分级燃烧降低煤粉炉NOx排放的化学机理及影响因素

分级燃烧降低煤粉炉分级燃烧降低煤粉炉 noxnox 排放的化排放的化 学机理及影响因素学机理及影响因素 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 nm3 1 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 58 77 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燃料分级燃烧对降低 nox 的化学反应机理的化学反应机理 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 80 85 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 15 20 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 ch2 hcn 1 hcn o oh n2 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 h o2 oh o 3 c ch ch2 no hcn 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 chi no hcn 5 然后 hcn 通过如下的反应还原为 n 2 hcn nco h 6 nco h nh co 7 nh h n h2 8 n no n2 o 9 在贫燃料情况下 烃根通过下式氧化为 co chi o co h 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 no nhi n2 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 对燃料分级降低对燃料分级降低 nox 排放的影响因素的初步探讨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 20 100 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 7 1 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