锅炉主要污染物形成机理分析

摘要:节能减排是建设环境友好型社会的要求,因此高效低污染的锅炉燃烧运行优化技术越来越受到关注和重视。文章以热电厂锅炉为研究对象,对锅炉排放物进行了深入分析,介绍了影响锅炉效率的主要因素,分析了锅炉燃烧主要污染物的形成机理和控制净化方法,并着重讨论了NOx生成的主要因素以及方法。

关键词:热电厂锅炉;锅炉污染物;火电机组;燃烧优化;NOx

中图分类号:X511 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2010)09-0085-03

节能减排是我国目前主要的能源政策,大型燃煤电站锅炉的运行面临着降低运行成本与降低污染物排放的双重要求,高效低污染的锅炉燃烧运行优化技术越来越受到关注和重视,因此如何利用有效的锅炉燃烧运行优化技术,实现锅炉稳定、经济而又洁净的燃烧,一直是国内外热能工程领域专家学者的研究目标。

一、烟尘的形成机理及影响因素

(一)煤质的影响

主要是煤所含的灰分、水分以及燃煤颗粒大小对其影响较大。灰分越高、水分越少,烟气含尘浓度会越高,因此,通过煤的洗选,会降低煤的灰分含量,而且还会影响水分和颗粒分布,可以降低排烟中的含尘浓度。

(二)燃烧方式的影响

燃烧方式的影响通常大于煤质的影响,燃烧方式不仅影响烟气中的含尘量,还会影响飞灰粒度,见表1和表2:

(三)燃烧组织的影响

“燃烧组织”是指锅炉运行工况及其调节、热负荷工况等,其中风量调节是关键,风量过小,会造成未完全燃烧,风量过大,烟气流速加大,会使未燃烧碳粒被烟气大量携带而增加烟尘量。锅炉负荷的变动也会影响烟尘量,负荷增加,煤量加大,烟尘量自然也会增多。

二、SOx的形成机理及影响因素

(一)SO2的生成

煤炭中的硫可以分为两大类,即有机硫和无机硫。有机硫是构成煤的大分子的重要部分,在煤中均匀分布,其化学结构比较复杂,至今对其认识还不够充分:无机硫主要是指矿物质中的各种含硫化合物,包括硫铁矿和硫酸盐硫,其中以黄硫铁矿(FeS2)为主,占无机硫总量的半数以上。

煤中的有机硫化物(RS)和黄硫铁矿(FeS2)燃烧生成S02,其反应方程式如下:

4FeS2+11O2 ―→2Fe2O3+8SO2(1)

RS+O2―→SO2+R(2)

(二)SO3的生成

SO3的生成机理比较复杂,最新的研究成果表明主要有以下途径在炉内生成:在高温条件下,生成的S02与自由氧原子反应生成SO3。

SO2+[O] ―→SO3 (3)

氧原子的来源主要是氧在炉内高温离解,在受热面表面催化离解或其他一些反应中生成:当高温烟气流经水冷壁积灰层时,由于灰中的V2O5和Fe2O3的催化作用,也会使SO2转化为SO3;此外,煤中的硫酸盐CaSO4热解也会产生S03。

CaSO4―→ CaO+SO3(4)

热解温度大概为1000℃,影响SO3生成量的主要因素有燃料中的含硫量,过量空气系数以及火焰中心温度等。

三、NOx的形成机理及影响因素

煤粉在燃烧过程中,氮氧化物的生成是燃烧反应的一部分,燃烧中生成的氮氧化物主要是N0和NO2,统称NOx。在通常的燃烧温度下,NO约占NOx的95%,而NO2仅有5%左右。NOx的生成量与燃烧方式特别是燃烧温度和过剩空气系数密切相关,其来源主要有三种不同的生成机理。

(一)燃料型氮氧化物

燃料型氮氧化物是由燃料中的氮化合物在燃烧过程中经氧化反应生成的。燃煤电厂锅炉产生的氮氧化物中约75%～90%是燃料型氮氧化物,因此,分析和研究燃料型NOx的生成机理,找出控制燃料型NOx生成的方法,是降低燃烧过程中NOx排放的最有效的方法。

1.燃料中N含量的影响。在燃料燃烧的过程中并不是所有的燃料N能够全部转变为燃料型NOx,只有一部分能够转化,我们把能够转化为燃料型NOx的燃料N的比例称为燃料N的转变率或燃料型NOx的转变率。研究表明,转变率与含氮的化合物的种类无关。燃料中含氮量越高,燃料N向燃料型NOx的转化率反而越低。煤粉炉中的转化率一般在20%～25%不超过32%,燃料中含氮量的大小对NOx排放量的影响是决定性的,虽然燃料的含氮量越大,转化率越低,但是总的NOx排放量还是增加的。

2.过量空气系数的影响。根据Fenimore的竞争机理可以知道:中间产物越多,就有可能使较多的燃料N转变为N2,方法足让燃料在空气不足的条件下进行燃烧,图1则比较全面的研究了过量空气系数a对燃料N转化率的影响:

通过分析可以看出:当a>1时,随着过量空气系数的降低,燃料NO生成量基本无变化;但是在过量空气系数a<1的富燃料情况下,NO的生成量和转化率急剧降低,a=0.7时,其转换率几乎为零。因此,过量空气系数也是影响燃料NOx生成的极其重要的因素。

3.燃烧温度。燃料型NOx和热力型NOx不同,它受温度影响较小,这是因为燃料中N的热分解温度比火焰温度低,当燃烧温度达到热分解温度时,不论炉内火焰温度高低,燃料都会自行分解生成NOx。

根据上述分析,可以得出控制燃料型N0x生成的主要方法有燃用燃料N含量低的燃料;采用燃料过浓燃烧方式以及在扩散燃烧阶段,抑制燃料与空气的混合。

(二)快速型氮氧化物

快速型氮氧化物主要是指燃料中的碳氢化合物在燃料浓度较高区域燃烧时所产生的烃与燃烧空气中的N2分子发生反应形成的CN、HCN,继续氧化而生成氮氧化物。其主要反应途径如图2所示:

快速型NOx的生成与下列三个因素有关:CH原子团的浓度及其形成过程;N2分子反应生成氮化物的速率;氮化物间的相互转化率。快速型NOx主要产生于碳氢化合物含量较高、氧浓度较低的富燃料区,多发生在内燃机的燃烧过程,在燃煤锅炉中,其生成量很小。

(三)热力型氮氧化物

热力型氮氧化物是空气中的氧和氨。在高温环境下生成的NO和NO2的总和。当燃烧区域的温度低于1000℃时,NO的生成量很小,而温度在1300℃～1500℃时,NO的浓度约为(500～1000)×10-6,且随着温度的升高,氮氧化物的生成速度按指数规律增加。

捷里多维奇机理的NO生成速度表达式:

式中:[NO],[N2],[O2]——分别为NO,N2,O2的浓度(gmol/cm3);

T——绝对温度(K);t——时间(S);

R——通用气体常数(8.31J/gmol·K)。

热力型氮氧化物的影响因素主要是温度和氧浓度。从式(5)也可以看出,温度对热力型N0x的生成具有决定性的作用,另外,即使同一温度下,随着停留时间的增加,NO的生成浓度也会大幅增加,因此烟气的停留时间也对N0x的生成有很大影响;氧浓度越高,N0x的生成量就越多,按扩大的捷里多维奇机理对CH4和空气混合物计算的结果表明,N0x的生成量在燃料过多时,随氧浓度增大而成比例增大,在过量空气系数略少于1时达到最大,随后虽然氧浓度继续增大,但由于温度的影响,生成量下降,燃烧温度在过量空气系数等于1附近出现最大值,相应的NOx的生成速度也达到最大,在过量空气系数远离1.0时,生成速度将急剧下降。

燃烧过程中,氮浓度基本上不变,因而影响N0x生成量的主要因素是温度、氧气的浓度和停留时间。综上所述,控制热力型NOx生成量的方法主要有降低燃烧温度水平;降低氧气浓度;使燃烧在远离a=1的条件下进行以及缩短在高温区的停留时间。

综上分析,燃煤燃烧生成的NOx组成为燃料型NOx约占75%～90%,热力型NOx约占15%左右,而快速型NOx约为5%左右。影响NOx生成量的主要因素有:

1.炉内温度水平。炉温的高低对燃料型NOx和热力型NOx的生成都有影响,而其中对热力NOx生成的影响较大。炉温越高,热力型NOx的生成量越大。

2.炉温分布的均匀性。在炉内实际温度分布不均匀的情况下,局部高温的地方会生成很多热力型NOx,它会对整个锅炉NOx的生成量起着决定性的影响。

3.过量空气系数。过量空气系数a对燃料型NOx和热力型NOx也都有影响。当a增加时,由于燃烧充分,炉温升高,热力NOx增加;当a大于一定值时,由于炉温降低,热力NOx趋于下降,但燃料型NOx随a的增加而升高,即NOx总的生成最随a的增加而增加,而后增加速度减缓。

4.燃料成分。当燃煤挥发分增加时,由于着火提早,炉内温度峰值和平均值提高,故热力型NOx生成量增加,再加上燃料型NOx,总的NOx增加的;挥发分差不多的燃料,含N量增加时,燃料NOx增加,而热力NOx变化很少:当燃煤中的水分增加时,着火延迟,使挥发分燃烧前与空气的混合加强,因而燃料NOx增加,此时热力NOx减少,但总的NOx依然是增加的。

5.煤粉细度。煤粉越细,被加热得越快,燃烧迅速,炉内温度水平提高,热力型NOx增加。另外,煤粉加热快,释出的挥发分多,煤的燃烬度高,且此时挥发分射流细小,容易与空气混合,因而燃料NOx也增加,因此,煤粉细度增加时,总的NOx生产量是增加的。

6.空气预热温度。如果提高空气预热温度,则煤粉着火提前,提高了炉内温度水平,使热力NOx增加。同时由于提高了燃烧初始区的温度水平,促使挥发分的大量析出,燃料型NOx大量增加。所以,风温提高,总的NOx增加。

参考文献

[1]岑可法,周吴,池作和.大型电站锅炉安全及优化运行技术[M].北京:中国电力出版社,2003.

[2]李智.电站锅炉燃烧系统优化与应用研究[D].沈阳:东北大学,2005.

[3]孔亮,张毅,丁艳军,吴占松.电站锅炉燃烧优化控制技术综述[J].电力设备,2006,7(2).

[4]焦李成.神经网络系统理论[M].西安:西安电子科技大学出版社,1994.

作者简介:艾国红(1983-),女(回族),江苏南京人,南京第二热电厂助理工程师,研究方向:热能动力工程。

推荐访问:污染物 机理 锅炉 分析