摘要:随着环保意识的增加,对于环境治理和保护的投入也不断提高。煤燃烧过程中释放大量的有害物质。低NOx燃烧技术的实现可较大幅度地降低NOx排放而不引起运行费用的增加。文章介绍了几种低NOx燃烧技术的方法:空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环、浓淡偏差燃烧、低NOx燃烧器。
关键词:环境污染;空气分级燃烧;燃料分级燃烧;烟气再循环;低NOx燃烧器
中图分类号:X322文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)04-0047-02
随着我国经济的不断深入和发展,工业化的程度不断提高,化石燃料的消耗是非常巨大的,随之而来的是严重的环境污染问题。
随着环保意识的增加,对于环境治理和保护的投入也不断提高。煤燃烧过程中释放大量的有害物质,火力发电厂每吨煤炭排放的各种污染物数量见表1,可见火力发电是NOx的主要发生源。随着我国电力行业的发展,尽管大容量机组在总装机容量中的比例不断增加,发电煤耗也不断下降以及单位发电量NOx的排放也在逐年减少,但是由于发电量的迅速发展,2000年燃煤发电厂NOx排放为290万吨,预计2010年加上汽车等燃油产生的NOx,我国的NOx总排放量可能超过1001万吨。所以,研究NOx的生成机理、探索控制NOx排放量的途径和方法,用以降低火力发电厂的NOx排放,对于我国的环境保护和国民经济的发展是十分重要的。2000年和2010年火电厂NOx污染治理目标见表2。
一、氮氧化物的危害及形成机理
(一)氮氧化物的危害
氮氧化物(NOx)是一种危害人体健康和破坏大气环境的剧毒污染物,主要是在燃烧过程中产生的。燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO和NO2,通常把这两种氮的氧化物称为NOx,其中NO约占90%以上。
NOx已成为与CO,SO2并列齐名的主要污染物。SO2对人体的危害立竿见影,当时就有反应,而NOx的危害是在不知不觉中缓慢积累,其危害隐蔽而持久。它会引发一系列明显的NOx综合症,诸如胸闷、头晕、呼吸系统不畅及老年痴呆症等,以致在人发病后竟不知病源来自何方。因此,NOx又被称为“隐形杀手”。
(二)氮氧化物的生成机理
煤燃烧产生的NOx即氮氧化物,NO占有90%以上,NO2占5%～10%,NOx生成机理一般分为如下三种:
1.热力型NOx生成机理。
分子式: N2 + O2 → 2NO (1)
NO + 1/2O2 →NO2 (2)
热力型NOx的生成量和燃烧温度关系很大,在温度足够高时,热力型NOx的生成量可占到NOx总量的30%,随着反应温度的升高,其反应速率按指数规律增加。
2.快速型NOx生成机理。快速型NOx是在碳氢化合物燃料在燃料过浓时燃烧,燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中氮气反应生成HCN和N,再进一步与氧气作用以极快的速度生成,其形成时间只需要60ms。快速型NOx在燃烧过程中的生成量很小。影响快速型NOx生成的主要因素有空气过量条件和燃烧温度。
3.燃料型NOx生成机理。由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度,在600℃～800℃时就会生成燃料型NOx,它在煤粉燃烧NOx产物中占60%～80%。在生成燃料型NOx过程中,首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N、CN、HCN等中间产物基团,然后再氧化成NOx。
二、低NOx燃烧技术
由于各方面的原因,我国对SO2的重视较多,而对NOx的脱除还不普遍,尤其是对电厂及其它大型工业锅炉NOx的脱除还未提到日程上来。随着我国对SO2治理工作地不断深入,NOx可能取代SO2成为我国大气酸性降雨的主要污染源。氮氧化物主要包括NO和NO2,氮氧化物控制技术可分为两大类,即燃烧中控制技术和燃烧后控制技术。
(一)空气分级燃烧
空气分级燃烧法是美国首先发展起来的,它是目前使用最为普遍的低NOx燃烧技术之一。空气分级燃烧的基本原理为:将燃烧所需的空气量分成两级送入,使第一级燃烧区内过量空气系数在0.8左右,燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧,使得燃烧速度和温度降低,因而抑制了热力型NOx的生成。同时,燃烧生成的CO与NO进行还原反应,以及燃料N分解成中间产物(如NH、CN、HCN和NH3等)相互作用或与NO还原分解,抑制了燃料型NOx的生成:
NH+NH → N2+H2 (3)
NH+NO → N2+OH (4)
在二级燃烧区内,将燃烧用的空气的剩余部分以二次空气输入,成为富氧燃烧区。此时空气量虽多,一些中间产物被氧化生成NO:
CN+O2 → CO+NO(5)
但因火焰温度低,生成量不大,因而总的NOx生成量是降低的,最终空气分级燃烧可使NOx生成量降低30%～40%。当采用空气分级燃烧后,火焰温度峰值明显比不采用空气分级燃烧时降低,故热力型NOx降低。
(二)燃料分级燃烧
燃料分级燃烧,又称为燃料再燃技术。Party and Engle首先发现了利用碳氢化合物可以降低NO的排放,紧接着Drummond也在研究中发现了这一现象。Weldt等第一次提出了“再燃”这个概念;同时他还通过实验发现,假如将甲烷(CH4)在主燃烧区的下游(紧贴主燃烧区的地方)作为燃料喷入的话,可以使NO的排放降低50%。Myerson提出通过甲烷(CH4)降低NO的总反应方程式为:
2NO+2CH4→2HCN+2H2O+H2+88kcal(6)
6NO+2CH4→2CO+4H2O+3N2+428kcal (7)
Folsom等通过实验提出:通过再燃技术可以使NOx和SO2的排放分别降低了60%和20%。如图1所示:
(三)烟气再循环
除了空气和燃料分级降低NOx的排放量之外,目前使用较多的还有烟气再循环法。它是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉内,或者是与一次风或二次风混合后送入炉内,这样不但可以降低燃烧温度,而且也降低了氧气浓度,因而可以降低NOx的排放浓度。如图2所示:
烟气再循环技术,其核心在于利用烟气所具有的低氧以及温度较低的特点,将部分烟气再循环喷入炉膛合适的位置,降低局部温度及形成局部还原性气氛,从而抑制NOx的生成。
(四)低过量空气燃烧
低过量空气燃烧也叫低氧燃烧,就是使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行。低过量空气燃烧运行具有重要意义之点就是从能量守恒的观点出发,在低过量空气范围的条件下运行,可使用较少的燃料。因此,可以认为,低过量空气运行可以作为减少氮氧化物的形成和燃料消耗量的基本改进燃烧方法之一。
对于每台锅炉,由于燃烧条件不一样,因此过量空气系数a对NOx的影响程度是不可能相同的;因而在采用低氧燃烧后,NOx降低的程度也不可能相同。例如,燃用同一燃料,由于燃烧器的布置方式不同,其过剩空气系数a对NOx的影响是不同的。燃烧器四角布置时,由于炉内气流旋转,燃料与空气混合均匀,避免了局部过剩空气过多(特别是在燃烧前期过剩空气过多),因而过剩空气系数对NOx的影响较小;而当燃烧器前墙布置时,情况正相反。
(五)浓淡偏差燃烧
浓淡偏差燃烧是近年国内外采用的一种降低锅炉燃烧排放NOx的燃烧技术。此法原理是对装有两个燃烧器以上的锅炉,使部分燃烧器供应较多的空气(呈贫燃料区),即燃料过淡燃烧;部分燃烧器供应较少的空气(呈富燃料区),即燃料过浓燃烧。无论是过浓或者过淡燃烧,燃烧时a都不等于1,前者a>1,后者a<1,故又称非化学当量比燃烧或偏差燃烧。
(六)低NOx燃烧器
低NOx燃烧器是根据NOx的形成机理,通过特殊设计的燃烧器结构,以及通过改变燃烧器的风煤比例,可以将空气分级、燃料分级和烟气再循环降低NOx浓度的原理应用于燃烧器,以尽可能地降低着火区氧的浓度,适当降低着火区的温度,达到最大限度地抑制NOx生成的目的。因此,低NOx燃烧器不仅要能保证煤粉着火和燃烧的需要,而且要能有效地抑制NOx的生成。根据所采取的措施的不同,各种不同类型的低NOx燃烧器可以达到的NOx降低率一般在30%～60%。一般低NOx燃烧器可使烟气中的NOx减少48%左右,加上分级燃烧后,总的NOx可减少68%左右。低NOx燃烧器不仅能保证煤粉着火和燃烧的需要,并且能有效地抑制NOx的生成。由于低NOx燃烧器能在煤粉的着火阶段就抑制NOx的生成,可以达到更低的NOx排放量,因此低NOx燃烧器得到了广泛的开发和利用。
结合我国国情,应该优先采用投资和运行成本都较低的低NOx燃烧技术来降低NOx的排放,既节约了能源,又保护了环境。低NOx燃烧技术是一种从根本上来控制NOx生成的技术。
三、结语
各种低NOx燃烧技术与尾部烟气脱硝相比,具有应用广泛、简单、经济等特点,而且对于即使因为排放标准的原因而采用烟气脱硝的机组来说,低NOx燃烧技术的实施也可以提高烟气脱硝的效率和降低其成本。考虑到我国目前的国情,在今后一段时期内,我国适合发展投资少且比较有效的低NOx燃烧技术。通过锅炉运行调整、精确地测量与控制风煤量,实现优化燃烧可较大幅度地降低NOx排放而不引起运行费用的增加。
参考文献
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作者简介:陈曦梅(1972-),女,湖南望城人,长沙电力职业技术学院副教授,研究方向:热能动力工程教学。
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