[发明专利]一种煤粉高温低NOx的燃烧方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤粉高温低NO_X的燃烧方法及装置，属于煤粉清洁燃烧技术领域。

背景技术

氮氧化物(NO_X)被认为是大气环境污染的主要来源之一，NO_X除了形成酸雨，破坏生态环境，还能形成光化学烟雾，直接危害人类健康。目前，NO_X在我国已经成为仅次于SO₂的大气污染物。我国是一个以煤炭为主要能源的发展中国家，预计在未来的30～50年内，以煤为主要能源结构不会改变。燃煤将产生大量的NO_X，日益严格的环保法规要求研究开发先进的燃烧技术，以减少NO_X等污染物的排放。现在控制NO_X的有效途径主要是改善燃烧，具体措施是改进燃烧方式和改变运行条件。

在目前的煤粉燃烧方式和燃烧温度下，煤燃烧生成的NO_X中，NO占90％以上，NO₂占5％～10％，而N₂O占1％左右，因此NO_X的排放量主要由NO决定。煤燃烧生成NO途径主要有三种：(1)燃料型NO(Fuel NO)。由燃料中的氮化合物热解后又接着氧化而生成。煤燃烧过程由挥发分燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，氮化合物中的氮在这两个阶段中析出的比例随着燃烧条件的不同而变化。当煤的挥发分增大，热解温度和加热速度提高时，煤中的母氮在挥发分燃烧阶段释放出的比例增加。在这一阶段，母氮以HCN和NH₃形式释放后，氧化成NO，生成的NO在缺氧的环境中会还原出N₂。挥发分析出后，残留在焦炭中的母氮也会在焦炭燃烧阶段通过异相反应生成NO，同时焦炭表面炭的还原作用还会将部分NO变成N₂；(2)热力型NO(Thermal NO)。由空气中的氮气在高温下氧化生成，它强烈地依赖火焰温度和氧气浓度，当温度低于1350℃时，几乎没有热力型NO的生成，只有当温度超过1600℃且富氧燃烧时，如传统的液态排渣煤粉炉中，热力型NO才可能占到20％～30％；(3)快速型NO(Prompt NO)。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(CHi)等与燃烧空气中的氮气发生反应，形成的CN、HCN，继续氧化而生成的NO_X。因此，快速型NO主要依赖于温度，且一般在富燃料碳氢火焰中占更大的优势，在燃煤锅炉中其生成量占总NO比例通常在5％以下。

众所周知，煤炭中的氮含量一般在0.5％～2.5％左右，它们以氮原子的状态与各种碳氢化合物结合成氮的环状化合物或链状化合物。由于煤中含氮有机化合物的N-C和N-H键能较空气中N≡N的键能小得多，燃料型NO是煤燃烧时产生NO的主要来源，约占NO_X生成总量的75％～90％。因此，要控制煤燃烧过程NO_X的排放，主要是控制燃料型NO的生成。由燃料型NO的生成机理可知，按以下原则组织燃烧有利于NO_X排放的极小化。(1)在挥发分析出和燃烧的初期，促使煤粉气流与热烟气尽可能快地混合，提高煤粉细度，这样可以提高热解温度和加热速度，使更多的母氮在这个阶段得到释放；(2)在挥发分燃烧阶段，减小局部过量空气系数，创造局部的缺氧环境，使释放出的母氮尽可能多地通过NO的还原反应生成N₂，这时虽然燃料中的母氮析出较多，但由于还原性气氛的存在，NO的生成量却大大减少；(3)在挥发分燃烧基本结束的同时，焦炭开始燃烧，火焰温度将逐渐达到最大，继续保持局部的缺氧环境，有利于NO被还原充分，同时，在缺氧的条件下，即使火焰温度达到1600℃以上，形成的热力型NO也较少；(4)燃料在还原区作充分的停留后，接着进入下一区段，在该区段内送入完全燃烧所需的剩余空气。这就是空气分级燃烧的基本原理，分级燃烧能同时降低热力型NO和燃料型NO。

由热力型NO的生成机理可知，影响NO生成量的主要因素是火焰温度、氧气的浓度和停留时间。长期以来，本领域的传统观点认为：炉内温度越高则热力型NO_X生成量越多。其实此种观点是存在一定技术偏见的，只有当过剩空气系数α＞1时才是正确的。而当燃烧区α＜1时，温度越高，保持还原性气氛时间越长，越能促使NO_X的还原反应生成N₂的有利因素。因此，组织空气分级燃烧时，应根据煤质特性将燃烧区的温度控制在最有利于降低NO范围。