劉克軍，徐 杰，孔令軍，費(fèi) 俊，孫 銳，孫紹增

(1.華電青島發(fā)電有限公司，山東 青島 266031;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 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(chǎn)國和消費(fèi)國，2008年我國的煤炭生產(chǎn)量和消費(fèi)量分別為27.16億t和27.5億t，占世界同期煤炭生產(chǎn)和消耗總量的41%，其中約84%的煤炭直接用于燃燒。煤燃燒產(chǎn)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(jù)《中國火電廠氮氧化物排放控制技術(shù)方案研究報告》統(tǒng)計(jì)［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(dá)到1 234萬t以上?；痣姀S排放的NOX一直未進(jìn)行有效地控制，且目前排放總量在隨火電機(jī)組容量的增加而增加。因此，控制火電廠NOX排放至關(guān)重要。

目前，我國燃煤電廠控制NOX排放技術(shù)措施一般包括低NOX燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)。低NOX燃燒技術(shù)主要包括空氣分級燃燒技術(shù)、低NOX燃燒器、再燃技術(shù)、煙氣再循環(huán)技術(shù)及其它低NOX燃燒技術(shù)，如低氧燃燒技術(shù)和90年代在發(fā)達(dá)國家開始普遍推廣應(yīng)用一種全新型燃燒技術(shù)—高溫空氣燃燒技術(shù)［3］等。其中空氣分級燃燒技術(shù)是國內(nèi)外均普遍采用比較成熟的低NOX燃燒技術(shù)，在電站鍋爐中應(yīng)用也最普遍，NOX脫出效率達(dá) 15% ～ 30%［4－6］;低NOX燃燒器基于空氣分級原理設(shè)計(jì)，種類較多，如PM(Pollution Minimum)型直流式低NOX燃燒器和雙調(diào)風(fēng)低NOX燃燒器等，其中水平濃淡風(fēng)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(fā)的低NOX燃燒技術(shù)可以控制NOX生成量在200 mg/Nm3左右［8］。國內(nèi)自主研發(fā)的新型低NOX燃燒技術(shù)在控制NOX排放水平上已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的“風(fēng)包粉”系列低NOX濃淡燃燒器及上海理工大學(xué)的雙通道濃淡組合式低氮燃燒技術(shù)等，這些技術(shù)中有的已在對現(xiàn)役機(jī)組的技術(shù)改造中應(yīng)用效果良好。截至2008年，我國火電機(jī)組中采用低氮燃燒技術(shù)約占76.70%［9］。低NOX燃燒技術(shù)相比煙氣脫硝技術(shù)而言，技術(shù)成熟，運(yùn)行成本低，是一項(xiàng)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(nèi)燃煤電站廣泛采用。本文重點(diǎn)介紹燃煤電站低NOX燃燒技術(shù)并通過研究低揮發(fā)分貧煤NOX釋放規(guī)律，給出針對燃貧煤電站降低NOX的具體措施。

1 低揮發(fā)分—貧煤的燃燒特點(diǎn)和低NOX燃燒的措施

低揮發(fā)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(jù)我國的燃料政策，電站鍋爐燃用低揮發(fā)分煤是一項(xiàng)基本任務(wù)，如何合理開發(fā)和利用這類煤種是我國煤炭政策的重要一環(huán)［11］。目前，國內(nèi)北方許多大型機(jī)組采用設(shè)計(jì)煤種燃用貧煤或劣質(zhì)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(fā)分煤種電站NOX排放，首先應(yīng)對低揮發(fā)分煤燃燒過程中NOX釋放規(guī)律進(jìn)行研究。因此，本文根據(jù)一維熱態(tài)實(shí)驗(yàn)爐(DTF)上得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比分析貧煤燃燒過程中NOX生成機(jī)理，并對低揮發(fā)分燃煤電站提出具體降低NO的具體措施。

1.1 低揮發(fā)分煤熱解及燃燒特性

實(shí)驗(yàn)在一維熱態(tài)實(shí)驗(yàn)爐(DTF)系統(tǒng)完成，同時為了比較低揮發(fā)分煤種與其它煤種燃燒過程中NOX釋放規(guī)律差異，特選用國內(nèi)某種典型煙煤與貧煤進(jìn)行對比試驗(yàn)。煤粉的工業(yè)分析和元素分析見表1。

實(shí)驗(yàn)過程中，針對煤粉在不同的化學(xué)當(dāng)量比下的燃燒過程中NOX排放差異，分別安排了化學(xué)當(dāng)量比SR(Stoichiometric Ratio)從0.6變化到1.2的試驗(yàn)工況。一次風(fēng)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(zhuǎn)化規(guī)律

揮發(fā)分－N主要存在于焦油和輕質(zhì)氣體中并通過與O2進(jìn)行氧化反應(yīng)而被轉(zhuǎn)換NO或在缺少O2的條件下被還原成N2［12］。由前人研究結(jié)果可知，一般講HCN是燃料－N在高溫?zé)峤鈺r主要存在形式，隨著溫度的提高，HCN的產(chǎn)量增加。圖1給出了在DTF反應(yīng)器中熱解過程中N的轉(zhuǎn)化規(guī)律。

在熱解實(shí)驗(yàn)中測得的熱解氣體中，NH3和 HCN的產(chǎn)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?dú)怏w為HCN?？梢娮鳛镹O前驅(qū)物，HCN主要產(chǎn)生于熱解初期并能夠在熱解過程中出現(xiàn)峰值。同時根據(jù)灰平衡方法計(jì)算N元素的轉(zhuǎn)化率所得，煙煤煤粉在經(jīng)過熱解之后，56%的燃料氮轉(zhuǎn)化為揮發(fā)分－N，44%的燃料氮?dú)埩粼诮固浚璑中，燃料氮?dú)夤虄上嘀械姆峙浔壤嘟?，由此可以推斷，煤粉在燃燒過程中，NO生成過程中的同相機(jī)理和異相機(jī)理對NO排放過程同樣重要。然而，貧煤煤粉熱解實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果之后，僅有3%的燃料氮以揮發(fā)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(zhuǎn)化過程是控制NO的排放過程的關(guān)健。

(2)不同燃燒條件下NOX生成規(guī)律

圖2和圖3分別給出化學(xué)當(dāng)量比大于1和化學(xué)當(dāng)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(xiàn)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(huán)境有利于燃料－N轉(zhuǎn)化為NO。據(jù)Baxter［13］等人的研究結(jié)果可知:燃料－N的轉(zhuǎn)化過程主要發(fā)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(zhuǎn)化為NO的重要階段。由于，空氣攜帶煤粉進(jìn)入爐膛的過程中，氧化反應(yīng)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(qiáng)，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(jīng)降到了180 ppm以下。貧煤在化學(xué)當(dāng)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(tài)下，不僅可燃物質(zhì)沒有能夠充分的被氧化，而且燃料－N轉(zhuǎn)化為NO過程也受到了抑制。

為了進(jìn)一步研究煤粉爐燃燒過程N(yùn)OX排放規(guī)律，采用燃料－N轉(zhuǎn)化率作為評價煤粉爐中NOX生成量的重要指標(biāo)。圖4給出了煙煤和貧煤燃料－N轉(zhuǎn)化規(guī)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(xué)當(dāng)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(xué)當(dāng)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(xué)當(dāng)量比下的TFN(=NO+NH3+HCN)濃度曲線Fig.4 Axial concentration profiles of TFN for different SRs.

實(shí)驗(yàn)中測量的TFN濃度主要為NO的濃度。由圖4可知，煙煤在化學(xué)當(dāng)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(nèi)，但在化學(xué)當(dāng)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(nèi)。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(yīng)性較差，促使在相同燃燒距離內(nèi)，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(xué)當(dāng)量比增加而增加，并未出現(xiàn)較高化學(xué)當(dāng)量比下TFN峰值濃度相近情況。同時燃料－N轉(zhuǎn)化過程中，化學(xué)當(dāng)量比較高條件下，TFN濃度較高，在貧煤可燃物燃盡區(qū)可能會產(chǎn)生較高NO排放濃度;在較低化學(xué)當(dāng)量比的條件下，TFN濃度降低，由此推斷，能夠?qū)崿F(xiàn)較多燃料－N轉(zhuǎn)化為N2工況應(yīng)該是化學(xué)當(dāng)量比較低的工況。

1.2 針對燃用低揮發(fā)分煤種采取的低NOX燃燒措施

根據(jù)燃煤電站采用低揮發(fā)分煤(主要指貧煤)揮發(fā)分含量較低，著火困難，及貧煤燃燒過程中N轉(zhuǎn)化特性，應(yīng)用新一代立體分級低氮燃燒技術(shù)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(shù)通過水平濃淡煤粉燃燒與爐內(nèi)空氣垂直分級燃燒相結(jié)合而形成立體分級燃燒，通過高效濃淡分離，實(shí)現(xiàn)煤粉及時著火，保證燃燒穩(wěn)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(fā)分氮的轉(zhuǎn)化，在第一時間控制NOX的生成(根據(jù)哈工大和美國RMT公司的數(shù)值模擬結(jié)果，水平濃淡燃燒可在深度分級燃燒基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低NOX排放15%);通過風(fēng)包粉濃淡燃燒，在主燃區(qū)爐膛中心區(qū)域形成有效的還原性氣氛，大幅度降低NOX排放，在主燃區(qū)爐膛水冷壁表面附近形成有效氧化性氣氛，避免傳統(tǒng)單一分級燃燒技術(shù)可能會發(fā)生的高溫腐蝕現(xiàn)象;通過分級送入分離燃盡風(fēng)，在燃盡區(qū)形成NOX控制、CO和焦炭燃盡的完美結(jié)合，以零運(yùn)行成本實(shí)現(xiàn)NOX大幅度減排。

針對電廠鍋爐運(yùn)行狀況，可以從以下幾個方面進(jìn)行考慮:

(1)采用分級送入的高位分離燃盡風(fēng)系統(tǒng)，燃盡風(fēng)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(jìn)的水平濃淡風(fēng)煤粉燃燒技術(shù)，并采用噴口強(qiáng)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(shù)，確保煤粉及時著火，加強(qiáng)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(fēng)以及帶側(cè)二次風(fēng)的周界風(fēng)噴口設(shè)計(jì)，確保NOX大幅度減排;

(5)部分二次風(fēng)噴口采用偏轉(zhuǎn)噴射的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減排NOX排放;

2 結(jié)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(yán)重，控制燃煤電站NOX的排放成為國家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)亟需解決的課題。我國燃煤電站多采用揮發(fā)分低煤種－貧煤，雖然對貧煤的利用帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益，但給鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示貧煤燃燒過程中N轉(zhuǎn)化規(guī)律不同于其它高揮發(fā)分煤種，NOX排放較高且著火困難。根據(jù)國內(nèi)燃煤電站實(shí)際運(yùn)行狀況，應(yīng)用新一代立體分級低氮燃燒技術(shù)是降低NOX排放有效技術(shù)途徑，并且低氮燃燒技術(shù)工藝成熟，投資與運(yùn)行費(fèi)用較低，適合國內(nèi)大多數(shù)電廠應(yīng)用。

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