低氮燃燒技術(shù)淺析

郭江源，張志勇，武 潔

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

氮氧化物（NOx）指的是只由氮、氧兩種元素組成的化合物。常見(jiàn)的NOx包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化二氮（N2O）、五氧化二氮（N2O5）等。作為空氣污染物的NOx常指NO 和NO2[1]。全球每年因人類向大氣排放的NOx約5300 萬(wàn)噸。NOx對(duì)自然環(huán)境的破壞力非常大，它是形成酸雨、光化學(xué)煙霧的重要物質(zhì)，同時(shí)也是消耗臭氧的一個(gè)重要因子[2]。火力發(fā)電廠作為NOx的一個(gè)重要排放源，每年會(huì)向大氣中排放大量的NOx，近些年隨著國(guó)家環(huán)保政策的日益嚴(yán)格，NOx排放得到嚴(yán)格控制。目前國(guó)家大力推行火電廠超低改造，依據(jù)超低排放的要求，NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為50 mg/m3[3]。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部2018 年數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)實(shí)現(xiàn)超低排放的煤電機(jī)組約8.1×109kW，占全國(guó)煤電總裝機(jī)容量的80%[4]。

1 NOX 生成機(jī)理

燃煤電廠鍋爐燃燒過(guò)程中NOx的生成機(jī)理主要包括3 種，即3 種NOx類型：燃料型NOx，熱力型NOx以及快速型NOx。NOx生成量主要受溫度、氧含量以及反應(yīng)時(shí)間的影響，圖1 是3 種類型NOx與溫度的關(guān)系曲線。

1.1 燃料型NOx

燃料型NOx是NOx的主要來(lái)源，是由于煤中含氮有機(jī)物的C-N 鍵能約為253 kJ/（g·mol），比氮分子的N≡N 鍵能946 kJ/（g·mol）小得多，燃燒過(guò)程中很容易吸收足夠的能量而斷裂。燃料燃燒過(guò)程中主要是兩種成分的燃燒，即揮發(fā)分和焦炭的燃燒，因此燃料型NOx也由這兩部分燃燒生成的NOx組成，其中揮發(fā)分氮占到絕大多數(shù)，約為75%～95%，當(dāng)煤熱解脫去揮發(fā)分時(shí)，氮主要以胺類和氰類等形式隨揮發(fā)份析出，主要是HCN 和NH3，與含氧化合物反應(yīng)生成NOx。其次是焦炭氮燃燒生成的NOx。有研究表明，焦碳氮轉(zhuǎn)變?yōu)镹Ox是在火焰尾部焦炭燃燒區(qū)生成的，該區(qū)域的氧含量相對(duì)較低，同時(shí)焦碳顆粒容易在高溫條件下發(fā)生熔結(jié)，封閉孔隙，減少了反應(yīng)的比表面積，限制了NOx 的生成，焦炭氮一般占到燃料型NOx的25%左右[5]。

1.2 熱力型NOx

熱力型NOx主要由燃燒空氣中的N2與含氧物質(zhì)反應(yīng)生成，占到總NOx排放量的15%～25%。熱力型NOx的生成過(guò)程是一個(gè)不分支的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，根據(jù)Zeldovich 機(jī)理，反應(yīng)方程式為：

氮原子從式（2）中產(chǎn)生，空氣中N2鍵能較高為946 kJ/（g·mol），比一般化合物鍵能高很多，所以該反應(yīng)控制著反應(yīng)速度，是整個(gè)反應(yīng)的關(guān)鍵反應(yīng)。由圖1 可以看出，當(dāng)溫度＞1400 ℃時(shí)，熱力型NOx生成量迅速增大。同時(shí)研究也表明，溫度對(duì)于熱力型氮氧化物生成量的影響大于氧量和反應(yīng)時(shí)間[6]。

圖1 3 種類型NOX 生成量與溫度的關(guān)系

1.3 快速型NOx

快速型NOx是1971 年由Fenimore 發(fā)現(xiàn)的。碳?xì)浠衔锶剂先紵谌剂蠞舛冗^(guò)濃時(shí)，在反應(yīng)區(qū)附近會(huì)快速生成NOx，因此叫作瞬時(shí)型NOx?？焖傩蚇Ox生成反應(yīng)的時(shí)間大概是0.06 s，溫度依懶性較低。反應(yīng)過(guò)程為：

快速型NOx占全部的NOx的5%左右[7]。

不同于選擇性催化還原技術(shù)（SCR）以及選擇性非催化還原（SNCR）在燃燒后進(jìn)行NOx控制，低氮燃燒技術(shù)主要是在燃燒的過(guò)程中來(lái)控制NOx的生成，形成了包括低氧燃燒、空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)技術(shù)在內(nèi)的多種低氮燃燒技術(shù)，結(jié)合SCR 與SNCR 脫硝技術(shù)進(jìn)一步控制NOx生成量。

2 低氮燃燒技術(shù)

2.1 低氧燃燒技術(shù)

低氧燃燒降低氮氧化物是通過(guò)燃燒及制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，減少入爐風(fēng)總量，即氧濃度，使燃燒過(guò)程中的過(guò)量空氣系數(shù)盡可能接近1，也就是在在接近理論空氣量的條件下進(jìn)行燃燒，盡可能滿足鍋爐燃燒效率的情況下進(jìn)行NOx控制，一般可以降低15%～20%的NOx排放量。目前常用的一種低氧燃燒技術(shù)是高溫低氧燃燒技術(shù)，它主要通過(guò)提高助燃空氣溫度來(lái)對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行穩(wěn)燃，助燃空氣預(yù)熱溫度越高，穩(wěn)燃范圍越大，越有利于燃料的充分燃燒。有研究表明，當(dāng)助燃空氣的溫度提高到1000 ℃以上時(shí)，燃燒區(qū)的氧濃度降低到2%時(shí)仍然可以穩(wěn)定燃燒[8]。在張國(guó)華的試驗(yàn)中，使用低氧燃燒技術(shù)之后，氮氧化物濃度下降了12.5%。降低氧含量雖然能夠很好的控制NOx的生成量，但也會(huì)造成燃料燃燒不充分，飛灰含碳量及能耗增加[9]。同樣，龔殿在對(duì)某電廠的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，降低氧含量后，氮氧化物濃度明顯降低，飛灰含碳量明顯上升，鍋爐效率降低，而且出現(xiàn)水冷壁結(jié)焦現(xiàn)象[10]。

2.2 空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

空氣分級(jí)燃燒的基本原理是將燃料的燃燒過(guò)程分階段完成。第一階段，主燃燒區(qū)內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)α＜1，因而降低了燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度和溫度水平，降低了熱力型以及燃料型NOx的生成量。為了完成全部燃燒過(guò)程，通過(guò)在主燃燒區(qū)域之外噴入空氣，與主燃燒區(qū)域燃燒所產(chǎn)生的煙氣混合，在α＞1 的條件下完成全部燃燒過(guò)程，這時(shí)由于溫度較燃燒中心溫度顯著降低，燃料型和熱力型NOx特別是熱力型氮NOx生成量明顯降低。結(jié)合兩級(jí)燃燒綜合來(lái)看NOx總體生成量減少[11]。燃煤鍋爐中空氣分級(jí)燃燒的實(shí)現(xiàn)方式主要包括兩類：垂直方向的空氣分級(jí)燃燒和水平方向的空氣分級(jí)燃燒[12]。才雷等人通過(guò)對(duì)采用空氣分級(jí)燃燒前后的數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)現(xiàn)爐膛溫度，飛灰可燃物以及未完全燃燒熱損失升高，而鍋爐效率和氮氧化物濃度降低，特別是氮氧化物排放濃度顯著降低（降低39.5%）。不同的過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)于NOx的生成有明顯的影響[13]。

2.3 燃料分級(jí)燃燒技術(shù)

燃料分級(jí)燃燒原理是將80%～85%的燃料送入第一級(jí)燃燒區(qū)，在α>1 條件下，燃燒并生成NOx。送入一級(jí)燃燒區(qū)的燃料稱為一次燃料，其余15%～20%的燃料則在主燃燒區(qū)的上部送入二級(jí)燃燒區(qū)，二級(jí)燃燒區(qū)又稱再燃區(qū)，送入二級(jí)燃燒區(qū)的燃料又稱為二次燃料，或稱再燃燃料。在再燃區(qū)中不僅使得已生成的NOx得到還原，還抑制了新的NOx的生成，可使NOx的排放濃度進(jìn)一步降低。在α<1 的條件下形成很強(qiáng)的還原性氣氛，在燃燒中已生成的NO 遇到烴根CHi 和未完全燃燒產(chǎn)物CO、H2、C 和CnHm時(shí)，會(huì)發(fā)生NO 的還原反應(yīng)，反應(yīng)式為：

在再燃區(qū)上方在設(shè)置燃盡區(qū)，對(duì)未完全燃燒的燃料進(jìn)行燃燒。影響燃料分級(jí)燃燒的主要因素：在燃燃料種類、再燃區(qū)溫度、再燃區(qū)停留時(shí)間、再燃區(qū)空氣過(guò)剩系數(shù)、在燃燃料投入位置及混合狀況[14]。根據(jù)曾慶廣等人對(duì)常規(guī)燃燒和燃料分級(jí)燃燒的對(duì)比結(jié)果顯示，采用燃料分級(jí)燃燒后氮氧化物濃度降低明顯，降低了21.2%[15]。

2.4 煙氣再循環(huán)

目前使用較多的還有煙氣再循環(huán)法，它是在鍋爐的空氣預(yù)熱器前抽取一部分低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t內(nèi)，或與一次風(fēng)或二次風(fēng)混合后送入爐內(nèi)，不但可降低燃燒溫度，而且也降低了氧氣濃度，直接影響燃料型和熱力型NOx的生成量，進(jìn)而降低了NOx的排放濃度。從空氣預(yù)熱器前抽取溫度較低的煙氣，通過(guò)再循環(huán)風(fēng)機(jī)將抽取的煙氣送入空氣煙氣混合器，和空氣混合后一起送入爐內(nèi)，再循環(huán)煙氣量與無(wú)再循環(huán)時(shí)的煙氣量之比，稱為煙氣再循環(huán)率，即：再循環(huán)率=再循環(huán)煙氣量/無(wú)再循環(huán)煙氣量×100%。

煙氣再循環(huán)法降低NOx排放的效果與燃料品種和煙氣再循環(huán)率有關(guān)。NOx的降低率隨著煙氣再循環(huán)率變化而變化如圖2 所示。經(jīng)驗(yàn)表明，煙氣再循環(huán)率為15%～20%時(shí)，煤粉爐的NOx排放濃度可降低25%左右。而且與燃料種類和燃燒溫度有關(guān)，燃燒溫度越高，煙氣再循環(huán)率對(duì)NOx降低率的影響越明顯。根據(jù)華海峰等人的研究結(jié)果顯示采用煙氣再循環(huán)技術(shù)之后床溫和爐膛氧量以及氮氧化物濃度均降低，氮氧化物平均降低14.1%[16]。但是，增加煙氣再循環(huán)后，煙氣中攜帶粉塵顆粒對(duì)再循環(huán)風(fēng)機(jī)及一次風(fēng)機(jī)造成一定程度的磨損。

圖2 煙氣再循環(huán)率與氮氧化物生成量的關(guān)系

低氧燃燒、空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒以及煙氣再循環(huán)等多種低氮燃燒技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，均在各種鍋爐類型中有應(yīng)用，效果得到了多方面的驗(yàn)證，通過(guò)總結(jié)分析得出表1 中各低氮燃燒技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及運(yùn)行效果。

3 結(jié)語(yǔ)

低氮燃燒技術(shù)主要是是基于NOx的3 種生成機(jī)理，采用降低燃燒區(qū)氧量、溫度以及反應(yīng)時(shí)間來(lái)降低氮氧化物濃度，可以再一定程度上降低NOx的生成量，但會(huì)造成飛灰含碳量以及系統(tǒng)能耗的增加，鍋爐效率的降低。單一的低氮燃燒技術(shù)并不能滿足目前NOx的排放控制要求，需要結(jié)合SCR 以及SNCR 技術(shù)進(jìn)行NOx協(xié)同控制。目前低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用很多，不同的發(fā)電企業(yè)對(duì)于不同的低氮燃燒技術(shù)NOx減排效果程度不盡相同，并沒(méi)有找到一個(gè)環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益的最佳平衡點(diǎn)。在今后低氮燃燒的研究和發(fā)展過(guò)程中，可以將研究的重點(diǎn)放在鍋爐燃燒和氮氧化物減排的平衡點(diǎn)尋找方面，最大限度的挖掘低氮燃燒技術(shù)的NOx減排效果，降低還原劑的使用量以及使用還原劑帶來(lái)的一系列問(wèn)題，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

表1 各類低氮燃燒技術(shù)對(duì)比