；t h eN O x e m i s s i o ni n c r e a s e sg r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo fe x c e s sa i rc o e f f i c l e n to f r c b u m i n gz o n ei n c r e a s i n g ．W h e nt h en a t u r a lg a sp r o p o r t i o ni s1 0 - 2 0 ％，r e b u m i n gz o n e l e n g t hi S2 m , - 4 ma n de x c e s sa i rc o e f f i c i e mo f r e b u m i n gz o n ei s0 ．8 ～0 ．9 ，t h ec o m p r e h e n s i v e e f f e c ti sg o o d ． 2 C o m p a r e dw i t hp o w d e r e d c o a lr e b u m i u g ，t h en a t u r a lg a sr e b u m i n gC a ng e t al o w e rN O xe m i s s i o nr a t et h a nt h ep o w d e r e d - c o a l ． 3 C o m p a r e dw i t hs t a g e d - a i rc o m b u s t i o n ， t h er e b u m i n gt e c h n o l o g yC a ng e tab e a e rc o m p r e h e n s i v ee 丘b c t ． K e yW o r d s D e N O xC o m b u s t i o n ；R e b u r n ；N O x N u m e r i c a lS i m u l a t i o n 独创性说明 作者郑重声明本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名往日期竺 _ 凹／／『刁 李芳燃煤锅炉分级燃烧过程的数值模拟 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 胃，陌链寿 耋k 巴1 与少 导师签名 士 I 三竺蔓年L 月丛j 大连理工大学硕士研究生学位论文 引言 能源与环境是制约人类发展的重要问题。兼顾能源工业的发展和环境保护的需要， 是中国这样一个产煤大国可持续发展的重要课题。煤作为一种重要的能源，在中国具有 极其重要的地位。目前煤炭占我国一次能源的7 6 ％，尽管各种新能源不断投入应用，但 由于我国煤炭储量大，价格低，预计到2 0 2 0 年煤炭仍将占据一次能源的6 7 ％，但总煤 炭消耗量将由目前的1 2 亿吨／年增加到2 3 亿吨，年H 】。我国煤炭用于电厂锅炉、工业锅 炉、窑炉和采暖等的比例很高，大量煤炭是直接燃烧使用，但由于煤中杂质的存在．导 致了在煤炭在利用过程中出现一系列的环境问题和运行问题。氮和硫形成污染气体，灰 分造成了炉内的沾污和结渣问题以及尾部烟道的磨损问题，灰分和未然尽的碳粒、碳黑 等同时形成了粉尘污染，煤的开采、运物和磨制都造成了环境的污染。如何最大效率地 利用煤炭，降低煤炭利用过程中的污染问题，已经成为一个全球性的问题。“洁净煤” 日益成为煤燃烧行业的追求目标。 在我国，排放到大气的污染物中，约9 9 ％的氮氧化物、9 9 ％的一氧化碳、9 l ％的二 氧化硫、7 8 ％的二氧化碳、6 0 ％的粉尘和4 3 ％的碳化氢是由化石燃料燃烧过程中产生的， 其中煤燃烧产生的污染物又占大多数[ 2 1 。燃烧过程中排放出来的N O x 约9 5 ％是N O ，余 下的5 ％为N 0 2 。N O 进入大气后逐渐与大气中的氧或臭氧结合生成N 0 2 。N 0 2 参与光 化学烟雾的形成，具有致癌作用。在阳光作用下并在一定条件下，N 0 2 和氧或臭氧生成 N 2 0 。N 2 0 则会和C 0 2 一样，引起温室效应并会破坏臭氧层，导致较多的紫外线辐射 到地球表面，对人类造成灾难性的影响，控制N O x 排放的问题已是刻不容缓。 为了控制燃烧装置排放的N O x 对生态环境的危害，国外从上世纪5 0 年代起就开始 了燃烧过程中N O x 生成机理和控制方法的研究，到7 0 ～8 0 年代，低N O x 燃烧技术的 研究和开发达到高潮，涌现了一大批降低N O x 排放的实用技术。目前，国外通过各种 技术手段，在电站锅炉上设置脱氮装置已十分普遍。我国历来重视燃煤电厂污染物排放 所造成的环境污染问题，根据国民经济可持续发展的需要，国家环保法规对火电厂N O x 排放限制越来越严格。近十年，国家先后两次制定和修改了火电厂大气污染物排放标准。 2 0 0 3 年，又根据2 0 0 0 年9 月修正颁布的大气污染防治法，制定了新的火电厂大 气污染物排放标准 G B l 3 2 2 3 - 0 0 3 1 3 J ，并于2 0 0 4 年1 月1 日实施。新标准对燃煤电 厂的大气污染物排放的限制更加严格。 国内的低N O x 燃烧技术主要有低过量空气系数，空气分级燃烧，煤粉浓淡燃烧技 术及三次风再燃技术。其中空气分级燃烧是当前使用最为普遍的低N O x 燃烧技术，此 技术在燃用烟煤、褐煤的机组N O x 排放基本上可达到国家标准，有的甚至达到国际先 李芳燃煤锅炉分级燃烧过程的数值模拟 迸水平，而燃用低挥发份无烟煤、贫煤和劣质烟煤时还远不能达封国家排放标准，针对 这一现状，浙江大学，清华大学等研究人员对以上煤种采用空气分级燃烧时挥发份N 和 焦炭氮比例、主燃区的过最空气系数、燃尽风的位置等参数对降低N 0 x 排放的影响继 续进行实验研究以指导实际锅炉上空气分级燃烧的实施。同时在实验研究的基础上，在 条件具备的前提下尽量利用天然气、其它烃类气体或超细煤粉的再燃技术来降低电站锅 炉N O x 的排放水平以达到国家标准的要求。 从国内现阶段的研究进展来看，研究人员对于空气分级燃烧和再燃燃烧进行了一定 的实验研究，积累了一定的实际经验，可是对锅炉低N O x 燃烧的数值模拟研究还少有 报道。虽然实炉实验是获取数据的最可靠方法，但随着锅炉容量的不断增加，进行现场 实炉测量费时、费力且费用昂贵。炉内过程的综合数值模拟可以模拟任何尺度、任何形 式、复杂的流动、燃烧和污染物生成过程，并且能够方便的改变各种参数和运行条件， 模拟费用低廉，因此正日益成为一种可用于锅炉设计、改造和运行优化的有效手段。现 有各种炉内燃烧综合模拟程序被开发出来，一些商业软件如F L U E N T 就具备进行炉内 燃烧过程综合模拟的能力。 本文在前人工作的基础上，运用计算流体力学 C o m p u t a f i o n a If l u i dd y n a m i c s ，C F D 方法，采用F L U E N T 6 ．0 软件，对燃煤锅炉空气分级燃烧与天然气再燃燃烧过程进行了 模拟计算。其主体框架是求解二维的物质、能量和动量微分守恒方程，还有～些辅助模 型与主体框架组合起来以考虑气相组分混合、化学反应、煤粒热解和煤焦氧化以及辐射 能量传递等。通过对锅炉分级燃烧过程中影响锅炉热效率以及N O x 、C O 、C 0 2 等污染 物的排放的各种参数规律的分析，得到了不同燃烧条件下各参数的适合范围，并与文献 中的实验数据进行了比较，证明计算结果的有效性。通过对锅炉空气分级燃烧和天然气 再燃两种情形进行的比较，指出了两者的优劣以及适用范围。从丽为实际工程中锅炉分 级燃烧的实施和锅炉设计、改造提供了理论依据。 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 文献综述 1 ．1 N O x 的生成动力学 1 ．1 ．1 N O x 生成机理 燃烧过程中所产生的N O x 一般是指N O 和N 0 2 。大量实验结果表明，燃烧装置排 放N O x 中N O 一般约占9 5 ％，丽N 0 2 仅占5 ％。因此，本节的N O x 主要是指N O 。按 N O x 生成起源和生成途径分类，可用图1 ．1 表示。各种类型N O x 的生成机理和相应的 控制措旌有很大差异，本节将分别就其生成机理的基础理论进行论述[ 4 - 7 。 r 热力型N O x I N 0 x 快速型N 0 x L 燃料型N 0 xq - 挥发份N 0 x 。焦炭N O x 图I ．1 燃烧过程中生成的N O x 的类型 F i g ．1 ．1T h e t y p e o f N O x i n t h ec o m b u s t i o n p r o c e s s 1 热力型N O x n 坞n n a l N O x 燃烧时空气中的氮，高温氧化生成N O x ，称之为“热力”N O x ，它占总氮氧化物的 2 0 ％左右。这一机理最初由原苏联科学家捷里道维奇 Z e l d o v i c h 于1 9 4 6 年提出来的， 又称Z e l d o v i c h 机理，依照这一机理空气中N 2 在高温下氧化，是通过一组不分支的连锁 反应而生成的，即 0 2 M _ 2 0 M O N 2 n 。N O N N o 牵N ∞ 高温下N O 和N 0 2 总的反应方程式为 李芳燃煤锅炉分级燃烧过程的数值模拟 N 2 0 2 2 N O N O i 0 2 啼N 0 2 2 z』 利用化学反应动力学公式进行推导，可得出 d 阱o 】，d t - 2 k ，k [ N 2 ] [ 0 2 1 ”2 1 ．1 其中，2 k l k 2 为z e l d o 、，i c h 的实验结果，2 k l k 2 3 x 1 0 “e x p 一5 4 2 0 0 0 ／R T ，此式就是 z e l d o v i c h 机理的N O 生成速率表达式。 由于氮气分子分解反应所需要的活化能较大 约9 4 1 l J ／m 0 1 ，故该反应需要的温度 也较高。因此反应速度较慢，它决定了整个反应的速率。由z e l d o v i c h 公式可以清楚翘看 到影响热力氧化氮生成的主要因素是温度、空气中氮和氧浓度以及在高温区的停留时 间。其中温度对热力N O x 的生成影响最大，热力型N O x 的生成速度和温度的关系是按照 阿累尼乌斯定律进行的。在温度小于1 3 0 0 ℃时，几乎看不到N O 的生成反应，N O x 成量 很小，只有当温度高于1 3 0 0 ℃以上，N O 的生成反应才逐渐明显，N O x 生成量逐渐增大 图1 ．2 。因此，在一般的煤粉炉固态排渣燃烧方式下，热力型N O x 所占的比例极小。 氧浓度的增加和在高温区停留时间的延长，都会使热力N O x 生成量增加。在典型的煤粉 火焰中，热力N o x 占总排放量的2 0 ％左右。若降低燃烧温度，能有效的降低热力N O x 的 生成。 图1 ．2 煤粉燃烧过程中各N O x 与炉膛温度的关系 F i g ．1 ．2T h ee o 嗽t i o nb e 埘e e nN O x a n do e m p e r a 奴鹏hc o a [ c o m b u s t m np r o c e s s - 4 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 快速型N O x P r o m p t N O x 氮气 N 2 相当稳定，生成N O 的活化能菲常大，因此温度是控制反应的重要手段， 1 8 0 0 K 以下，热力型N O 生成量很少，火焰温度降低能使N O x 生成量显著减少。1 9 7 1 年F e m i m o r e 把富燃料混气火焰面上快速反应生成大量的N O x 称为快速型N O x ，它是由 于燃烧时燃料中碳氢化合物分解生成的C H 和C 等原子团，与空气中N 2 进行反应生成 氰化物，氰化物与火焰中大量的0 与O H 等原子团反应生成N O 。快速型N O x 生成有 以下几个过程。 C H N 2 寸H C N N C H 2 N 2 寸H C N N H C 2 N 2 斗2 C N 上述反应活化能很小，故反应速率很快。同时火焰中生成大量0 、O H 等原子基团 它们与上述反应的中间产物H C N 、N H 、N 等反应生成N O ，其反应如下 H C N O H 辛C N H ，O C N 十0 ． C O N O C N O } C 0 N N } I O H } N H ，O N O H N H H N O ，N O O 快速N O x 只有在富燃的情况下，即在碳氢化合物C H i 较多，氧浓度相对较低时才 能发生，因此在燃煤锅炉中，其生成量很小，一般在5 ％以下。园它的生成速度快，就 在火焰面上生成，故称为快速N O x 。侠速N O x 生成主要取决于三个因素①是c H 原 子团的浓度及形成过程；②是N 2 分子反应生成氮化物的速率；③是氮化物间相互转化 率。在火焰温度T f 0 H 】【。] ，H C N 与氢原子团反应生成N H 3 与 N 2 。由于富燃料混气中缺乏氧，有时N O 可能与碳氢基团或碳原子反应，还原成№。 3 燃料型N O x F u e lN O x 燃料中的N 通常以原子状态与各种碳氢化合物结合，形成环状化合物或链状化合 物，如喹啉C g H T N 、吡啶C 5 H s N 和芳香胺c 6 H 5 N H 2 等，与空气中的氮分子能相比，煤 李芳燃煤锅炉分级燃烧过程的数值模拟 中氮有机化合物的C - N 结合键能要小的多。在燃烧时经氧化反应生成大量的氮氧化物， 这种氮氧化物称为燃料氮氧化物。 燃料型N O x 是总的N O x 的主要组成部分，大约占6 5 ％～8 5 ％以上。燃料型N O x 的生 成机理极其复杂。目前，各国科学家所得的结论也不尽相同。多数研究表明，燃料型N O x 的形成与煤的热解产物和火焰中的氧浓度密切相关，其中氧气浓度及其分布状况对N O x 的产生起决定性作用如果在主燃烧区延迟煤粉与氧气的混合，造成燃烧中心缺氧，可使 绝大部分气相氮和部分焦炭氮转化为氮气。另外，煤中的挥发性物质成分，特别是还原 性成分的增加，会对N O x 的降低产生积极的作用 图1 ．3 。 气槽N H N 。m lI 圈槽N ．- I 擞N l 均 薹事 多 相 辅 反 厦 皮 应 快 慢 图1 ．3 煤粉燃烧过程中燃料氮的转化 F i g ．1 ．3F u e lN t r a n s f o r m a t i o ni nc o a lc o m b u s t i o np r o c e s s 燃料型N O x 的生成机理包括一系列化学反应，至今尚未完全掌握。总结起来，大 致有以下规律 ①在一般的燃烧条件下，燃料中的氮有机化合物首先被热分解成H C N 、N H 3 和C N 等中间产物，它们随挥发分一起从燃料中析出，称之为挥发分N 。挥发分N 析出后仍残 留在焦炭中的氨化合物，称为焦炭N ； ②大多认为，燃料型N O 是由气相燃料中氮化合物大量地从H C N 和N I - 1 3 开始转化， H C N 被氧化的主要反应途径为 大连理工大学硕士研究生学位论文 N H 3 被氧化的主要反应途为 ③残存在焦炭中的氮，一方面可在表面与氧反应生成N O ，另一方面也可与N O 反 应生成N 2 ，后一种反应在焦炭燃尽区占主导地位。 在燃烧过程中，燃料氮转化为燃料N O x 的量随燃料中含氮量的增加而下降，在正 常燃烧条件下，煤中有机氮转化为N O x 的转化率为2 5 ％～4 0 。 1 ．1 ．2 煤粉燃烧时N 0 x 的生成过程 煤是一种复杂的不均匀有机燃料，种类繁多，由于形成煤的植物种类不同、煤所在 地层的矿物质含量不同，以及煤化年代的长短不同，导致煤的成分各不相同。在烟煤研 究所 B i t u m i n o u sC o a lR o s e a z c hI n s t i t u t e 划分的1 2 0 0 多种煤中，没有两种煤的组成是 一致的。通常而言，典型的煤组分包括【8 J 9 】，6 5 ％～9 5 ％的碳，2 ％～7 ％的氢，最高可达 2 5 ％的氧和最高可达1 0 ％的硫，大约1 ％～2 ％的氮。无机物 灰分 也占了很大的比 例，最高可达5 0 ％以上，一般为5 ％～1 5 ％。煤中水分一般为2 ％～2 0 ％，但对于某些 煤化程度不高的煤，水分含量可能超过7 0 ％。煤的这种成分上的多变性导致了煤燃烧问 题研究的复杂性。 李芳燃煤锅炉分级燃烧过程的数值模拟 时筒 - s 图1 ．5 煤氮随煤粉细度的变化趋势 1 ；1 2 0 - 1 5 0 目，2 1 0 0 一1 2 0 目，3 7 0 - 1 0 0 目 F i g ．1 ．5 T h e l a w s o f c o a l N w i t h p u l v e r i z e dc o a l 1 1 2 0 - 1 5 0m e s h ，2 1 0 0 - 1 2 0 m e s h ，3 7 0 ．1 0 0 m e s h 大连理工大学硕士研究生学位论文 一般来说，煤中氮在温度低于1 1 0 0 K 时是热稳定的，当温度较高时才放出含氮挥发 物。挥发分中最主要的氮化物是H C N 和N H 3 。在挥发分N 中H C N 和N H 3 所占比例不 仅取决于煤的挥发分和热解温度，而且还与煤种有关。对于烟煤，H C N 在挥发分N 中 的比例比N H 3 大劣质煤的挥发分N 中则以N H 3 为主；无烟煤的挥发分N 中H C N 和 N H 3 均较少。由于热分解产生的气体和煤的化学结构有密切的关系，所以认为煤中氮的 结合形态控制了燃料氮向H C N 、N H 3 的转化行为。 煤中氮化合物结构的研究开始于溶剂萃取物的结构分析，最近利用X 射线的仪器分 析提高了结构解析技术的水平，得到了许多有用的结果。刘艳华等【lz 】用x 射线光电分 光分析仪 X ．r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c 订o s c o p y 测定了多种样品中氮化物的含量以及煤中 的氮结合形态，定性地明确了煤中的氮主要以吡咯结合、吡啶结合的形式存在。图1 ．6 为煤中具有代表性的氮化合物的化学结构。 毗咯毗啶毗啶盐氧化- N 一羧基一氢桥一 图1 ．6 煤中主要氮化合物的化学结构 F i g ．1 ．6T h ec h e m i c a ls t r u c t I l r eo f N O x i nt h ec o a l f n 一 o0 。。 l b 苯酚一氢桥一 煤中氮的结合形式 吡啶型氮、吡咯型氮、季胺型氮 不同时，其分解行为是不同 的，氮的结合形式对燃料型N O x 的生成．耗散机理有很大的影响。因此，有关各煤种中 各种氮的结合形式的存在比例的数据极为重要。研究表明毗啶型氮为2 0 ％～4 0 ％，吡咯 型氮为5 0 ％～8 0 ％，季胺型氮为3 ％～2 0 ％，煤种不同时这个比例也不一样。研究者对 含氮成分特性和氮结合形式关系的定量调查，可推论在热分解过程中季胺型氮转化为 N H 3 ，毗啶型氮转化为H C N ，吡咯型氮易以焦炭氮的形式留在焦炭中。 1 挥发分N O 的生成 挥发分的燃烧类似于气体燃烧的均相过程。挥发分中氮化合物通过氧化反应可生成 N O ，但它们也可以和N O 进行还原反应，使N O 分解成N 2 。实际上只有一部分燃料N 转变为挥发分N O 。由于挥发分中氮化物进行氧化反应所需的活化能低，因此在较低的 温度下就能大量生成N O ，而且N O 生成速度比N O 还原速度大。通常，挥发分中氮在 着火区被释放并生成N O 。挥发分N 0 生成与以下因素有关 ，◇，00，O 李芳燃煤锅炉分级燃烧过程的数值模拟 ①着火区中挥发分释放量。挥发分释放量越多，挥发分氮释放率越高，因而生成 挥发分N O 也越多。 ②着火区中氧浓度。煤中氮化物只有经过氧化反应才能生成N O 。因此着火区中氧 浓度增加，则挥发分N O 也多。 ③着火区中停留时间。在空气过剩情况下，燃料N 释放出来，氧化生成N O 需要 一定时间，因此可燃气体在着火区中停留时间越长，则生成N O 越多。相反，在富燃料 情况下，挥发分N 相互复合反应和N O 还原都需要一定时间，着火区中停留时间增长， 使N O 与胺类和烃基反应充分，因而减少挥发分N O 。 2 焦炭N O 的生成 焦炭的析出情况比较复杂，这与氮在焦炭中N - C ，N - H 之间的结合状态有关。有人 认为，焦炭氮是通过焦炭表面多相氧化反应直接生成N O 。也有人认为焦炭N 和挥发分 N 一样，是首先以H C N 和C N 的形式析出后再和挥发分N O x 的生成途径一样氧化成 N O x 。但研究表明，在氧化性气氛中，随着过量空气的增加，挥发分N O x 迅速增加， 明显超过焦炭N O x ，而焦炭N 的增加则较少【4 】。分析其原因如下 ①焦炭N 生成N O 反应的活化能比碳燃烧的反应活化能大，所以焦炭是在火焰尾 部焦炭燃烧区生成的，通常在焦炭燃烧区的氧浓度比挥发分燃烧区的低，而且这时的焦 炭颗粒因温度较高而发生熔结，使孔隙闭合、反应表面积减少，因而焦炭N O x 减少。 ②焦炭表面的还原作用及炭和煤灰中C a O 的催化作用促使焦炭N O x 还原。并且有 研究表明，在煤粉炉内，直接还原分解而使N O 减少的途径是主要的。 1 ．2 煤粉分级燃烧降低N 0 x 排放的原理 根据N O x 的形成机理，不同类型的N O x 其生成机理不同，主要表现在氮的来源不 同，生成的途径不同，生成的条件也不同，但它们之间也有一定的联系。3 种N O x 在煤 燃烧过程中的生成情况很不相同。快速型N O x 所占比例不到5 ％；在温度低于1 3 0 0 “ C 时， 几乎没有热力型N O x 。对常规燃煤锅炉而言，N O x 主要通过燃料型的生成途径而产生。 因此，控制和减少N O x 在燃烧过程中的产生，主要是控制燃料型N O x 的生成。从燃料 型N O x 的生成和破坏机理可知，为减少燃料型N O x 的生成，既要尽可能地抑制N O x 的生成，又要尽可能地破坏和还原已生成的N O x 。 控制N O x 排放的技术指标可分为一次措施和二次措旌两类，一次措施是通过各种 技术手段降低燃烧过程中的N O x 生成量；二次措施是将已经生成的N O x 通过某种技术 手段从烟气中脱除掉。概括目前常用的具体方法，包括以下3 个方面①通过改变燃烧 条件降低N O x 的方法，主要包括低氧燃烧法、空气分级燃烧法、燃料分级燃烧法和烟 大连理工大学硕士研究生学位论文 气再循环法等} ②用喷射法在炉膛内进行化学固定的方法，主要有喷射氨或尿素以及喷 入水蒸汽等方法；③对燃烧后的烟气进行脱硝处理，包括干法烟气脱硝 烟气脱化和电 子束照射等 和湿法烟气脱硝。 鉴于烟气脱硝装置的投资和运行费用都十