淺談燃煤熱風(fēng)爐NOx的生成與控制方法

王 林 李 婷 楊 松 張勝利

(咸陽陶瓷研究設(shè)計院 陜西 咸陽 712000)

我國煤炭資源豐富，作為主要能源，約占能源結(jié)構(gòu)上的60%以上。所以從燃料的經(jīng)濟性及穩(wěn)定性考慮，噴霧干燥塔多采用燃煤熱風(fēng)爐，煤燃燒時產(chǎn)生的氣態(tài)污染物主要是氮氧化物NOx和硫氧化物SOx。與燃用氣體、液體燃料一樣，煤燃燒中產(chǎn)生的NOx可通過改變?nèi)紵姆椒ㄟM行控制。對于脫硫在此不做過多的贅述。

燃料燃燒排出的NOx中不僅有來源于燃料中氮的燃料型NOx，還有來源于空氣中的氮氣的溫度型NOx，溫度型NOx的生成情況，因燃燒裝置的結(jié)構(gòu)和運行方式等燃燒條件的不同而異，即使采取同樣的控制技術(shù)，其控制效果也有很大差異。燃料中原有的氮穩(wěn)定性高，難以分解去除。排煙中的NOx大多是難以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的NO，所以很難從煙氣中去除掉。因此NOx的防治技術(shù)，歸結(jié)起來大致有“NOx控制技術(shù)”和“排煙脫硝技術(shù)”兩類，前者用于控制NOx的生成，后者則用于去除排煙中的NOx。筆者現(xiàn)就NOx控制技術(shù)進行討論以供同行互相交流。

1 煤燃燒過程中NOx生成途徑

熱風(fēng)爐在燃燒過程中溫度型NOx的生成量一般隨著空氣過剩率的增加而增加，而燃料型NOx約占NOx生成總量的80%～90%。溫度型NOx的生成量在很大程度上取決于火焰溫度，如果通過空氣預(yù)熱或設(shè)立絕熱壁使火焰溫度上升，則溫度型NOx所占比例將增大。

而煤的燃燒過程可分為揮發(fā)分的燃燒和固定碳的燃燒兩個階段。因此， 燃料型NOx生成的途徑主要為：由揮發(fā)分中的燃料N轉(zhuǎn)化為NO；固定碳中的燃料N轉(zhuǎn)化為NO。揮發(fā)分中N轉(zhuǎn)換的NOx約占生成的NOx總量的60%～70%，固定碳中的N變?yōu)镹O的轉(zhuǎn)換率是非常低的，而且不受流動狀態(tài)和混合狀態(tài)的影響。

2 熱風(fēng)爐中NOx的控制方法

2.1 排煙再循環(huán)法

能有效控制氣體和煤油等燃燒時生成的NOx排煙再循環(huán)法，也適用于粉煤燃燒的場合。與氣體燃料燃燒相比，粉煤燃燒時排煙再循環(huán)的效果比較差，即使排煙再循環(huán)率達到20%，NOx的下降率也只有20%左右，沒有顯著的效果。由于排煙再循環(huán)法基本上是以降低火焰溫度的手段來抑制溫度型NOx產(chǎn)生的，故認為，對通常的粉煤燃燒，排煙再循環(huán)法不算是控制燃料型NOx的有效法。但是，對于高溫爐粉煤燃燒系統(tǒng)，因為溫度型NOx所占比例較大，所以將排煙再循環(huán)法應(yīng)用于噴霧干燥塔供熱系統(tǒng)具有一定效果。

2.2 二段燃燒

由于燃煤生成的NOx中大部分是燃料型NOx，因而控制一段燃燒區(qū)的氧氣濃度是抑制NOx的有效措施。其影響因素很多，但最主要的是燃料供給方法和爐內(nèi)混合工況。通常應(yīng)減少一段區(qū)內(nèi)的過量空氣，形成燃料過濃燃燒；在揮發(fā)分燃盡之前，應(yīng)避免二段空氣進入一段燃燒區(qū)內(nèi)。為防止高溫還原性氣流與爐接觸，應(yīng)充分利用火焰外側(cè)的煙氣回流，利用溫度較低的特點，防止?fàn)t墻結(jié)渣。

采用二段燃燒時，由于一段燃料過濃燃燒區(qū)內(nèi)氧氣濃度很低，容易出現(xiàn)還原性介質(zhì)使灰熔點降低而引起結(jié)渣。因而，可以采用從爐底送入一部分空氣，讓空氣沿爐墻上升，使水冷壁表面附近保持氧化性氣氛，以防止結(jié)渣。低NOx運行容易引起飛灰中可燃物增多，所以必須保持燃燒中的燃料和空氣分布均勻。

2.3 粉煤低NOx燃燒器

粉煤低NOx燃燒器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，二次空氣分內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)分別送入爐內(nèi)，通過各自的葉片式調(diào)風(fēng)器調(diào)節(jié)其旋流強度。內(nèi)二次風(fēng)主要用來保證燃燒穩(wěn)定著火，外二次風(fēng)主要用來控制其與燃料的混合工況。一次風(fēng)內(nèi)筒與外筒一起構(gòu)成一次風(fēng)通道，在出口處同時向內(nèi)收縮，使燃料向火焰中心集中，已形成燃料過濃燃燒。內(nèi)筒出口處的可調(diào)內(nèi)筒通過前后移動，調(diào)節(jié)一次風(fēng)噴出速度，從而調(diào)節(jié)燃料與二次風(fēng)之間的混合強度。

熱風(fēng)爐運用該燃燒器能夠減少NOx的生成，因為在保持火焰穩(wěn)定著火燃燒的同時，在中心回流區(qū)內(nèi)形成燃料過濃燃燒，并盡可能推遲二次風(fēng)與燃料混合的時間，使增加燃料過濃燃燒充分。

2.4 摻水燃燒

摻水燃燒包括在燃料中摻水和在燃燒過程中噴水(或水蒸氣)。由于水的蒸發(fā)潛熱和水蒸氣的顯熱上升。在燃燒過程中吸熱，會使燃燒區(qū)火焰溫度降低，抑制溫度型NOx的生成量。其物理和化學(xué)作用如下。

物理作用：過熱狀態(tài)下，液滴的微爆導(dǎo)致二次霧化，改善了火焰形態(tài)，使火焰斷面變寬變厚，同時又增強了傳熱效果。

圖1 粉煤低碳燃燒器結(jié)構(gòu)圖

化學(xué)反應(yīng)：在高溫下進行分解和化合作用，產(chǎn)生了水煤氣，減少了火焰中炭粒的產(chǎn)生，改善了燃燒過程，從而達到節(jié)能環(huán)保的作用；同時摻水時也需適量，水量不能過大。

3 結(jié)語

目前，國內(nèi)噴霧干燥塔行業(yè)對SOx和煙塵的處理比較關(guān)注，但是隨著國家對環(huán)保日益重視，以及行業(yè)期望穩(wěn)定的可持續(xù)發(fā)展，必須依靠科技進步，開發(fā)清潔高效的燃燒技術(shù)，提高能源利用率，減少環(huán)境污染。發(fā)展清潔燃燒技術(shù)，不僅在SOx和煙塵的治理上深入防治，還應(yīng)對NOx也加強控制。采用上述的燃燒技術(shù)，組合在一起，形成集脫硫、脫硝、除塵于一體的控制技術(shù)，達到較高的燃燒效率，既能清潔燃燒，又能滿足環(huán)保要求目的。