分级燃烧降低煤粉炉NOx排放的化学机理及影响因素

1、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300MW及以上火电机组中固态排渣煤粉炉NOx排放量不得超过650mg/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

2、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120mg/Nm3；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

3、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NOx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

4、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)HCNO，OHN2(2)Thorn

5、e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N2：HCNNCOH(6)NCOHNHCO(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

6、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

7、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

8、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

9、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NOx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1500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降低