不同再燃技術(shù)降低燃煤鍋爐NOx排放的對比分析

周虎飛, 任建興, 李芳芹, 李浩陽

(上海電力大學(xué) 能源與機械工程學(xué)院, 上海 200090)

火力發(fā)電是我國電力的主要來源。近幾年火力發(fā)電的發(fā)電量從1949年的3.6×109kWh大幅增長到2021年的5.805 9×1012kWh,增長了近1 612倍[1]。我國火力發(fā)電的發(fā)電量占比基本穩(wěn)定在80%左右,但同時也伴隨著氮氧化物排放污染嚴重。

隨著對污染物的排放控制要求越來越嚴格,國內(nèi)外已經(jīng)對再燃技術(shù)進行了大量研究。張小桃等人[2]基于 FLUENT 軟件,對秸稈氣、沼氣、甲烷進行再燃模擬,結(jié)果表明當再燃噴口向下傾角為15°時,減排效果最好。王鵬濤等人[3]分析了5個因素對再燃脫硝效果的影響規(guī)律,表明增強再燃燃料噴射動量、強化再燃燃料與主煙氣的混合更有利于再燃脫硝效果。李紅鍵[4]研究了H2再燃對降低熱力型NOx的影響,結(jié)果顯示,當反應(yīng)時間增加、高溫區(qū)擴大,NH3/H2比例也相應(yīng)增加,具有較好的脫硝率。DIAU E W G等人[5]采用量子化學(xué)從頭計算法和統(tǒng)計速率常數(shù)計算方法,對H和NO的反應(yīng)進行研究,研究結(jié)果顯示含 H 的自由基是NO脫除過程中的活性反應(yīng)物,H和NO會結(jié)合生成還原性物質(zhì)HNO,HNO在反應(yīng)過程中對NO的消耗與生成具有重要影響。

由于國內(nèi)外對再燃燃料的研究較多,且對H2和NO的化學(xué)反應(yīng)進行了比較詳細的研究,但對H2作為再燃燃料的研究較少,也很少將H2實質(zhì)性地運用在鍋爐爐膛內(nèi)。因此,本文對不同再燃技術(shù)的應(yīng)用情況進行了對比分析,提出將H2作為再燃燃料,并進行了適當研究。

1 再燃技術(shù)概況

再燃降低NOx技術(shù)是將再燃燃料由主燃燒器上方增添的再燃燃燒器噴口噴入爐膛,使再燃燃料在爐膛中燃燒反應(yīng)生成CHi、NHi、HCN等還原性中間產(chǎn)物,主燃燒區(qū)生成的氮氧化物部分還原,然后在燃盡區(qū)補充適當燃盡風(fēng)使其全部燃盡[6]。

1.1 超細粉再燃技術(shù)

超細粉再燃技術(shù)在我國具有很大優(yōu)勢,主要用于大型機組電廠,通常超細粉粒徑控制在20 μm以下。

目前,很多電廠采用燃燒技術(shù)來降低NOx排放,然而該技術(shù)并不適合所有煤種。例如,爐膛燃燒低揮發(fā)分的無煙煤時,就需要高溫使無煙煤燃盡,但爐膛溫度升高,會使NOx的生成增加。相比之下,超細粉再燃技術(shù)不僅提高了煤粉再燃降低NOx的效率,而且使再燃煤粉的不完全燃燒熱損失也得到降低[7]。美國D.B.Riley公司率先將超細粉再燃技術(shù)應(yīng)用在Miliken 電站的148 MW四角切圓燃煤鍋爐上,將NOx排放降低了28%[8]。

煤粉再燃機理除揮發(fā)分的同相還原作用外,還包括焦炭表面的異相還原作用[9]。將煤粉加入再燃燃料區(qū)中,主要有CO2、CO、C、H2產(chǎn)生,各物質(zhì)還原氮氧化物的主要途徑如下。

(1) CO對NO同相還原:

NO+CO=CO2+N2

(1)

(2) NO在焦炭表面分解,異相反應(yīng):

C+2NO=CO2+N2

(2)

2C+2NO=2CO+N2

(3)

(3) H2對NO同相還原:

2NO+H2=H2O+N2

(4)

煤粉粒徑是影響超細粉再燃降低NOx效率的重要因素,同時還影響工藝參數(shù)的最優(yōu)配置[10]。再燃效果隨再燃煤粉粒徑的減小而增強。煤粉粒徑越小,比表面積越大,反應(yīng)活性更高、釋放出的揮發(fā)分也越多,析出速度更快,也就意味著具有還原性的 CH 基團越多,從而使異相還原反應(yīng)速度大大提高,有利于NOx的還原;相反煤粉粒徑過大,不僅造成飛灰含碳量增大,再燃區(qū)的未完全燃燒損失也較大,不利于NOx的還原。

我國是煤炭大國,煤炭價格便宜,運費不高,超細粉來源也廣泛。超細粉再燃技術(shù)不需要添加第二種燃料,不需要額外的設(shè)備,且脫硝率可達到40%～70%,效果明顯。但超細粉的再燃效果低于其他揮發(fā)分含量高的燃料,超細粉再燃技術(shù)對煤粉粒徑要求高。煤粉粒徑越大,導(dǎo)致飛灰含碳量也越高,因此需要單獨的磨煤機來研磨再燃需要的超細粉。

針對超細粉再燃技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用,文獻[11]對600 MW機組進行改造,采用四角切圓燃燒方式,煤種為褐煤,再燃燒區(qū)煤粉平均粒徑為0.05 mm,并進行數(shù)值模擬預(yù)測,發(fā)現(xiàn)鍋爐脫硝率達到 50%左右;文獻[12]對200 MW四角切圓燃燒鍋爐進行改造,設(shè)計煤種為煙煤,采用三次風(fēng)中的超細煤粉作為再燃燃料,并利用再循環(huán)煙氣降低三次風(fēng)的含氧量,發(fā)現(xiàn)在最佳工況下脫硝率達到了40%。

1.2 天然氣再燃技術(shù)

天然氣再燃技術(shù)通過在爐膛主燃燒區(qū)上方噴入天然氣,形成各種CHi、NHi等還原性物質(zhì),使主燃燒區(qū)產(chǎn)生的 NOx還原成N2,隨后在燃盡區(qū)補入燃盡風(fēng),將再燃區(qū)產(chǎn)生的CO以及未反應(yīng)完的CH4燒掉[13]。

天然氣與NOx的反應(yīng)比較復(fù)雜,具體脫硝機理目前還不是很明確,特別是各種機理動力學(xué)參數(shù)差別較大。文獻[14]發(fā)現(xiàn)“HCCO +NO”在天然氣再燃脫硝過程中起著重要作用。它有兩個還原NO的反應(yīng):

HCCO +NO →HCNO +CO

(5)

HCCO +NO →HCN +CO2

(6)

文獻[15]發(fā)現(xiàn)CHi在天然氣脫硝中也占有很重要的地位。天然氣再燃主要反應(yīng)機理如圖1所示。

圖1 天然氣再燃主要反應(yīng)機理

由圖1可知,再燃區(qū)的O2在一定溫度下分解成O,與CH4反應(yīng)生成OH、H基團,促進生成CH3、CH2、C2H2等中間產(chǎn)物,然后再與O、NO生成HCCO、HCN等還原性物質(zhì),最后將NO還原成N2[16]。其中對降低NOx效率發(fā)生重要作用的自由基為CH3、CH2、CH、NH2、NH、N等,CHi主要來自天然氣的不完全燃燒產(chǎn)物,NHi來自天然氣不完全燃燒產(chǎn)物與 NO 相互作用形成的自由基[17]。

影響天然氣再燃脫硝的因素有很多,例如再燃區(qū)溫度、再燃區(qū)過量空氣系數(shù)、再燃區(qū)停留時間等。再燃區(qū)溫度一般控制在1 247～1 343 K,過量空氣系數(shù)為0.85～0.9,停留時間在0.4～1 s[18]。

天然氣再燃發(fā)展時間最早,技術(shù)也較成熟。其特點如下:天然氣中的還原性物質(zhì)含量高,相比其他再燃燃料降低NOx排放具有明顯的優(yōu)勢,脫硝率能達到50%～70%;天然氣本身不含N、S等污染性物質(zhì),不會產(chǎn)生二次污染。

天然氣再燃技術(shù)的最大缺點在于天然氣的儲量不足和成本較高,同時還需要單獨管道運輸,增加了安全隱患。

國內(nèi)學(xué)者對某自然循環(huán)煤粉爐進行改造,再燃噴口采用前后墻對沖布置,采用軟件對爐內(nèi)燃燒進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:當天然氣再燃燃料熱值達到15%時,脫硝率達到40%;當再燃燃料比例增加到20%,再燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.8,再燃區(qū)溫度為1 200 K左右,再燃燃料停留時間為0.5 s時,脫硝率達到70%[19]。

表1為天然氣再燃技術(shù)在工程現(xiàn)場中的應(yīng)用[20]。

表1 天然氣再燃技術(shù)的應(yīng)用

由表1可知,天然氣再燃技術(shù)的應(yīng)用較成熟,脫硝效率也比較高。

1.3 生物質(zhì)氣再燃技術(shù)

生物質(zhì)燃燒發(fā)電,分為直接混燃、并聯(lián)混燃、直接再燃3種方式[21]。天然氣再燃技術(shù)會產(chǎn)生CHi基團促進燃料燃盡和減少NOx排放,而生物質(zhì)氣的主要成分也為氣態(tài)碳氫化合物、H2、CO等還原性物質(zhì),可以很好地替代CH4作為再燃燃料[22],提高鍋爐效率,降低NOx排放以及實現(xiàn)生物質(zhì)能的充分利用。

生物質(zhì)氣再燃技術(shù)是將生物質(zhì)在一定熱力學(xué)條件下分解為含CH4、CO、H2等還原性氣體,再在再燃區(qū)噴入生物質(zhì)氣。生物質(zhì)氣中CH4、CO、H2等物質(zhì)和未完全燃燒產(chǎn)物CO、H2、C、CnHm與主燃燒區(qū)生成的NOx反應(yīng)[23]。主要反應(yīng)式如下:

4NO+CH4→2N2+CO2+2H2O

(7)

2NO+2CO→N2+2CO2

(8)

2NO+2CnHm+(2n+m/2-1)O2→

N2+2nCO2+mH2O

(9)

2NO+2H2→N2+2H2O

(10)

2NO+2C→N2+2CO

(11)

過量空氣系數(shù)是影響生物質(zhì)氣再燃的主要因素之一。當再燃區(qū)過量空氣系數(shù)過高時,含氧量增加,還原性氣氛遭到破壞,不利于降低NOx排放;生物質(zhì)氣再燃燃燒時,通常最佳再燃區(qū)過量空氣系數(shù)為 0.7～0.9。

生物質(zhì)氣再燃具有以下特點:生物質(zhì)資源來源廣泛、價格便宜;生物質(zhì)氣再燃有利于降低煤燃燒器區(qū)域局部熱負荷,降低結(jié)焦風(fēng)險,生物質(zhì)燃氣摻燒減少了鍋爐總體 NO 的生成量[24];將分散的生物質(zhì)進行收集運輸,有利于生物質(zhì)成為高品位能源。但生物質(zhì)再燃的缺點也不容忽視,如:生物質(zhì)氣再燃減少了鍋爐煤耗量,因此爐膛主燃區(qū)煙氣平均溫度較原工況相對較低,但生物質(zhì)氣再燃燃燒使得爐內(nèi)燃燒火焰中心上移,從而導(dǎo)致爐膛出口煙氣平均溫度升高,增加了鍋爐排煙熱損失[25];為了尋找最優(yōu)生物質(zhì)氣來降低NOx排放,每次試驗一種新的生物質(zhì)氣時,都需要改變最佳燃燒工況,工作量較大;生物質(zhì)氣是由生物質(zhì)熱解而來,然而生物質(zhì)散布廣泛,收集較難,增加了運費成本。

國內(nèi)學(xué)者對330 MW機組進行改造,采用平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式,研究了生物質(zhì)氣化耦合發(fā)電技術(shù)對燃煤機組的影響,結(jié)果表明,少量摻燒生物質(zhì)氣后對鍋爐原系統(tǒng)影響較小,煙風(fēng)系統(tǒng)和減溫水系統(tǒng)仍能滿足需求[26]。再燃區(qū)噴口高度也是影響再燃脫硝的因素之一。文獻[23]就再燃噴口位置對某電廠660 MW機組燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)氣再燃進行了仿真模擬,研究再燃噴口高度對鍋爐污染物排放的影響;燃燒器為四角切圓燃燒,煤種為阜新煙煤,生物質(zhì)氣采用450 ℃的松木氣,以次要流、非經(jīng)驗流的形式通入;結(jié)果表明,當再燃噴口位于再燃區(qū)中間位置,再燃系統(tǒng)降低NOx排放效果比較好,脫硝率相比原始工況降低了28.01%。

1.4 H2再燃技術(shù)

氫能作為21世紀最具代表性的清潔能源,是所有化石燃料、化工燃料中發(fā)熱值最高的。H2的燃燒性能好、燃燒速度快、燃燒產(chǎn)物為水,可實現(xiàn)真正意義上的“零碳排放”。

電解水制氫是獲得H2的重要途徑。利用電流分解水分子來制造H2,產(chǎn)品純度可達99.99%,且生產(chǎn)過程無污染物產(chǎn)生[27]?？紤]到我國西部地區(qū)“棄水棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象嚴重,通過可再生能源“電轉(zhuǎn)氣”技術(shù)用難以并網(wǎng)的發(fā)電量進行電解水得到H2,是獲取H2和解決“棄水棄風(fēng)棄光”問題的有效途徑之一[28]。

H2中的H元素與NO會發(fā)生還原反應(yīng),將H2按一定要求直接噴入爐膛再燃燃燒,利用H2混合燃燒的中間產(chǎn)物,還原NOx生成N2,從而達到降低鍋爐爐膛氮氧化物的排放。H2和 NO 的反應(yīng)可寫成

2NO + 2H2→N2+2H2O

(12)

圖2為H2與氮氧化物反應(yīng)的具體過程。

圖2 H2與NO反應(yīng)生成N2的具體過程

由圖2可見,中間生成了 HNO 和 NH 還原性物質(zhì),在 NO 足夠的情況下,最終產(chǎn)生N2,并在 H2足夠的情況下,反應(yīng)產(chǎn)生 H2O。故 H2對 NO 是有一定還原作用,其主要脫硝反應(yīng)[29]為:

H+NO+MHNO+

M (M為中間產(chǎn)物)

(13)

HNO+HNH+OH

(14)

NH+NON2

(15)

影響H2再燃的因素與天然氣大致相同,主要影響因素為再燃區(qū)溫度、再燃燃料量、再燃區(qū)過量空氣系數(shù)、再燃區(qū)停留時間等。通常再燃燃料占比為15%～20%,再燃區(qū)停留時間在0.6～1.1 s,再燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.85～0.90,再燃區(qū)溫度維持在1 000～1 250 ℃,主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)為1.1時,能夠較好地實現(xiàn)氣體燃料再燃脫硝效果[3]。由于目前國內(nèi)采用H2作為再燃燃料的研究較少,所以最佳合適工況還需進一步探尋。

H2燃燒無污染產(chǎn)生,對我國減少碳排放、顆粒物排放以及氮氧化物排放具有重要的意義。在高溫和高再燃燃料占比下,其脫硝率能達到50%左右,與碳氫氣體燃料能達到同樣的水平[29]。

但H2缺點也不容忽視。H2是易燃易爆氣體,使其充分燃燒,還需要增加燃燒室高度,同時需要增加鍋爐本體防爆面積來保證安全性[30]。H2制取難度較大,相比其他再燃燃料成本也較高。目前國內(nèi)應(yīng)用H2再燃技術(shù)的發(fā)電企業(yè)頗少,缺少實際應(yīng)用的經(jīng)驗。

2 不同再燃技術(shù)對比

對不同再燃技術(shù)降低NOx排放性能進行對比,結(jié)果如表2所示。

表2 不同再燃技術(shù)降低NOx排放性能對比

對各種再燃燃料進行經(jīng)濟性分析,具體如表3所示。

表3 不同再燃燃料經(jīng)濟性對比

由表2和表3可得如下結(jié)論。

(1) 超細粉再燃技術(shù)相比天然氣和生物質(zhì)氣再燃技術(shù),降低NOx排放的處理效果較差,一般情況下脫硝率為40%～70%,只有在煤粉粒徑足夠小的情況下脫硝率才能達到70%,但是不需要再添加第二種新燃料,價格便宜,費用為天然氣的0.43,具有良好的經(jīng)濟性。

(2) 天然氣再燃技術(shù)降低NOx排放處理效果最好,在最優(yōu)工況下,再燃燃料占比為20%,再燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.8,再燃區(qū)溫度為1 200 K左右,再燃燃料停留時間為0.5 s時,脫硝率能達到70%。但天然氣資源匱乏,且成本高,目前我國還沒有普遍采納該技術(shù)。

(3) 生物質(zhì)氣再燃技術(shù)中,由于生物質(zhì)種類繁多,目前還在試驗尋找最優(yōu)生物質(zhì)氣化氣中,并且在每次試驗新的生物質(zhì)氣時都得更換最佳工況,工作量較大。其脫硝率隨著生物質(zhì)的種類不同而不同,目前最優(yōu)能達到65%左右。生物質(zhì)費用較低,但需要單獨購買生物質(zhì)氣化爐,如果直接購買生物質(zhì)氣,其費用相當高,位居第一。

(4) H2再燃技術(shù)在再燃區(qū)溫度為1 600 K左右,再燃燃料占比為30%下,脫硝率能達到50%左右,與碳氫氣體燃料達到同樣的水平,是一種合適燃煤鍋爐降低NOx排放的技術(shù)。

3 結(jié) 論

(1) 再燃燃料技術(shù)降低NOx排放的機理是通過產(chǎn)生中間產(chǎn)物NHi、CHi、HNO等來還原NOx。其工況參數(shù)基本接近,分別為:主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)為1.1;燃盡區(qū)過量空氣系數(shù)為1.0～1.2;再燃燃料占比為15%～20%;再燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.85～0.9;再燃區(qū)溫度為1 250 K左右;再燃區(qū)停留時間為0.6～0.8 s。

(2) H2是一種能夠降低NOx排放的再燃燃料。通過分析可知,H2在爐內(nèi)燃燒能夠產(chǎn)生還原NOx的中間產(chǎn)物,并能脫除爐內(nèi)20%～30%的NO,在1 600 K高溫和30%的高再燃燃料占比下,脫硝率達到50%左右,較接近碳氫氣體燃料,且H2燃燒產(chǎn)物為水,具有零污染排放的特點。H2再燃技術(shù)作為我國燃煤鍋爐降低NOx排放技術(shù)具有較大的優(yōu)越性。