空氣分級燃燒降低NOx排放機理及影響因素

邵偉濤， 王文歡， 潘衛國

(上海電力學院 能源與機械工程學院， 上海 200090)

環保技術

空氣分級燃燒降低NOx排放機理及影響因素

邵偉濤， 王文歡， 潘衛國

(上海電力學院 能源與機械工程學院， 上海 200090)

闡述了電站燃煤鍋爐空氣分級燃燒技術降低NOx排放的機理，分析了影響空氣分級燃燒效率的主要因素，討論了各種因素對煤粉燃燒過程中NOx生成量的影響規律。結果表明：NOx的生成量隨著爐內溫度和過量空氣的增加而逐漸增加，隨著煙氣在爐內停留時間的延長和煤粉細度的增加而逐漸減小。

空氣分級燃燒； 反應機理； NOx排放； 影響因素

Mechanism of NOxEmission Reduction by Air-staged

氮氧化物 (NOx)是造成酸雨、溫室效應以及光化學煙霧的主要根源，嚴重影響了人們的生活環境，成為關注的焦點。我國的NOx排放總量在2014年已達到2 078萬t，其中近一半來自于火電廠[1]。目前國內外燃煤電廠降低NOx排放的主要技術包括空氣分級燃燒技術和尾部的煙氣SCR脫硝技術：尾部煙氣SCR脫硝技術一般對NOx的脫除效率能達到80%以上，但是投資費用太高；而空氣分級燃燒技術不僅對NOx的脫除效率能達到30%～40%，且投資費用是最低的[2]。所以燃煤電站一般采用空氣分級燃燒技術作為一級爐內脫硝來降低NOx的排放，從而減少了SCR脫硝的噴氨量，降低了投資費用。因此了解空氣分級燃燒降低NOx排放機理及其影響因素，對降低爐膛出口NOx排放量顯得尤為重要。

1 空氣分級燃燒原理

1.1 NOx的生成機理

電站燃煤鍋爐的NOx主要分燃料型、熱力型和快速型3種類型：燃料型NOx主要是由空氣的氧與燃料中含氮的有機物燃燒反應而生成的，受溫度的影響比較小，空氣與燃料的混合比(空燃比)對其影響較大，其體積分數一般在75%～90%；熱力型NOx是由高溫下空氣中的N2被氧化而生成的，其受溫度的影響最大，生成量當爐內的溫度低于1 500 ℃時極少，但當溫度大于1 500 ℃時，每升高約100 K，反應速率會增加6～7倍，其體積分數一般低于20%；快速型NOx主要由周圍的氧與煤燃燒生成的中間產物HCN和N，在高溫下以極快的反應速率生成的，其生成量受周圍氧量影響較大，受溫度的影響較小，體積分數一般在5%以下[3-5]。

1.2 空氣分級燃燒的基本原理

空氣分級燃燒是使燃料燃燒所需的氧量通過合理分配，分兩段送入爐內的主燃燒區和燃盡區，使燃料經過“缺氧燃燒”和“富氧燃燒”兩個過程，以此達到降低NOx排放的目的。在主燃燒區送入所需空氣量的70%～85%，此時由于氧氣量少，爐內的溫度就較低，降低了熱力型NOx的生成；另外，由于氧量較少，煤粉不完全燃燒產生的還原性產物(如NH3和HCN),會還原裂解已生成的NOx,從而抑制了燃料型NOx的生成。在燃盡區送入燃燒所需的剩余空氣，一般占總二次風的15%～30%，以使煤粉燃燒殆盡，降低了煙氣中的飛灰含碳量，由于此時燃盡區的火焰溫度較低，新生成NOx的量很少。因此，降低了總的NOx的生成量[6-7]。爐膛內煤粉燃燒被劃分成主燃區、還原區和燃盡區(見圖1)。

圖1 空氣分級燃燒分布圖

2 空氣分級燃燒降低NOx排放主要影響因素

影響空氣分級燃燒降低NOx排放的因素有很多，概括起來主要受煤種和燃燒條件的影響。燃燒條件影響的因素主要包括：主燃燒區的過量空氣系數、爐內煙氣的停留時間、爐內主燃燒區的溫度水平以及煤種和煤粉細度的影響。

2.1 主燃燒區的過量空氣系數的影響

主燃燒區過量空氣系數(α)是影響空氣分級燃燒減少NOx排放的主要因素。當α過高時，爐內有較多的氧量，煤粉會得到充分的燃燒，提高了燃料型NOx的生成；有足夠的氧量提供燃燒，提升了主燃燒區的溫度，一定程度上促進了熱力型NOx的生成；當α過低時，爐內進行缺氧燃燒，由于缺氧使煤粉不完全燃燒，生成大量的還原性中間產物(如HCN和NH3)，還原分解已生成的NOx,從而降低了NOx的排放；但是當α過低時，增大了爐膛出口煙氣中的飛灰含碳量，增加了機械未完全燃燒損失，降低了鍋爐效率。此外，α過低會使爐內主燃燒區的壁面附近呈現還原性氣氛，比較容易產生高溫腐蝕。圖2是在實驗爐中燃燒揮發分為25.25%、固定碳57.57%、水分3.89%、灰分13.29%的煤種，得出NOx減少率和CO排放量隨α(主燃燒區)的變化關系[8]。當α<0.85時，隨著α的減小，NOx的減少率已經變化不大，但此時爐膛出口CO的排放量明顯增加，因此α的選擇不應低于0.85。對于具體的煤種和燃燒設備，α應根據具體的試驗而定。

圖2 主燃燒區的過量空氣系數對NOx減少率和CO排放量的影響

2.2 煙氣停留時間的影響

圖3是溫度在1 300 ℃下采用空氣分級燃燒煙煤時，煙氣在不同時間停留下NOx排放量與α的關系(6%O2下)[9]。由圖3可知，煙氣在不同時間停留下，NOx的排放量隨著主燃燒區過量空氣系數的減小而急劇減少：當停留時間從1 s增至4 s時，NOx排放濃度明顯減少；從4 s增至5 s時，NOx排放濃度減少則不明顯。綜合考慮，當α選擇在0.8～0.9，煙氣停留時間選擇在3～5 s時，NOx的排放量最少。

圖3 煙氣在不同時間停留下NOx排放量與α的關系

α以及主燃燒區與SOFA風噴口的距離決定著煙氣在還原區的停留時間。煙氣在爐內還原區的速度和溫度，隨著α的減小而降低，從而延長了煤粉在還原區停留的時間，促進了NOx還原，減少了NOx的排放。隨著主燃燒區與SOFA風噴口距離的增加，增長了爐內NOx被分解的時間，也減少了NOx的排放。因此，α和SOFA噴口的位置高低決定著爐內煙氣的停留時間和降低NOx排放的程度。

2.3 溫度的影響

圖4是不同溫度下NOx排放量隨α變化的關系(6%O2下)[10]。當α<0.8時，火焰的溫度越高，NOx的排放量越少，主要是因為按照NOx的生成機理，當反應中O2的含量越低，此時反應的溫度越高，反應越向NOx減少的方向進行，所以生成的NOx量越少；當α>0.8時，隨著O2量的逐漸增大，此時的溫度越高，反應越向NOx增加的方向進行，所以生成的NOx量越多。因此，在采用空氣分級燃燒不同的煤種時，主燃燒區反應溫度的控制和α的選擇，對NOx減少程度有著顯著的影響。

圖4 不同反應溫度下NOx排放量與α關系

2.4 煤種及煤粉細度的影響

煤粉中HCN、CN、NH3等含氮的有機物，在爐膛內分揮發分氮和焦炭氮進行析出，其中燃料型NOx的60%～80%來源于揮發分氮的氧化，而剩余的20%～40%則來自于焦炭氮的氧化。空氣分級燃燒的原理就是阻止揮發分氮向燃料型NOx的氧化，所以煤的揮發性越高，空氣分級燃燒對NOx的減排效果越顯著[11]。

在沒有采用空氣分級燃燒時，燃燒粗煤粉排放的NOx量要低于細煤粉；而采用空氣分級燃燒時，則產生相反的結果[12]。這主要是由于較細的煤粉，燃料中的揮發性物質更容易釋放，在主燃燒區α較小時，形成更濃的還原性氣氛，使氮的中間產物得以還原分解，降低了向NOx轉化。另外，煤粉越細，反應的比表面積越大，著火提前，延長了NOx還原的時間，近一步降低了NOx的排放[13]。

3 結語

(1) 空氣分級燃燒時，NOx排放量隨著α的減小而減少，而CO的排放量卻逐漸增加，使未完全燃燒損失增加，因此燃燒不同煤種均存在一個最佳α。

(2) 空氣分級燃燒時，NOx的還原程度受煙氣停留時間的影響，且與α和主燃燒區與SOFA風噴口的距離有關。

(3) 空氣分級燃燒時，主要是在主燃燒區形成一個高溫強還原性氣氛，當α較低時，提高主燃燒區溫度，可以促進NOx的還原反應，降低NOx的排放。

(4) 空氣分級燃燒時，燃燒較細煤粉相比于燃燒較粗煤粉，能更多地降低NOx的排放。

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Combustion and the Influencing Factors

Shao Weitao, Wang Wenhuan, Pan Weiguo

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090, China)

An introduction is presented to the mechanism of NOxemission reduction by air-staged combustion in coal-fired boilers, together with an analysis on the factors influencing the efficiency of air-staged combustion, and a discussion on the variation law of NOxgeneration with various factors. Results show that the NOxgeneration increases with the rise of temperature and excess air in the furnace, which reduces with the rise of flue gas residence time in the furnace and the fineness of pulverized coal particles.

air-staged combustion; reaction mechanism; NOxemission; influencing factor

2016-04-07；

2016-05-12

邵偉濤(1989—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為火電廠大氣污染物控制。

E-mail: sweitao1011@163.com

TK227.1

A

1671-086X(2017)01-0023-03