低揮發分煤低NOX燃燒技術研究與開發

劉克軍，徐 杰，孔令軍，費 俊，孫 銳，孫紹增

(1.華電青島發電有限公司，山東 青島 266031;2.哈爾濱工業大學 燃燒工程研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 前言

中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，2008年我國的煤炭生產量和消費量分別為27.16億t和27.5億t，占世界同期煤炭生產和消耗總量的41%，其中約84%的煤炭直接用于燃燒。煤燃燒產生NOX主要為燃料型NOX，其中燃煤電站排放的NOX約占80% ～90%［1］，成為主要排放源。據《中國火電廠氮氧化物排放控制技術方案研究報告》統計［2］，2009年年火電廠排放的NOX總量已增至860萬t，比2003年的597.3萬t增加了43.9%，約占全國NOX排放量的35% ～40%。按照目前的排放控制水平，到2020年，我國火電排放的 NOX將達到1 234萬t以上。火電廠排放的NOX一直未進行有效地控制，且目前排放總量在隨火電機組容量的增加而增加。因此，控制火電廠NOX排放至關重要。

目前，我國燃煤電廠控制NOX排放技術措施一般包括低NOX燃燒技術和煙氣脫硝技術。低NOX燃燒技術主要包括空氣分級燃燒技術、低NOX燃燒器、再燃技術、煙氣再循環技術及其它低NOX燃燒技術，如低氧燃燒技術和90年代在發達國家開始普遍推廣應用一種全新型燃燒技術—高溫空氣燃燒技術［3］等。其中空氣分級燃燒技術是國內外均普遍采用比較成熟的低NOX燃燒技術，在電站鍋爐中應用也最普遍，NOX脫出效率達 15% ～ 30%［4－6］;低NOX燃燒器基于空氣分級原理設計，種類較多，如PM(Pollution Minimum)型直流式低NOX燃燒器和雙調風低NOX燃燒器等，其中水平濃淡風煤粉燃燒器是一種最具代表性的新型低 NOX煤粉燃燒器［7］。目前外國正在開發的低NOX燃燒技術可以控制NOX生成量在200 mg/Nm3左右［8］。國內自主研發的新型低NOX燃燒技術在控制NOX排放水平上已經達到國際先進水平。如哈爾濱工業大學的“風包粉”系列低NOX濃淡燃燒器及上海理工大學的雙通道濃淡組合式低氮燃燒技術等，這些技術中有的已在對現役機組的技術改造中應用效果良好。截至2008年，我國火電機組中采用低氮燃燒技術約占76.70%［9］。低NOX燃燒技術相比煙氣脫硝技術而言，技術成熟，運行成本低，是一項投入少、見效快并且適合我國國情的控制NOX排放量的措施［10］，因此被國內燃煤電站廣泛采用。本文重點介紹燃煤電站低NOX燃燒技術并通過研究低揮發分貧煤NOX釋放規律，給出針對燃貧煤電站降低NOX的具體措施。

1 低揮發分—貧煤的燃燒特點和低NOX燃燒的措施

低揮發分煤在我國煤炭總儲量中占很大比重，約占煤炭貯藏量16%以上，而根據我國的燃料政策，電站鍋爐燃用低揮發分煤是一項基本任務，如何合理開發和利用這類煤種是我國煤炭政策的重要一環［11］。目前，國內北方許多大型機組采用設計煤種燃用貧煤或劣質煙煤，且部分電廠采用貧煤摻燒煙煤的方式。為了控制燃用低揮發分煤種電站NOX排放，首先應對低揮發分煤燃燒過程中NOX釋放規律進行研究。因此，本文根據一維熱態實驗爐(DTF)上得到實驗數據，對比分析貧煤燃燒過程中NOX生成機理，并對低揮發分燃煤電站提出具體降低NO的具體措施。

1.1 低揮發分煤熱解及燃燒特性

實驗在一維熱態實驗爐(DTF)系統完成，同時為了比較低揮發分煤種與其它煤種燃燒過程中NOX釋放規律差異，特選用國內某種典型煙煤與貧煤進行對比試驗。煤粉的工業分析和元素分析見表1。

實驗過程中，針對煤粉在不同的化學當量比下的燃燒過程中NOX排放差異，分別安排了化學當量比SR(Stoichiometric Ratio)從0.6變化到1.2的試驗工況。一次風溫為298 K，爐膛溫度為1 373 K，煤粉量4 g/min。

(1)快速熱解過程中N元素轉化規律

揮發分－N主要存在于焦油和輕質氣體中并通過與O2進行氧化反應而被轉換NO或在缺少O2的條件下被還原成N2［12］。由前人研究結果可知，一般講HCN是燃料－N在高溫熱解時主要存在形式，隨著溫度的提高，HCN的產量增加。圖1給出了在DTF反應器中熱解過程中N的轉化規律。

在熱解實驗中測得的熱解氣體中，NH3和 HCN的產率較小，不是熱解氣的主要組成成分。NH3的濃度值接近于0，熱解氣中主要的含氮氣體為HCN。可見作為NO前驅物，HCN主要產生于熱解初期并能夠在熱解過程中出現峰值。同時根據灰平衡方法計算N元素的轉化率所得，煙煤煤粉在經過熱解之后，56%的燃料氮轉化為揮發分－N，44%的燃料氮殘留在焦炭－N中，燃料氮氣固兩相中的分配比例相近，由此可以推斷，煤粉在燃燒過程中，NO生成過程中的同相機理和異相機理對NO排放過程同樣重要。然而，貧煤煤粉熱解實驗測量結果之后，僅有3%的燃料氮以揮發分－N的形式釋放，剩余97%的燃料N留在焦炭中，由此可見，貧煤中的燃料氮主要存在于焦炭N中，控制好燃燒過程中焦炭N轉化過程是控制NO的排放過程的關健。

(2)不同燃燒條件下NOX生成規律

圖2和圖3分別給出化學當量比大于1和化學當量比小于1條件下煙煤和貧煤燃燒過程中NO，CH4和C2H6濃度曲線。從圖2可知，NO的濃度峰值出現在燃燒的最初階段，NO的濃度隨軸向距離的增加而降低。在煤粉燃燒的初期，高濃度的O2存在下的富氧環境有利于燃料－N轉化為NO。據Baxter［13］等人的研究結果可知:燃料－N的轉化過程主要發生在兩個重疊的階段，即熱解的后期和氧化階段的早期。因而在這個重疊的階段，是燃料N充分轉化為NO的重要階段。由于，空氣攜帶煤粉進入爐膛的過程中，氧化反應使得O2濃度隨著軸向距離的增加而減少，還原氣氛逐漸隨著軸向距離的增加而加強，生成的NO逐漸減少。

由圖3可以看出，NO的峰值位于燃燒的初級階段，且煙煤在SR小于0.9的工況下生成的NO的峰值已經降到了180 ppm以下。貧煤在化學當量比小于1的工況下生成的NO的峰值降到了600 ppm以下。由此可見，在貧氧燃燒狀態下，不僅可燃物質沒有能夠充分的被氧化，而且燃料－N轉化為NO過程也受到了抑制。

為了進一步研究煤粉爐燃燒過程NOX排放規律，采用燃料－N轉化率作為評價煤粉爐中NOX生成量的重要指標。圖4給出了煙煤和貧煤燃料－N轉化規律曲線。

圖1 熱解過程中的HCN和NH3濃度Fig.1 The concentration of HCN and NH3during devolatilization

圖2 在化學當量比大于1條件下的NO，CH4和C2H6濃度曲線Fig.2 Axial concentration profiles of NO，CH4and C2H6under high SR combustion conditions

圖3 在化學當量比小于1條件下的NO，CH4和C2H6濃度曲線Fig.3 Axial concentration profiles of NO，CH4and C2H6under low SR combustion conditions.

圖4 不同化學當量比下的TFN(=NO+NH3+HCN)濃度曲線Fig.4 Axial concentration profiles of TFN for different SRs.

實驗中測量的TFN濃度主要為NO的濃度。由圖4可知，煙煤在化學當量比為0.9，1.0和1.2的條件下，TFN的峰值濃度比較接近，在 310～320 ppm范圍內，但在化學當量比為0.6，0.7和0.8較低的條件下，TFN的峰值濃度在50～160 ppm的范圍內。相對煙煤而言，貧煤燃料－N主要集中在焦炭－N中，由于貧煤反應性較差，促使在相同燃燒距離內，貧煤可燃物燃盡率小于煙煤的可燃物燃盡率，因此，貧煤TFN峰值濃度是隨著化學當量比增加而增加，并未出現較高化學當量比下TFN峰值濃度相近情況。同時燃料－N轉化過程中，化學當量比較高條件下，TFN濃度較高，在貧煤可燃物燃盡區可能會產生較高NO排放濃度;在較低化學當量比的條件下，TFN濃度降低，由此推斷，能夠實現較多燃料－N轉化為N2工況應該是化學當量比較低的工況。

1.2 針對燃用低揮發分煤種采取的低NOX燃燒措施

根據燃煤電站采用低揮發分煤(主要指貧煤)揮發分含量較低，著火困難，及貧煤燃燒過程中N轉化特性，應用新一代立體分級低氮燃燒技術可以有效的降低燃煤電站NOX排放及保證鍋爐熱效率。該技術通過水平濃淡煤粉燃燒與爐內空氣垂直分級燃燒相結合而形成立體分級燃燒，通過高效濃淡分離，實現煤粉及時著火，保證燃燒穩定性;通過煤粉及時著火和高濃度燃燒，有效控制著火初期的燃燒氣氛和揮發分氮的轉化，在第一時間控制NOX的生成(根據哈工大和美國RMT公司的數值模擬結果，水平濃淡燃燒可在深度分級燃燒基礎上進一步降低NOX排放15%);通過風包粉濃淡燃燒，在主燃區爐膛中心區域形成有效的還原性氣氛，大幅度降低NOX排放，在主燃區爐膛水冷壁表面附近形成有效氧化性氣氛，避免傳統單一分級燃燒技術可能會發生的高溫腐蝕現象;通過分級送入分離燃盡風，在燃盡區形成NOX控制、CO和焦炭燃盡的完美結合，以零運行成本實現NOX大幅度減排。

針對電廠鍋爐運行狀況，可以從以下幾個方面進行考慮:

(1)采用分級送入的高位分離燃盡風系統，燃盡風噴口能夠垂直和水平方向雙向擺動，有效控制汽溫及其偏差;

(2)采用先進的水平濃淡風煤粉燃燒技術，并采用噴口強化燃燒措施，有效降低NOX排放，保證高效燃燒;

(3)高濃縮比、低阻力新一代煤粉濃縮技術，確保煤粉及時著火，加強燃盡效果，同時有效緩解氣溫偏差過大問題;

(4)采用延遲混合型一、二次風以及帶側二次風的周界風噴口設計，確保NOX大幅度減排;

(5)部分二次風噴口采用偏轉噴射的結構，進一步減排NOX排放;

2 結論

火電廠對大氣造成的污染、對人類生活造成的影響已十分嚴重，控制燃煤電站NOX的排放成為國家經濟可持續發展和環境保護亟需解決的課題。我國燃煤電站多采用揮發分低煤種－貧煤，雖然對貧煤的利用帶來了一定的經濟效益，但給鍋爐的安全、經濟運行帶來了一定問題。因此針對燃用貧煤電站，如何提高鍋爐效率，有效降低NOX排放顯得十分重要。

實驗結果顯示貧煤燃燒過程中N轉化規律不同于其它高揮發分煤種，NOX排放較高且著火困難。根據國內燃煤電站實際運行狀況，應用新一代立體分級低氮燃燒技術是降低NOX排放有效技術途徑，并且低氮燃燒技術工藝成熟，投資與運行費用較低，適合國內大多數電廠應用。

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