煤的先进燃烧技术

煤的先进燃烧技术

化艺1101 苗蓓目前，在我国的能源消费结构中，煤炭是第一能源，以煤、石油、和天然气为主的化石燃料的使用也随之带来一系列的环境问题。煤是最重要的固体燃料，它是一种不均匀的有机燃料，主要由植物的部分分解和变质形成的，所以其形成要经历一段很长的时期，常常是处于高压覆盖层以及较高的温度条件。而在燃烧过程中，煤的发热量低，灰分含量高，含硫量虽然比重油低，但为获得同样热量所耗煤量要大的多，所以产生的硫氧化物反而可能更多。煤的含氮量约比重油高5倍，因而氮氧化物生成量也高于重油，此外煤的燃烧还会带来汞、砷等微量重金属类污染，氟、氯等卤素污染和低水平的放射性污染。因此，采用先进的燃烧技术可以使煤充分燃烧，产生的污染会随之减少。

控制NO x 排放的技术措施可以分为两类，一是所谓的源头控制，其特征是通过各种技术手段，控制燃烧过程中NO x 的生成反应，另一类是所谓的尾部控制，其特征是把已经生成的NO x 通过某种手段还原为N2，从而降低NO x 的排放量。低NO x 燃烧技术措施一直是应用最广泛的措施，即便为满足排放标准的要求不得不使用尾气净化装置，仍需采用它来降低净化装置入口的NO x浓度，已达到节省费用的目的。从20世纪50年代起，人们就开始了燃烧过程中氮氧化物生成机理和控制方法的研究，到70年代末和80年代，低NO x 燃烧技术的研究和开发达到高潮，开发出低NO x 燃烧器等。90年代后，已开发的低NO x 燃烧器经过大量改进和优化，日臻完善。

一、低NO x 燃烧技术

目前工业采用的低NO x 燃烧技术主要包括低氧技术、烟气循环燃烧、分段燃烧和浓淡燃烧技术等。

1、低氧燃烧技术

NO x 排放量随着炉内空气量的增加而增加，为了降低其含量，锅炉应在炉内空气量较低的工况下运行，一般来说，可以降低15%-20%。锅炉采用低空气过剩系数运行技术，不仅可以降低NO x ，还减少了锅炉排烟热损失，提高锅炉热效率。需要说明的是，由于采用低空气过剩系数会导致一氧化碳、碳氢化合物以及炭黑等污染物相应增多，飞灰中可燃物质也可能增加，从而使燃烧效率下降，故电站锅炉实际运行时的空气过剩系数不能做大幅度调整。因此，在低空气过剩系数燃烧时，必须同时满足过路盒燃烧效率较高、而一氧化氮等有害物质最少的要求。

我国燃用烟煤的电站锅炉多数设计在空气过剩系数为 1.17-1.20（氧含量为3.5%-4.0%）下运行，此时一氧化碳含量为（30-40）*10^-6；若氧含量降到3.0%以下，则一氧化碳含量将急剧增加，不仅导致化学不完全燃烧损失增大，而且会引起炉内的结渣和腐蚀。因此，以炉内含氧量3%以上或一氧化碳含量等于2*10…^-4作为最小空气过剩系数的选择依据。

2、降低助燃空气预热温度

在工业实际操作中，经常利用尾气的废热预热进入燃烧器的空气。虽然这样有助于节约能源和提高火焰温度，但也导致氮氧化物排放量增加。实验数据表明，当燃烧空气由27℃预热至315℃，NO排放量将会增加三倍。降低助燃空气预热温度可降低火眼去的温度峰值，从而减少热力型NO x 生成量。实践表明，这一措施不宜用于燃煤、燃油锅炉；对于燃气锅炉，则有明显降低NO x 排放的效果。

3、烟气循环燃烧

烟气循环燃烧法将燃烧产生的部分烟气冷却后，再循环送回燃烧区，起到降低氧浓度和燃烧区温度的作用，以达到减少NO生成量的目的。烟气循环燃烧法主要减少热力型NO x 的生成量，适合热力型NO x 排放所占份额较大的液态排渣炉、燃油和燃气锅炉，对燃料型NO x 和瞬时NO x 的减少作用甚微。对固态排渣锅炉而言，大约80%的NO由燃料氢生成的，这种方法的作用就非常有限。

在使用中，烟气循环率在25%-40%的范围内最为适宜。通常的做法是从省煤器出口抽出烟气，加入二次风或者一次风中。加入二次风时，火焰中心不受影响，其唯一作用是降低火焰温度。对不分级的燃烧器，在一次风中加入循环烟气效果较好，但由于燃烧器附近的燃烧工矿会有所变化，要对燃烧过程进行调整。

4、分段燃烧技术

这种技术最早由美国在20世纪50年代发展起来。实验表明，较低的空气过剩系数有利于控制NO x 的形成，分段燃烧法控制氮氧化物就是利用这种原理。在分段燃烧装置中，燃料在接近理论空气量的条件下燃烧；通常空气总需要量—（一般为理论空气量的1.1-1.3倍）的85%-95%与燃料一起供到燃烧器，因为富燃料条件下的不完全燃烧，使得第一段燃烧的烟气温度较低，由于此时氧量不足，NO x 生成量很少。在燃烧装置的尾端，通过第二次空气，时的第一阶段剩余的不完全燃烧产物CO和CH完全燃尽。这时虽然氧过量，但由于烟气温度仍然较低，动力学上限制了NO x 的形成。应当指出，在较低空气过剩系数下，不利的燃料-空气分布可能出现，这将导致CO和粉尘排放量增加，使得燃烧效率降低。根据分段燃烧原理所研制的各类燃气体、重油、粉煤燃料的烧嘴，以及分段燃烧技术在流化床上的应用，对降低废气排放中NOx 的含量，起到了很好作用。日本在这一领域的研究成果尤为显著。我国应大力开展这方面的科研与技术开发工作，以改善目前炉窑废气污染状况。DNOr—I型烧嘴的研制正是为了这一目的。试验表明，此烧嘴不仅具有较好的热工性能，而且对NOx 生成也具有较好的抑制功能。

5、再燃技术

再燃技术，即在炉膛的特定区域内注入再燃燃料（占燃料总量的10%-30%），再燃燃料需要使用微细的煤粉，在每个区域都需要保证充分的停留时间，才能达到完全燃烧。煤粉再燃技术又称为燃料分级或炉内还原技术，它是降低NO 排放的诸多炉内方法中最有效的措施之一。再燃技术是先将80%～85% 的燃料送人主燃区，在空气过量系数大于1的条件下燃烧，其余15% ～2O% 的燃料作为还原剂在主燃烧器的上部某一合适位置喷人形成再燃区，再燃区空气过量系数小于1（再燃区不仅使已生成的N0x 得到还原，同时还抑制了新的No 的生成，进一步降低NOx）。再燃区上方布置燃尽风以形成燃尽区，保证再燃区出口的未完全燃烧产物燃尽。再燃区的化学计量数对氮氧化物的减少程度有着显著的影响。改变化学计量数受到以下因素的限制：1、各区域对火焰稳定性的要求；2、加入再燃燃料引起的CO和未燃炭增加；3、再燃区水管发生腐蚀的潜在风险。

使用再燃技术会给系统带来很大的灵活性，让电厂有能力控制N0x 的排放浓度。如果仅使用再燃风可以去除25%的N0x ，再加入再燃燃料可以控制60%的排放。管理者能够根据不同的排放限制进行调整。

从原理上来说，任何碳氢燃料都可作为再燃燃料使用。但天然气在再燃中使用的最为广泛，煤炭也可作为再燃燃料。与天然气相比，使用煤炭的优势是价格较低而且减少了在燃煤电厂使用第二种燃料带来的系统复杂性。但使用煤炭作为