空氣分級燃燒降低NOx排放機(jī)理及影響因素

邵偉濤， 王文歡， 潘衛(wèi)國

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200090)

環(huán)保技術(shù)

空氣分級燃燒降低NOx排放機(jī)理及影響因素

邵偉濤， 王文歡， 潘衛(wèi)國

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200090)

闡述了電站燃煤鍋爐空氣分級燃燒技術(shù)降低NOx排放的機(jī)理，分析了影響空氣分級燃燒效率的主要因素，討論了各種因素對煤粉燃燒過程中NOx生成量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：NOx的生成量隨著爐內(nèi)溫度和過量空氣的增加而逐漸增加，隨著煙氣在爐內(nèi)停留時(shí)間的延長和煤粉細(xì)度的增加而逐漸減小。

空氣分級燃燒； 反應(yīng)機(jī)理； NOx排放； 影響因素

Mechanism of NOxEmission Reduction by Air-staged

氮氧化物 (NOx)是造成酸雨、溫室效應(yīng)以及光化學(xué)煙霧的主要根源，嚴(yán)重影響了人們的生活環(huán)境，成為關(guān)注的焦點(diǎn)。我國的NOx排放總量在2014年已達(dá)到2 078萬t，其中近一半來自于火電廠[1]。目前國內(nèi)外燃煤電廠降低NOx排放的主要技術(shù)包括空氣分級燃燒技術(shù)和尾部的煙氣SCR脫硝技術(shù)：尾部煙氣SCR脫硝技術(shù)一般對NOx的脫除效率能達(dá)到80%以上，但是投資費(fèi)用太高；而空氣分級燃燒技術(shù)不僅對NOx的脫除效率能達(dá)到30%～40%，且投資費(fèi)用是最低的[2]。所以燃煤電站一般采用空氣分級燃燒技術(shù)作為一級爐內(nèi)脫硝來降低NOx的排放，從而減少了SCR脫硝的噴氨量，降低了投資費(fèi)用。因此了解空氣分級燃燒降低NOx排放機(jī)理及其影響因素，對降低爐膛出口NOx排放量顯得尤為重要。

1 空氣分級燃燒原理

1.1 NOx的生成機(jī)理

電站燃煤鍋爐的NOx主要分燃料型、熱力型和快速型3種類型：燃料型NOx主要是由空氣的氧與燃料中含氮的有機(jī)物燃燒反應(yīng)而生成的，受溫度的影響比較小，空氣與燃料的混合比(空燃比)對其影響較大，其體積分?jǐn)?shù)一般在75%～90%；熱力型NOx是由高溫下空氣中的N2被氧化而生成的，其受溫度的影響最大，生成量當(dāng)爐內(nèi)的溫度低于1 500 ℃時(shí)極少，但當(dāng)溫度大于1 500 ℃時(shí)，每升高約100 K，反應(yīng)速率會增加6～7倍，其體積分?jǐn)?shù)一般低于20%；快速型NOx主要由周圍的氧與煤燃燒生成的中間產(chǎn)物HCN和N，在高溫下以極快的反應(yīng)速率生成的，其生成量受周圍氧量影響較大，受溫度的影響較小，體積分?jǐn)?shù)一般在5%以下[3-5]。

1.2 空氣分級燃燒的基本原理

空氣分級燃燒是使燃料燃燒所需的氧量通過合理分配，分兩段送入爐內(nèi)的主燃燒區(qū)和燃盡區(qū)，使燃料經(jīng)過“缺氧燃燒”和“富氧燃燒”兩個(gè)過程，以此達(dá)到降低NOx排放的目的。在主燃燒區(qū)送入所需空氣量的70%～85%，此時(shí)由于氧氣量少，爐內(nèi)的溫度就較低，降低了熱力型NOx的生成；另外，由于氧量較少，煤粉不完全燃燒產(chǎn)生的還原性產(chǎn)物(如NH3和HCN),會還原裂解已生成的NOx,從而抑制了燃料型NOx的生成。在燃盡區(qū)送入燃燒所需的剩余空氣，一般占總二次風(fēng)的15%～30%，以使煤粉燃燒殆盡，降低了煙氣中的飛灰含碳量，由于此時(shí)燃盡區(qū)的火焰溫度較低，新生成NOx的量很少。因此，降低了總的NOx的生成量[6-7]。爐膛內(nèi)煤粉燃燒被劃分成主燃區(qū)、還原區(qū)和燃盡區(qū)(見圖1)。

圖1 空氣分級燃燒分布圖

2 空氣分級燃燒降低NOx排放主要影響因素

影響空氣分級燃燒降低NOx排放的因素有很多，概括起來主要受煤種和燃燒條件的影響。燃燒條件影響的因素主要包括：主燃燒區(qū)的過量空氣系數(shù)、爐內(nèi)煙氣的停留時(shí)間、爐內(nèi)主燃燒區(qū)的溫度水平以及煤種和煤粉細(xì)度的影響。

2.1 主燃燒區(qū)的過量空氣系數(shù)的影響

主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)(α)是影響空氣分級燃燒減少NOx排放的主要因素。當(dāng)α過高時(shí)，爐內(nèi)有較多的氧量，煤粉會得到充分的燃燒，提高了燃料型NOx的生成；有足夠的氧量提供燃燒，提升了主燃燒區(qū)的溫度，一定程度上促進(jìn)了熱力型NOx的生成；當(dāng)α過低時(shí)，爐內(nèi)進(jìn)行缺氧燃燒，由于缺氧使煤粉不完全燃燒，生成大量的還原性中間產(chǎn)物(如HCN和NH3)，還原分解已生成的NOx,從而降低了NOx的排放；但是當(dāng)α過低時(shí)，增大了爐膛出口煙氣中的飛灰含碳量，增加了機(jī)械未完全燃燒損失，降低了鍋爐效率。此外，α過低會使?fàn)t內(nèi)主燃燒區(qū)的壁面附近呈現(xiàn)還原性氣氛，比較容易產(chǎn)生高溫腐蝕。圖2是在實(shí)驗(yàn)爐中燃燒揮發(fā)分為25.25%、固定碳57.57%、水分3.89%、灰分13.29%的煤種，得出NOx減少率和CO排放量隨α(主燃燒區(qū))的變化關(guān)系[8]。當(dāng)α<0.85時(shí)，隨著α的減小，NOx的減少率已經(jīng)變化不大，但此時(shí)爐膛出口CO的排放量明顯增加，因此α的選擇不應(yīng)低于0.85。對于具體的煤種和燃燒設(shè)備，α應(yīng)根據(jù)具體的試驗(yàn)而定。

圖2 主燃燒區(qū)的過量空氣系數(shù)對NOx減少率和CO排放量的影響

2.2 煙氣停留時(shí)間的影響

圖3是溫度在1 300 ℃下采用空氣分級燃燒煙煤時(shí)，煙氣在不同時(shí)間停留下NOx排放量與α的關(guān)系(6%O2下)[9]。由圖3可知，煙氣在不同時(shí)間停留下，NOx的排放量隨著主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)的減小而急劇減少：當(dāng)停留時(shí)間從1 s增至4 s時(shí)，NOx排放濃度明顯減少；從4 s增至5 s時(shí)，NOx排放濃度減少則不明顯。綜合考慮，當(dāng)α選擇在0.8～0.9，煙氣停留時(shí)間選擇在3～5 s時(shí)，NOx的排放量最少。

圖3 煙氣在不同時(shí)間停留下NOx排放量與α的關(guān)系

α以及主燃燒區(qū)與SOFA風(fēng)噴口的距離決定著煙氣在還原區(qū)的停留時(shí)間。煙氣在爐內(nèi)還原區(qū)的速度和溫度，隨著α的減小而降低，從而延長了煤粉在還原區(qū)停留的時(shí)間，促進(jìn)了NOx還原，減少了NOx的排放。隨著主燃燒區(qū)與SOFA風(fēng)噴口距離的增加，增長了爐內(nèi)NOx被分解的時(shí)間，也減少了NOx的排放。因此，α和SOFA噴口的位置高低決定著爐內(nèi)煙氣的停留時(shí)間和降低NOx排放的程度。

2.3 溫度的影響

圖4是不同溫度下NOx排放量隨α變化的關(guān)系(6%O2下)[10]。當(dāng)α<0.8時(shí)，火焰的溫度越高，NOx的排放量越少，主要是因?yàn)榘凑誑Ox的生成機(jī)理，當(dāng)反應(yīng)中O2的含量越低，此時(shí)反應(yīng)的溫度越高，反應(yīng)越向NOx減少的方向進(jìn)行，所以生成的NOx量越少；當(dāng)α>0.8時(shí)，隨著O2量的逐漸增大，此時(shí)的溫度越高，反應(yīng)越向NOx增加的方向進(jìn)行，所以生成的NOx量越多。因此，在采用空氣分級燃燒不同的煤種時(shí)，主燃燒區(qū)反應(yīng)溫度的控制和α的選擇，對NOx減少程度有著顯著的影響。

圖4 不同反應(yīng)溫度下NOx排放量與α關(guān)系

2.4 煤種及煤粉細(xì)度的影響

煤粉中HCN、CN、NH3等含氮的有機(jī)物，在爐膛內(nèi)分揮發(fā)分氮和焦炭氮進(jìn)行析出，其中燃料型NOx的60%～80%來源于揮發(fā)分氮的氧化，而剩余的20%～40%則來自于焦炭氮的氧化?？諝夥旨壢紵脑砭褪亲柚箵]發(fā)分氮向燃料型NOx的氧化，所以煤的揮發(fā)性越高，空氣分級燃燒對NOx的減排效果越顯著[11]。

在沒有采用空氣分級燃燒時(shí)，燃燒粗煤粉排放的NOx量要低于細(xì)煤粉；而采用空氣分級燃燒時(shí)，則產(chǎn)生相反的結(jié)果[12]。這主要是由于較細(xì)的煤粉，燃料中的揮發(fā)性物質(zhì)更容易釋放，在主燃燒區(qū)α較小時(shí)，形成更濃的還原性氣氛，使氮的中間產(chǎn)物得以還原分解，降低了向NOx轉(zhuǎn)化。另外，煤粉越細(xì)，反應(yīng)的比表面積越大，著火提前，延長了NOx還原的時(shí)間，近一步降低了NOx的排放[13]。

3 結(jié)語

(1) 空氣分級燃燒時(shí)，NOx排放量隨著α的減小而減少，而CO的排放量卻逐漸增加，使未完全燃燒損失增加，因此燃燒不同煤種均存在一個(gè)最佳α。

(2) 空氣分級燃燒時(shí)，NOx的還原程度受煙氣停留時(shí)間的影響，且與α和主燃燒區(qū)與SOFA風(fēng)噴口的距離有關(guān)。

(3) 空氣分級燃燒時(shí)，主要是在主燃燒區(qū)形成一個(gè)高溫強(qiáng)還原性氣氛，當(dāng)α較低時(shí)，提高主燃燒區(qū)溫度，可以促進(jìn)NOx的還原反應(yīng)，降低NOx的排放。

(4) 空氣分級燃燒時(shí)，燃燒較細(xì)煤粉相比于燃燒較粗煤粉，能更多地降低NOx的排放。

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Combustion and the Influencing Factors

Shao Weitao, Wang Wenhuan, Pan Weiguo

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090, China)

An introduction is presented to the mechanism of NOxemission reduction by air-staged combustion in coal-fired boilers, together with an analysis on the factors influencing the efficiency of air-staged combustion, and a discussion on the variation law of NOxgeneration with various factors. Results show that the NOxgeneration increases with the rise of temperature and excess air in the furnace, which reduces with the rise of flue gas residence time in the furnace and the fineness of pulverized coal particles.

air-staged combustion; reaction mechanism; NOxemission; influencing factor

2016-04-07；

2016-05-12

邵偉濤(1989—)，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榛痣姀S大氣污染物控制。

E-mail: sweitao1011@163.com

TK227.1

A

1671-086X(2017)01-0023-03