分级燃烧降低煤粉炉nox排放的化学机理及影响因素

煤燃烧对中国生态环境造成了严重的破坏，所释放的 SO2、CO2、 NOx 和粉尘量分别占到其总排放量的 87%、71%、67%和 60%。燃煤产生的环境污染严重制约了中国能源工业乃至整个国民经济的更加快速 发展。在这之中，电厂排出的氮氧化物（NOx）对人类及整个生态环境造成了严重的危害。为此，国家环 保总局于 1996 年 3 月 7 日颁布了火电厂大气污染物排放标准 （GB13223-96） ，明确规定了 1997 年 1 月 1 日起新、扩、改建 300 MW 及以上火电机组中固态排渣煤粉炉 NOx 排放量不得超过 650 mg/Nm31 。 降低燃煤锅炉 NOx 排放的燃烧技术包括采用低 NOx 燃烧器、炉内低过量空气系数运行、组织沿炉膛 高度和水平方向的空气分级、燃料分级燃烧，及尾部烟气再循环等技术。根据西安热工研究院对中国 21 个电厂的 51 台锅炉 NOx 排放量的调查2 ，采用空气分级燃烧等传统成熟技术后，锅炉燃用烟煤、褐煤 时基本可以达到国家排放标准，但燃用低挥发分的无烟煤、贫煤和劣质烟煤时还远不能达到国家排放标准， 因此针对降低燃用无烟煤、贫煤和劣质烟煤电站锅炉 NOx 排放的各类燃烧技术的深入研究就具有重要的 现实意义。 燃料分级燃烧作为降低燃煤锅炉 NOx 排放的最为有效的炉内措施之一，在国外已经在电站 锅炉中成 功应用。如日本的 Nakoso 电厂采用燃料分级燃烧后，NOx 排放量降为 120 mg/Nm 3；在美国的示范工 程也取得了令人满意的结果，NOx 的还原率为 5877。 主要探讨燃料分级燃烧降低 NOx 的化学反应机理，并对影响燃料分级燃烧降低 NOx 排放的 各因素进 行初步对比分析，以有利于进一步利用燃料分级燃烧降低中国燃煤锅炉的 NOx 排放水平，使大气质量得 到改善。 1 燃料分级燃烧对降低 NOx 的化学反应机理 1.1 燃料分级燃烧降低 NOx 的基本原理 NOx 在遇到烃根 CHi、未完全燃烧产物 CO、C 和未完全燃烧中间产物 HCN 基团、NHi 基团时， 会被 还原为 N2。这就是燃料分级燃烧降低 NO x 的基本原理。据此，将整个炉膛分为三个区：主燃区，再燃 区与燃尽区。将占入炉总热量 8085 的燃料送入 1 的主燃区，使燃料中的氮尽可能的转化为 NOx。其余占入炉总热量 1520的燃料送入主燃区上部的再燃区，在 1 的条件下形成还原性气 氛，使得在主燃区中生成的 NOx 在再燃区中被还原成氮分子，同时抑制新的 NOx 的生成，使 NOx 的排放 浓度进一步降低。借助在再燃区上方布置的“火上风” 喷口形成的燃尽区，使在再燃区的未完全燃烧产 物得以燃尽。 1.2 燃料分级燃烧降低 NOx 的化学反应机理 国内外众多学者经过多年的研究，对基元反应的认识取得了较大的进展，但是总的来说至今仍没有达 成相对统一的观点3 。 大部分学者认为，对于不同的再燃燃料，在还原性气氛下生成的烃根 CHi、焦炭和未完全燃 烧中间产 物 HCN 基团，以下两个主要反应控制着燃料分级燃烧降低 NOx 排放的水平： C，CH，CH2HCN (1) HCN O，OHN2(2) Thorne 基于对一组 163 步基元反应机理的敏感性分析指出，敏感系数最大的两个反应为： HO2OHO(3) C，CH，CH2NOHCN (4) 并指出 CH2 对还原 NO 的反应不是很重要。Chen 和 Ma 的研究结果表明 CH2 与 CH 对 NO 的还原作 用一样重要。 Wendt 则强调燃料分级降低 NOx 排放机理中，HCN 是一种十分重要的中间产物，并认为在富燃料情 况下有以下反应： CHiNOHCN(5) 然后 HCN 通过如下的反应还原为 N 2： HCN NCO H(6) NCOH NHCO(7) NHHNH2(8) NNON2O(9) 在贫燃料情况下，烃根通过下式氧化为 CO： CHiOCOH(10) 并进一步指出反应（5）和（10）具有相互竞争性。 Wendt 同时还认为部分再燃燃料在还原性气氛下的中间产物氨基也是还原主燃区内已生成 NOx 的一 个重要途径： NONHiN2(11) 由此，再燃燃料在还原性气氛下对主燃区煤粉燃烧生成的氮氧化物的还原反应中，再燃燃料 中产生 的中间产物氰基、氨基和烃根等起到分解氮氧化物的作用。同一再燃燃料中烃类物质在燃料的贫富气氛中 起到完全不同的作用。实际应用中应使再燃区内各处处于还原性气氛，并尽量使烃根 CHi 与 NO 相接触， 避免 CHi 与 O 接触，以保证燃料分级燃烧对降低 NOx 排放的效果。燃料分级燃烧降低 NOx 的机理仍需进 一步进行研究。 2 对燃料分级降低 NOx 排放的影响因素的初步探讨 2.1 再燃燃料种类 2.1.1 气体与固体燃料作为再燃燃料降低 NOx 排放的效果比较 以甲烷和煤作为代表性再燃燃料，德国斯图加特大学的研究者对气体与固体燃料分别作为再 燃燃料 对降低 NOx 排放的效果进行实验研究比较，气体燃料（甲烷）作为再燃燃料的效果要比固体燃料（煤） 好的多。 2.1.2 气体作为再燃燃料的效果对比 根据目前资料，一般认为气体燃料与 NOx 发生还原反应时，烃根是最有利于 NOx 还原的成分。 Spliethoff 等研究者的实验结果表明4 ，再燃燃料中不同碳氢化合物浓度的变化（20100）对 NOx 的还原率没有太大的影响。因此，中国各种工业副产气均可以考虑用来作为再燃燃料以降低燃煤锅炉 NOx 的排放水平。但由于天然气在燃烧时可以产生大量的烃根且不含有 N 元素，因此相对来说天然气是 最佳的再燃燃料。 2.2 再燃区过量空气系数 再燃区中过量空气系数对 NOx 的浓度影响很大。在一定的条件下（如一定的温度和停留时间） ，有一 个最佳的过量空气系数，此时 NOx 的浓度值最低。一般来说，再燃区过量空气系数 2 选在 0.71 之间 5 ，但最佳值应根据煤种、再燃燃料、温度和停留时间等通过实验来确定。 再燃区空气过量系数 2 的减小虽有利于 NOx 的降低，但同时会引起飞灰含碳量的增加。根据实际 运行结果，当 2 小于 0.8 时，飞灰含碳量急剧增加。另外，再燃区过量空气系数越低，其还原性气氛越 强，容易造成炉膛水冷壁的高温腐蚀；当炉内气流出现刷墙时，由于灰熔点的降低，加剧水冷壁的结渣， 危及锅炉的安全运行。因此，从提高燃烧效率和飞灰的综合利用以及锅炉安全运行方面来考虑，再燃区过 量空气系数不宜选得过低。 2.3 再燃区温度水平 随着再燃区中 2 的降低，NOx 的浓度也很快降低。高温度水平下主燃区生成的高 NO x 浓度随再燃 区内过量空气系数的减小，NOx 的 降低率加大。考虑到热力型 NOx 在 1 500 后 将呈指数规律升高， 再燃区温度应低于此温度水平，以免燃尽区补充氧量后空气中的氮气与 氧生成热力型 NOx，导致锅炉 NOx 排放整体水平的提高，从而降低分级燃烧降低 NOx 排 放的效果。 2.4 再燃区停留时间 再燃区停留时间是由再燃燃料喷口和燃尽风喷口的位置决定的。为了延长再燃区停留时间， 如将再 燃燃料喷口过于靠近主燃烧器，则会降低燃尽率与 NOx 的还原率；如将燃尽风喷口 上移，将使飞灰含碳 量升高，降低燃烧效率并危及飞灰的综合利用。因此，针对具体的条件 ，再燃区停留时间存在最佳值， 并由试验确定。 3 结论 1再燃燃料中产生的中间产物氰基、氨基和烃根等起到分解氮氧化物的作用。实际应用中 应使再燃 区内各处处于还原性气氛下，以使烃根 CHi 与 NO 相接触，避免 CHi 与 O 接触，从 而保证燃料分级燃烧