快速型NOx主要由碳氢活化基与空气中的氮气通过反应(CHi+N2==HCN+NH)生成大量NO的前驱产物HCN、CN及NH,见图中HCN和NH被氧化生成NO的途径。
现有的理论研究表明,快速型NOx生成机制主要发生在较低温度、富燃料燃烧环境中,而燃料分级和空气分级所导致的烟气温度降低、局部空间的富燃料燃烧环境正好有利于快速型NOx的生成。一般而言,表面燃烧器、空气分级燃烧器等燃气燃烧器所生成的NOx中,大部分由快速型NOx提供,因此,这一点需要在燃气燃烧器的设计过程中进行考虑。国际上一些先进水平采用高速燃气卷吸大量炉膛烟气的方式来减少快速型NOx的生成。
烟气再循环而言,通过从尾部排放烟气抽取一部分比例的烟气与空气混合,从而降低了助燃气体的氧气浓度,在降低了化学反应速率的同时,降低了火焰核心温度,从而避免大量热力型NOx的生成。另外,再循环烟气中包含的NOx气体可以通过N+NO反应来降低NO的生成量,且氧气浓度的降低也能驱使NO反应体系的化学平衡朝NO生成量减少的方向偏移。
在O2/CO2烟气再循环的方案中,该方案从根源上消除了热力型NOx和快速型NOx,只剩下燃料型NOx的生成,而在CO2为主要环境气体时,气体燃料的燃料型NOx生成量会被极大的降低,可能达到理论上的净零排放,目前相关的技术还主要应用于减排压力更大的燃煤领域中。
02丨分级燃烧技术
燃气工业锅炉低氮改造中,分级燃烧技术是实现80mg/m3排放标准最常规的燃烧技术之一。
分级燃烧又可分为空气分级与燃料分级两种。
空气分级燃烧是将所有空气分段送入,通常将理论空气量的70-80%作为一次风送入炉膛,使燃料在缺氧富燃料稳定着火燃烧(一次燃烧区),形成浓相核心火焰。由于燃烧速度和温度峰值降低,减少了热力型NOx。其余空气以二次风或三次风形式送入,使燃料进入空气过剩区域(燃尽区),燃尽风的投入并迅速与燃烧产物混合,保证燃尽。虽然这是空气量很多,但由于火焰温度较低,在二次燃烧区不会产生较多的NOx,因而总NOx生成量得以控制。燃烧器实现空气分级燃烧是通过推迟混合,分级送入二次风或三次风控制燃烧过程。
燃料分级燃烧是将燃烧过程中以及生成的NOx还原为N2,采用二次燃烧,在欠氧燃烧形成活化原子团,用它还原主燃区产生的NOx。该法是将炉膛内的燃料燃烧过程设计成三个区域:主燃烧区、再燃还原区、燃尽区。在主燃烧区后注入二次燃料形成还原气氛,在高温和还原气氛下生成碳氢原子团,并与主燃区形成的NOx发生反应,将其还原。燃尽区送入燃尽风,完成燃尽过程。正常情况下,利用约20%的二次燃料可还原NOx总量的50%—60%。
分级燃烧燃烧器本体及燃烧火焰图
03丨烟气再循环技术
燃气锅炉低氮燃烧改造中,烟气再循环技术FGR是其中常用改造技术之一。将部分烟气回收进入燃烧器再次利用,进入炉膛的热风可提高效率,更节能。并在烟气口增加蝶阀。气再循环原理:将部分低温烟气直接送入炉内,或与空气(一次风或二次风)混合送入炉内,因烟气吸热和稀释了氧浓度,使燃烧速度和炉内温度降低,因而热力NOx减少,可减少60%-70%,一般烟气外循环FGR量不超过15%。下图所示为FGR系统示意图。
FGR系统示意图
FGR系统采用耐高温不锈钢喉口,无需耐火材料,提高喉口质量,降低根部温度,降低NOx产生。为达到安全运行,控制系统严格按照燃烧控制安全的SIL3标准制定方案。控制系统采用燃烧管理器作为燃烧点火程序控制、阀组程序检漏和燃烧比例调节控制单元。
管理器具备满足SIL3燃烧安全标准,双CPU互相验证运行,以保证运行安全可靠(这时一般PLC控制所达不到的要求)。同时燃烧管理器针对FGR方案具备烟气温度触发启动功能(锅炉冷态启动后根据排烟温度触发FGR运行)和烟气温度补偿功能(解决烟气温度变化引起密度变化,从而使得与新风混合后燃烧空燃比的改变得以补偿)。
系统另外配置PLC和触摸屏作为数据采集监控单元。这里PLC不参与燃烧程序控制和调节。PLC与燃烧管理器通讯,采集燃烧运行数据和状态,通过触摸屏组态的人机画面显示,以达到监控锅炉燃烧运行。同时PLC还采集锅炉运行参数和状态(如回水温度显示,排烟温度显示,锅炉缺水、水循环、超温超压连锁以及风机变频控制等)作为整个系统运行个监控,以保证锅炉高效、低排放、安全运行。
04丨表面燃烧技术
燃气锅炉低氮改造中,采用表面燃烧技术是降低NOx排放浓度的有效途径之一。
表面燃烧燃烧器的工作原理是:均匀混合后的燃气、空气混合物压入辐射器头部,并在辐射器表面层的外表面内进行燃烧,使辐射表面形成炽热的火焰,向外辐射能量。表面燃烧燃烧器实现燃料在燃烧反应之前,与助燃空气进行预混合,燃料喷出后,在燃烧头前部表面燃烧盘上快速燃烧。由于加快O2与燃料的燃烧
反应速度,从而降低高温时NOx的生成量,同时遏制O与N的反应。表面燃烧技术在CO达标,O2:3.5%时,最终达到NOx排放20~30mg/Nm3。
但目前表面燃烧技术也存在一些缺陷,主要表现为:容易引起回火、难以控制混合率,太高易回火,太低低氮效果不好、为防止回火和降低调整混合率难度,燃烧器需附加其他技术措施,从而对燃烧器使用寿命有所影响、表面燃烧盘(金属织物)有一定的使用寿命,维护费用会增加。
表面燃烧燃烧器示意图