先进再燃烧技术影响因素分析

先进再燃烧技术影响因素分析

Analysis on the influence factors of advanced reburning technology

苏胜,向军,李敏,胡松,孙路石,孙学信

(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉　430074)

摘要:介绍了先进再燃烧技术的原理,并对其降低燃煤锅炉氮氧化物排放的影响因素进行了综合分析,以期为该燃烧技术的实验及其示范工程提供参考。

关键词:先进再燃烧技术;氮氧化物;影响因素

Abstract:This paper pre sents the mechanism of advanced reburning technology,analyze s the influence factors on ad2

vanced reburning technology to reduce nitrogen oxide emissions from coal2fired

systems.I t can be referred for a te st and

demonstration project.

K ey words:advanced reburning technology;nitrogen oxide;influence factor

中图分类号:X701.1 文献标识码:B 文章编号:1009-4032(2004)01-0037-05

0　前言

NO x是大气中的主要污染物,它刺激人的呼吸系统,损害动植物,并且是引起酸雨、光化学烟雾、温室效应和破坏臭氧层的主要物质之一。大气中的NO x(主要是NO,NO2,其次是N2O,N2O3,N2O4和N2O5)大部分是燃烧过程形成的,而其中大约67%的NO x是由燃煤锅炉产生的。国家环保局于1996年3月7日发布的《火电厂大气污染物排放标准》(G B 13223-1996)中明确规定:300MW及以上机组固态排渣煤粉炉NO x排放不得超过650mg/m3,液态排渣煤粉炉NO x不得超过1000mg/m3。据调查[1],我国燃煤电站固、液态排渣煤粉炉NO x排放质量浓度范围分别为600～1200mg/m3和850～1150mg/m3。因此,降低NO x排放的任务非常紧迫。

NO x的控制可分为燃烧前处理,燃烧中处理和燃烧后处理。燃烧前脱氮主要是燃烧前将燃料转化为低氮燃料,这种方法由于技术复杂,成本较高,在我国应用较少。燃烧后脱硝主要指烟气脱硝,包括干式流程的选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(S NCR)、湿式流程的氧化吸收法等。烟气脱硝的效率较高(可达90%以上),但由于存在着反应温度窗口较窄(S NCR),需要昂贵的催化剂(SCR)以及需要增加装置和占用空间等不利因素,导致成本较高,因而其应用受到较大限制。

目前,采用较多的是燃烧中控制的方法,一般采用低氮燃烧技术,如低NO x燃烧器、低氧燃烧、浓淡偏差燃烧、烟气再循环、空气分级燃烧、燃料分级燃烧(再燃烧)以及先进再燃烧技术等。它们的基本思路是:通过各种技术手段抑制燃烧过程中NO x的生成,或设法造成缺氧富燃料的燃烧区域,使已生成的NO x部分还原。采用这些技术能使NO x生成量显著降低以满足更严格的排放标准。20世纪80年代后期才出现的再燃烧技术可降低NO x50%～70%,而先进再燃烧技术可降低85%以上,相对于其他低NO x燃烧技术具有更加优越的技术优势,因而受到了国内外的普遍重视。

目前,国内对再燃烧技术降低燃煤锅炉NO x排放的研究还处于小型实验阶段,尤其是对先进再燃烧技术的研究刚刚开始,对其降低燃煤锅炉NO x排放的影响因素研究分析也较少。本文结合国内外对先进再燃烧技术的研究进展,综合分析了该技术降低燃煤锅炉NO x排放的机理及其影响因素,以期为先进再燃烧技术的实验及其示范工程提供参考。

1　再燃烧技术及其脱硝机理

1.1　再燃烧及先进再燃烧技术原理

所谓再燃烧(Reburning)技术和空气分级燃烧相似(如图1-a),它实际上是燃料分级燃烧(如图1-b)。其降低燃煤锅炉NO x排放的原理是采用三段燃烧方式,自下而上依次分成主燃烧区、再燃烧区和燃

基金项目:国家“十五”863基金资助项目(2002AA527054)

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尽区。在过量空气系数α大于1的条件下,将80%左右的燃料(一次燃料)射入主燃烧区燃烧并生成NO x ;其余20%左右的燃料(再燃燃料)则在主燃烧区的上部由再燃烧区喷入,造成微富燃料条件(

α<1)。由于再燃烧区域中空气不足,再燃燃料形成大量的碳氢等还原性物质,将主燃烧区燃烧形成的NO x 还原成氮分子(N 2),同时还可抑制新的NO x 生成。最后,燃烧产物进入燃尽区,送入燃尽风(OFA ),以进一步燃尽来自再燃烧区烟气中的未燃尽燃料(主要为C O 及未燃尽的碳氢化合物),从而完成整个燃尽过程。燃尽过程中会重新生成少量的NO x ,但总的来看,采用再燃烧技术后,NO x 的排放量可在主燃烧区采用低NO x 燃烧器降低其生成量的基础上,再减少50%～70%。实现再燃烧的方法有2种:(1)沿炉膛布置三段燃烧方式,实现炉内脱硝(如图1-b );(2)在燃烧器内设计三段燃烧方式,实现燃烧器内再燃脱硝[2](

如图1-c )。

所谓先进再燃烧(Advanced Reburning )技术是指再燃烧技术与N 催化射入技术相结合,是一种更有效的NO x 控制技术。这种技术是将氨水或尿素作为N 催化剂加入到再燃烧区或燃尽区,进一步降低NO x ;同时,如果将无机盐(尤其是碱金属)助催化剂通过不同方式一并加入,将更有利于NO x 的还原。先进再燃烧技术可降低NO x 85%以上[3],具有非常好的技术优势。

a -空气分级燃烧;

b -一般再燃烧;

c -燃烧器内再燃烧;

d -先进再燃烧

图1　空气分级燃烧及再燃烧脱硝原理简图

再燃烧这一概念由Wendt 等人于1973年提出,

直到1983年,T akahashi 等人在日本将再燃烧技术应用于实际的锅炉,并获得了大于50%的NO x 还原率,这一方法才得以确立并实际应用。1988年,美国匹兹堡的Chen 等人首次报道了采用先进再燃烧技术降低NO x 的实验,获得了大于85%的NO x 还原率[3]。由于这些成功的例子和先进再燃烧技术对NO x 较高的还原效率,国内外学者针对再燃烧技术和先进再燃烧技术进行了大量的研究工作。1.2　再燃烧及先进再燃烧技术的脱硝机理

再燃烧还原NO x 的机理目前还不完全清楚,但研究者对于其中一些重要反应的认识基本相同。当向再燃区喷入再燃燃料(例如天然气等)时,喷入的再燃燃料形成了含碳基团(CH i 、HCC O 等),这些含碳基团与NO 反应形成含有C -N 键的结合基团(HC N 、C

N 等),这些结合基团又会进一步形成含氮物质(NH 2、NH 和N ),这些含氮物质能够与NO 反应形成分子氮,从而实现再燃燃料将NO x 还原[4]的目的。图2为主要反应途径。

在主燃烧区(

α>1),主燃燃料由途径(1)氧化生成NO x ,HC N 和NH i 仅仅是中间产物;在再燃烧区,再燃燃料产生的CH i 与NO 反应生成HC N ,由于过量空气系数小于1,反应主要通过途径(2)进行,从而达到还原NO x 的目的。在这些反应中,CH i 与NO 之间的相互作用是非常重要的。

图2　主要反应途径

在富燃料的条件下,HC N 的形成与CH i 的浓度

有很大关系,其主要途径为:

CH i +NO →HC N +…

(1)反应产生的HC N 通过下列反应最终还原成N 2:HC N +O →NC O +H

(2)NC O +H →NH +C O

(3)NH +H →N +H 2(4)N +NO →N 2+O

(5)

但是,在贫燃料条件下,CH i 会与氧等物质通过

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