美国大多数主要的工业化城市地区都无法达到有关臭氧的国家环境空气质量标准（NAAQS）。 大气研究表明，臭氧的形成是一系列复杂的化学反应的结果，其中涉及挥发性有机化合物（VOC）和氮氧化物（NOx）。 这些研究表明，许多VOC / NOx比例大于tan 15：1的城市地区只能通过减少NOx排放来降低环境臭氧水平。 因此，许多州正在实施燃烧装置的NOx控制法规，以符合NAAQS臭氧标准。
本文讨论了工业燃烧装置中NOx排放的表征。 然后，它提供了有关如何评估适用的NOx控制技术并选择适当的控制方法的指南。
表征排放
大多数工业燃烧设备尚未经过测试以建立其基准NOx排放水平。 而是，使用各种因素简单地估算了这些装置的NOx排放量。 但是，根据最新法规，现在必须确定必须知道受影响单位的NOx排放量。 这将确定每个单元的当前合规状态，并允许为需要修改以达到合规要求的那些单元定义适用的费用控制技术。
因此，测试每个燃烧装置以验证其NOx排放特性非常重要。 应该简化测试过程，以提供及时和必要的信息，以便做出有关NOx控制技术适用性的决策。
基本方法是从一类单元（即，具有相同设计和尺寸）中选择一种设备进行特性测试（NOx，CO2和02）。 在代表设备正常工作范围的三个负载点进行测试，并在每个负载点进行过量的氧气变化测试。 图1说明了典型的表征测试结果。 该类别中的其余单元仅在一个负载点或在接近满负载时进行测试。
测试期间获得的操作数据，与NOx和CO数据一起，用于定义每个单元的合格状态，以及必须修改的那些设备适用的NOx控制技术。 在大多数情况下，这种方法将允许在一天内对多个单元进行测试，并提供工程师正确评估潜在NOx控制技术所需的必要操作数据。
基础概念
合理的NOx排放控制技术（RACT）标准是根据排放限值（例如0.2 lb NOx / MMBtu）定义的，而不是强制使用特定的NOx控制技术。 根据燃烧的燃料和燃烧设备的设计，多种控制技术可能是可行的选择。 在为特定的燃烧设备选择RACT之前，有必要了解如何形成NOx排放，以便制定适当的控制策略。
燃烧过程中形成的NOx排放量取决于燃料成分，运行模式以及锅炉和燃烧设备的基本设计。 这些参数中的每一个都可以在NOx排放的最终水平中发挥重要作用。
NOx的形成归因于三种不同的机制：
1.热氮氧化物的形成；
2.迅速（即迅速形成）NO的形成； 和
3.形成燃料氮氧化物。
这些机制中的每一个都由三个基本参数驱动-燃烧温度，在氧化或还原气氛中超过阈值温度的时间以及初始燃烧期间的湍流。
天然气，石油中形成热氮氧化物。 燃煤设备是由于燃烧空气中大气氮的热固定而产生的。 NOx形成的早期研究基于气体燃料燃烧的动力学分析。 Zeldovich的这些分析得出了一个Arrhenius型方程式，该方程式显示了时间，温度以及氧和氮的浓度对预混火焰中NOx形成的相对重要性（也就是说，反应物在燃烧前已充分混合）。
尽管实际上无法使用Zeldovich关系确定燃烧装置中的热NOx形成，但它确实说明了影响热NOx形成的主要因素的重要性，并且当燃烧温度高于2.800°F时，NOx的形成呈指数增加。
实验测得的火焰区附近的NOx生成速率高于Zeldovich关系所预测的速率。 这种迅速形成的NO称为提示NO。 预测的NOx值和测量的NOx值之间的差异归因于Zeldovich方程推导中使用的简化假设，例如O =½02的平衡假设。在烃-空气火焰区附近，形成的自由基的浓度，例如O和OH，可以超过平衡值，从而提高了NOx的形成速率。 但是，与热和燃料NOx相比，NOx排放中迅速NO的重要性可以忽略。
当氮与燃料一起引入时，观察到完全不同的特性。 由燃料氮与氧气反应形成的NOx称为燃料NOx。 燃料氮的最常见形式是存在于液体或固体燃料中的有机结合氮，其中单个氮原子与碳或其他原子键合。 这些键比双原子N2键更容易断裂，因此燃料NOx的形成速率可以比热NOx的形成速率高得多。 另外，任何引入炉中的氮化合物（例如氨）的反应都几乎相同。
燃料NOx对化学计量比对热条件更为敏感。 因此，传统的热处理（例如烟气再循环和注水）不能有效地减少液体和固体燃料燃烧产生的NOx排放。
可以在燃烧过程中或燃烧结束后控制NOx排放。 燃烧控制技术依靠空气或燃料分级技术来利用NOx形成的动力学或引入惰性气体来抑制燃烧过程中NOx的形成，或两者兼而有之。 燃烧后控制技术依赖于在指定的温度范围内引入反应物，该反应物会在使用或不使用催化剂促进破坏的情况下破坏NOx。
燃烧控制
最简单的燃烧控制技术是低过量空气运行-也就是说，将过量空气水平降低到某些约束点，例如一氧化碳的形成，火焰长度，火焰稳定性等。 不幸的是，事实证明，低空气过量运行只会产生中等程度的NOx减少（如果有的话）。
非化学计量燃烧是三种已证明可有效控制NOx排放的技术。 低NOx燃烧器，降低燃烧温度。 前两种适用于所有燃料，而第三种仅适用于天然气和低氮含量的燃油。
通过改变主要燃烧区的化学计量比，即空燃比，可以实现非化学计量的燃烧或分级燃烧。 这可以在操作上或通过设备修改来完成。
燃烧器停运（BOOS）已知的一种操作技术涉及终止向选定燃烧器的燃料流，同时使空气调节器保持打开状态。 其余的燃烧器运行时富含燃料，从而限制了氧气的可用性，降低了火焰峰值温度，并减少了NOx的形成。 未反应的产物与来自终止燃料燃烧器的空气结合，在离开炉子之前完成燃尽。 图2说明了该技术应用于电站锅炉的有效性。 分级燃烧也可以通过在燃烧器区域上方安装仅空气端口（称为过火空气（OFA）端口）来实现。 将一部分空气从燃烧器重定向到OFA端口。 这种概念的一种变化是“喷枪空气”，它包括在每个燃烧器的周围安装空气管以供应分段空气。
BOOS，过火空气和喷枪空气达到相似的效果。 这些技术通常仅适用于较大的多燃烧器燃烧装置。
低NOx燃烧器旨在内部实现分级效果。 空气和燃料流场被划分和控制以实现所需的空气/燃料比，这减少了NOx的形成并导致炉内完全燃尽。 低NOx燃烧器几乎适用于所有具有圆形燃烧器设计的燃烧设备。
降低燃烧温度可有效降低热氮氧化物，但不能降低燃料氮氧化物。 降低燃烧温度的一种方法是引入稀释剂。 烟气再循环（FGR）就是这样一种技术。
FGR将一部分烟气再循环，将燃烧过程留回到风箱中。 再循环烟气通常约为燃烧空气的10-20％，可提供足够的稀释度以减少NOx排放。 图3将排放减少的程度与再循环的烟气量相关联。
在燃气机组上，排放电弧的减少量远远超过了分级燃烧控制通常所能达到的水平。 实际上，对于燃气燃烧器，烟气回收可能是最有效，最麻烦的NOx还原系统。
FGR的一个优点是它可以与大多数其他燃烧控制方法一起使用。 当今市场上的许多工业低NOx燃烧器系统都包含感应FGR。 在这些设计中，将管道安装在烟囱和强制通风入口（吸力）之间。 烟气产品通过强制通风风扇再循环，因此无需单独的风扇。
注水是另一种基于燃烧稀释原理的方法，与FGR非常相似。 除了稀释外，它还通过吸收燃烧空气到达主燃烧区之前的水汽化潜热来降低燃烧空气温度。
几乎没有进行过大规模的注水改造或测试试验。 直到最近，注水还没有被用作除燃气轮机以外的任何燃烧装置上的主要NOx控制方法，这是因为吸收了可利用的能量来蒸发水而导致效率下降。 在某些情况下，注水是一个可行的选择，可以考虑何时需要适度减少NOx以达到法规要求。
降低空气预热温度是淘汰NOx排放的另一种可行技术。 这降低了峰值火焰温度，从而减少了NOx的形成。 但是，效率损失可能很大。 根据经验，预热每降低40ºF，效率损失1％。 在某些情况下，这可以通过添加或扩大现有的节能器来抵消。
燃烧后控制
在燃烧过程中，有两种控制NOx排放的技术-选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）。 在美国，这两种方法在外部燃烧设备上的应用都非常有限。 在选择性催化还原中，氨与载气（通常为压缩空气）的气体混合物被注入到催化反应器的上游，该反应器在450°F至750°F的温度下运行。NOx控制效率通常在70-90％的范围内，取决于催化剂的类型，注入的氨量，初始NOx含量和催化剂的寿命。
在现有燃烧装置上对SCR的改造可能是复杂且昂贵的。 除了对氨气的存储，准备和控制监控的要求外，可能还需要对对流通道进行重大修改。
在选择性非催化还原中，将基于氨或尿素的试剂注入到炉膛出口区域，该处的烟气温度在1,700-2,000ºF范围内。此过程的效率取决于试剂的气体温度与气体混合，在温度窗口内的停留时间以及相对于存在的NOx浓度注入的试剂量。 模具反应的最佳气体温度为约1,750°F。 偏离此温度会导致NOx还原效率降低。 因此，必须认真评估SNCR的应用，因为其有效性非常取决于燃烧装置的设计和运行。
技术选择
如前所述，适用的NOx控制技术的选择取决于多种燃料，设计和运行因素。 在确定适用的控制技术之后，必须进行经济评估，以根据其成本效益对这些技术进行排名。 然后，管理层可以为特定设备选择最佳的NOx控制技术。
应该注意的是，NOx控制技术的效率不是累加的，而是乘法的。 已经证明现有燃烧装置的效率要比基准排放水平降低百分之。 在考虑技术组合时必须考虑到这一点。
例如，考虑以下假设情况。 假设基准NOx排放水平为100 ppmv，控制技术效率如下：低空气过量运行（LEA）为10％； 低NOx燃烧器（LNB），占40％； 烟气再循环（FGR）。 60％。 这三个控件以LEA-LNB-FGR的递增顺序安装。
还应该指出的是，将相同原理的技术（例如，两种分阶段燃烧）相结合不会比任何一种组合进一步显着降低NOx排放，因为它们的工作原理相同。
必须强调的是，实际上所有可用的控制技术都可能对设备的性能和/或操作产生不利影响。 因此，在选择适用的控制技术之前，必须考虑到此类潜在影响，仔细评估在NOx特性测试期间获得的运行数据。 必须为每种潜在技术确定运行限制，例如火焰包络，炉膛压力，强制通风风扇容量等，并量化其相应影响。 （例如，参考文献（4）详细讨论了这些项目。）
熟悉燃烧过程的任何人都知道，一种技术不能满足所有需求。 他必须仔细考虑选择合适的兼容控制技术，以确保至少以成本实现合规性，而对性能，操作和容量的影响最小。
本文讨论了工业燃烧装置中NOx排放的表征。 然后，它提供了有关如何评估适用的NOx控制技术并选择适当的控制方法的指南。
表征排放
大多数工业燃烧设备尚未经过测试以建立其基准NOx排放水平。 而是，使用各种因素简单地估算了这些装置的NOx排放量。 但是，根据最新法规，现在必须确定必须知道受影响单位的NOx排放量。 这将确定每个单元的当前合规状态，并允许为需要修改以达到合规要求的那些单元定义适用的费用控制技术。
因此，测试每个燃烧装置以验证其NOx排放特性非常重要。 应该简化测试过程，以提供及时和必要的信息，以便做出有关NOx控制技术适用性的决策。
基本方法是从一类单元（即，具有相同设计和尺寸）中选择一种设备进行特性测试（NOx，CO2和02）。 在代表设备正常工作范围的三个负载点进行测试，并在每个负载点进行过量的氧气变化测试。 图1说明了典型的表征测试结果。 该类别中的其余单元仅在一个负载点或在接近满负载时进行测试。
测试期间获得的操作数据，与NOx和CO数据一起，用于定义每个单元的合格状态，以及必须修改的那些设备适用的NOx控制技术。 在大多数情况下，这种方法将允许在一天内对多个单元进行测试，并提供工程师正确评估潜在NOx控制技术所需的必要操作数据。
基础概念
合理的NOx排放控制技术（RACT）标准是根据排放限值（例如0.2 lb NOx / MMBtu）定义的，而不是强制使用特定的NOx控制技术。 根据燃烧的燃料和燃烧设备的设计，多种控制技术可能是可行的选择。 在为特定的燃烧设备选择RACT之前，有必要了解如何形成NOx排放，以便制定适当的控制策略。
燃烧过程中形成的NOx排放量取决于燃料成分，运行模式以及锅炉和燃烧设备的基本设计。 这些参数中的每一个都可以在NOx排放的最终水平中发挥重要作用。
NOx的形成归因于三种不同的机制：
1.热氮氧化物的形成；
2.迅速（即迅速形成）NO的形成； 和
3.形成燃料氮氧化物。
这些机制中的每一个都由三个基本参数驱动-燃烧温度，在氧化或还原气氛中超过阈值温度的时间以及初始燃烧期间的湍流。
天然气，石油中形成热氮氧化物。 燃煤设备是由于燃烧空气中大气氮的热固定而产生的。 NOx形成的早期研究基于气体燃料燃烧的动力学分析。 Zeldovich的这些分析得出了一个Arrhenius型方程式，该方程式显示了时间，温度以及氧和氮的浓度对预混火焰中NOx形成的相对重要性（也就是说，反应物在燃烧前已充分混合）。
尽管实际上无法使用Zeldovich关系确定燃烧装置中的热NOx形成，但它确实说明了影响热NOx形成的主要因素的重要性，并且当燃烧温度高于2.800°F时，NOx的形成呈指数增加。
实验测得的火焰区附近的NOx生成速率高于Zeldovich关系所预测的速率。 这种迅速形成的NO称为提示NO。 预测的NOx值和测量的NOx值之间的差异归因于Zeldovich方程推导中使用的简化假设，例如O =½02的平衡假设。在烃-空气火焰区附近，形成的自由基的浓度，例如O和OH，可以超过平衡值，从而提高了NOx的形成速率。 但是，与热和燃料NOx相比，NOx排放中迅速NO的重要性可以忽略。
当氮与燃料一起引入时，观察到完全不同的特性。 由燃料氮与氧气反应形成的NOx称为燃料NOx。 燃料氮的最常见形式是存在于液体或固体燃料中的有机结合氮，其中单个氮原子与碳或其他原子键合。 这些键比双原子N2键更容易断裂，因此燃料NOx的形成速率可以比热NOx的形成速率高得多。 另外，任何引入炉中的氮化合物（例如氨）的反应都几乎相同。
燃料NOx对化学计量比对热条件更为敏感。 因此，传统的热处理（例如烟气再循环和注水）不能有效地减少液体和固体燃料燃烧产生的NOx排放。
可以在燃烧过程中或燃烧结束后控制NOx排放。 燃烧控制技术依靠空气或燃料分级技术来利用NOx形成的动力学或引入惰性气体来抑制燃烧过程中NOx的形成，或两者兼而有之。 燃烧后控制技术依赖于在指定的温度范围内引入反应物，该反应物会在使用或不使用催化剂促进破坏的情况下破坏NOx。
燃烧控制
最简单的燃烧控制技术是低过量空气运行-也就是说，将过量空气水平降低到某些约束点，例如一氧化碳的形成，火焰长度，火焰稳定性等。 不幸的是，事实证明，低空气过量运行只会产生中等程度的NOx减少（如果有的话）。
非化学计量燃烧是三种已证明可有效控制NOx排放的技术。 低NOx燃烧器，降低燃烧温度。 前两种适用于所有燃料，而第三种仅适用于天然气和低氮含量的燃油。
通过改变主要燃烧区的化学计量比，即空燃比，可以实现非化学计量的燃烧或分级燃烧。 这可以在操作上或通过设备修改来完成。
燃烧器停运（BOOS）已知的一种操作技术涉及终止向选定燃烧器的燃料流，同时使空气调节器保持打开状态。 其余的燃烧器运行时富含燃料，从而限制了氧气的可用性，降低了火焰峰值温度，并减少了NOx的形成。 未反应的产物与来自终止燃料燃烧器的空气结合，在离开炉子之前完成燃尽。 图2说明了该技术应用于电站锅炉的有效性。 分级燃烧也可以通过在燃烧器区域上方安装仅空气端口（称为过火空气（OFA）端口）来实现。 将一部分空气从燃烧器重定向到OFA端口。 这种概念的一种变化是“喷枪空气”，它包括在每个燃烧器的周围安装空气管以供应分段空气。
BOOS，过火空气和喷枪空气达到相似的效果。 这些技术通常仅适用于较大的多燃烧器燃烧装置。
低NOx燃烧器旨在内部实现分级效果。 空气和燃料流场被划分和控制以实现所需的空气/燃料比，这减少了NOx的形成并导致炉内完全燃尽。 低NOx燃烧器几乎适用于所有具有圆形燃烧器设计的燃烧设备。
降低燃烧温度可有效降低热氮氧化物，但不能降低燃料氮氧化物。 降低燃烧温度的一种方法是引入稀释剂。 烟气再循环（FGR）就是这样一种技术。
FGR将一部分烟气再循环，将燃烧过程留回到风箱中。 再循环烟气通常约为燃烧空气的10-20％，可提供足够的稀释度以减少NOx排放。 图3将排放减少的程度与再循环的烟气量相关联。
在燃气机组上，排放电弧的减少量远远超过了分级燃烧控制通常所能达到的水平。 实际上，对于燃气燃烧器，烟气回收可能是最有效，最麻烦的NOx还原系统。
FGR的一个优点是它可以与大多数其他燃烧控制方法一起使用。 当今市场上的许多工业低NOx燃烧器系统都包含感应FGR。 在这些设计中，将管道安装在烟囱和强制通风入口（吸力）之间。 烟气产品通过强制通风风扇再循环，因此无需单独的风扇。
注水是另一种基于燃烧稀释原理的方法，与FGR非常相似。 除了稀释外，它还通过吸收燃烧空气到达主燃烧区之前的水汽化潜热来降低燃烧空气温度。
几乎没有进行过大规模的注水改造或测试试验。 直到最近，注水还没有被用作除燃气轮机以外的任何燃烧装置上的主要NOx控制方法，这是因为吸收了可利用的能量来蒸发水而导致效率下降。 在某些情况下，注水是一个可行的选择，可以考虑何时需要适度减少NOx以达到法规要求。
降低空气预热温度是淘汰NOx排放的另一种可行技术。 这降低了峰值火焰温度，从而减少了NOx的形成。 但是，效率损失可能很大。 根据经验，预热每降低40ºF，效率损失1％。 在某些情况下，这可以通过添加或扩大现有的节能器来抵消。
燃烧后控制
在燃烧过程中，有两种控制NOx排放的技术-选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）。 在美国，这两种方法在外部燃烧设备上的应用都非常有限。 在选择性催化还原中，氨与载气（通常为压缩空气）的气体混合物被注入到催化反应器的上游，该反应器在450°F至750°F的温度下运行。NOx控制效率通常在70-90％的范围内，取决于催化剂的类型，注入的氨量，初始NOx含量和催化剂的寿命。
在现有燃烧装置上对SCR的改造可能是复杂且昂贵的。 除了对氨气的存储，准备和控制监控的要求外，可能还需要对对流通道进行重大修改。
在选择性非催化还原中，将基于氨或尿素的试剂注入到炉膛出口区域，该处的烟气温度在1,700-2,000ºF范围内。此过程的效率取决于试剂的气体温度与气体混合，在温度窗口内的停留时间以及相对于存在的NOx浓度注入的试剂量。 模具反应的最佳气体温度为约1,750°F。 偏离此温度会导致NOx还原效率降低。 因此，必须认真评估SNCR的应用，因为其有效性非常取决于燃烧装置的设计和运行。
技术选择
如前所述，适用的NOx控制技术的选择取决于多种燃料，设计和运行因素。 在确定适用的控制技术之后，必须进行经济评估，以根据其成本效益对这些技术进行排名。 然后，管理层可以为特定设备选择最佳的NOx控制技术。
应该注意的是，NOx控制技术的效率不是累加的，而是乘法的。 已经证明现有燃烧装置的效率要比基准排放水平降低百分之。 在考虑技术组合时必须考虑到这一点。
例如，考虑以下假设情况。 假设基准NOx排放水平为100 ppmv，控制技术效率如下：低空气过量运行（LEA）为10％； 低NOx燃烧器（LNB），占40％； 烟气再循环（FGR）。 60％。 这三个控件以LEA-LNB-FGR的递增顺序安装。
还应该指出的是，将相同原理的技术（例如，两种分阶段燃烧）相结合不会比任何一种组合进一步显着降低NOx排放，因为它们的工作原理相同。
必须强调的是，实际上所有可用的控制技术都可能对设备的性能和/或操作产生不利影响。 因此，在选择适用的控制技术之前，必须考虑到此类潜在影响，仔细评估在NOx特性测试期间获得的运行数据。 必须为每种潜在技术确定运行限制，例如火焰包络，炉膛压力，强制通风风扇容量等，并量化其相应影响。 （例如，参考文献（4）详细讨论了这些项目。）
熟悉燃烧过程的任何人都知道，一种技术不能满足所有需求。 他必须仔细考虑选择合适的兼容控制技术，以确保至少以成本实现合规性，而对性能，操作和容量的影响最小。
No comments:
Post a Comment