低挥发分煤低NOX燃烧技术研究与开发

刘克军，徐 杰，孔令军，费 俊，孙 锐，孙绍增

(1.华电青岛发电有限公司，山东 青岛 266031;2.哈尔滨工业大学 燃烧工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 前言

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2008年我国的煤炭生产量和消费量分别为27.16亿t和27.5亿t，占世界同期煤炭生产和消耗总量的41%，其中约84%的煤炭直接用于燃烧。煤燃烧产生NOX主要为燃料型NOX，其中燃煤电站排放的NOX约占80% ～90%［1］，成为主要排放源。据《中国火电厂氮氧化物排放控制技术方案研究报告》统计［2］，2009年年火电厂排放的NOX总量已增至860万t，比2003年的597.3万t增加了43.9%，约占全国NOX排放量的35% ～40%。按照目前的排放控制水平，到2020年，我国火电排放的 NOX将达到1 234万t以上。火电厂排放的NOX一直未进行有效地控制，且目前排放总量在随火电机组容量的增加而增加。因此，控制火电厂NOX排放至关重要。

目前，我国燃煤电厂控制NOX排放技术措施一般包括低NOX燃烧技术和烟气脱硝技术。低NOX燃烧技术主要包括空气分级燃烧技术、低NOX燃烧器、再燃技术、烟气再循环技术及其它低NOX燃烧技术，如低氧燃烧技术和90年代在发达国家开始普遍推广应用一种全新型燃烧技术—高温空气燃烧技术［3］等。其中空气分级燃烧技术是国内外均普遍采用比较成熟的低NOX燃烧技术，在电站锅炉中应用也最普遍，NOX脱出效率达 15% ～ 30%［4－6］;低NOX燃烧器基于空气分级原理设计，种类较多，如PM(Pollution Minimum)型直流式低NOX燃烧器和双调风低NOX燃烧器等，其中水平浓淡风煤粉燃烧器是一种最具代表性的新型低 NOX煤粉燃烧器［7］。目前外国正在开发的低NOX燃烧技术可以控制NOX生成量在200 mg/Nm3左右［8］。国内自主研发的新型低NOX燃烧技术在控制NOX排放水平上已经达到国际先进水平。如哈尔滨工业大学的“风包粉”系列低NOX浓淡燃烧器及上海理工大学的双通道浓淡组合式低氮燃烧技术等，这些技术中有的已在对现役机组的技术改造中应用效果良好。截至2008年，我国火电机组中采用低氮燃烧技术约占76.70%［9］。低NOX燃烧技术相比烟气脱硝技术而言，技术成熟，运行成本低，是一项投入少、见效快并且适合我国国情的控制NOX排放量的措施［10］，因此被国内燃煤电站广泛采用。本文重点介绍燃煤电站低NOX燃烧技术并通过研究低挥发分贫煤NOX释放规律，给出针对燃贫煤电站降低NOX的具体措施。

1 低挥发分—贫煤的燃烧特点和低NOX燃烧的措施

低挥发分煤在我国煤炭总储量中占很大比重，约占煤炭贮藏量16%以上，而根据我国的燃料政策，电站锅炉燃用低挥发分煤是一项基本任务，如何合理开发和利用这类煤种是我国煤炭政策的重要一环［11］。目前，国内北方许多大型机组采用设计煤种燃用贫煤或劣质烟煤，且部分电厂采用贫煤掺烧烟煤的方式。为了控制燃用低挥发分煤种电站NOX排放，首先应对低挥发分煤燃烧过程中NOX释放规律进行研究。因此，本文根据一维热态实验炉(DTF)上得到实验数据，对比分析贫煤燃烧过程中NOX生成机理，并对低挥发分燃煤电站提出具体降低NO的具体措施。

1.1 低挥发分煤热解及燃烧特性

实验在一维热态实验炉(DTF)系统完成，同时为了比较低挥发分煤种与其它煤种燃烧过程中NOX释放规律差异，特选用国内某种典型烟煤与贫煤进行对比试验。煤粉的工业分析和元素分析见表1。

实验过程中，针对煤粉在不同的化学当量比下的燃烧过程中NOX排放差异，分别安排了化学当量比SR(Stoichiometric Ratio)从0.6变化到1.2的试验工况。一次风温为298 K，炉膛温度为1 373 K，煤粉量4 g/min。

(1)快速热解过程中N元素转化规律

挥发分－N主要存在于焦油和轻质气体中并通过与O2进行氧化反应而被转换NO或在缺少O2的条件下被还原成N2［12］。由前人研究结果可知，一般讲HCN是燃料－N在高温热解时主要存在形式，随着温度的提高，HCN的产量增加。图1给出了在DTF反应器中热解过程中N的转化规律。

在热解实验中测得的热解气体中，NH3和 HCN的产率较小，不是热解气的主要组成成分。NH3的浓度值接近于0，热解气中主要的含氮气体为HCN。可见作为NO前驱物，HCN主要产生于热解初期并能够在热解过程中出现峰值。同时根据灰平衡方法计算N元素的转化率所得，烟煤煤粉在经过热解之后，56%的燃料氮转化为挥发分－N，44%的燃料氮残留在焦炭－N中，燃料氮气固两相中的分配比例相近，由此可以推断，煤粉在燃烧过程中，NO生成过程中的同相机理和异相机理对NO排放过程同样重要。然而，贫煤煤粉热解实验测量结果之后，仅有3%的燃料氮以挥发分－N的形式释放，剩余97%的燃料N留在焦炭中，由此可见，贫煤中的燃料氮主要存在于焦炭N中，控制好燃烧过程中焦炭N转化过程是控制NO的排放过程的关健。

(2)不同燃烧条件下NOX生成规律

图2和图3分别给出化学当量比大于1和化学当量比小于1条件下烟煤和贫煤燃烧过程中NO，CH4和C2H6浓度曲线。从图2可知，NO的浓度峰值出现在燃烧的最初阶段，NO的浓度随轴向距离的增加而降低。在煤粉燃烧的初期，高浓度的O2存在下的富氧环境有利于燃料－N转化为NO。据Baxter［13］等人的研究结果可知:燃料－N的转化过程主要发生在两个重叠的阶段，即热解的后期和氧化阶段的早期。因而在这个重叠的阶段，是燃料N充分转化为NO的重要阶段。由于，空气携带煤粉进入炉膛的过程中，氧化反应使得O2浓度随着轴向距离的增加而减少，还原气氛逐渐随着轴向距离的增加而加强，生成的NO逐渐减少。

由图3可以看出，NO的峰值位于燃烧的初级阶段，且烟煤在SR小于0.9的工况下生成的NO的峰值已经降到了180 ppm以下。贫煤在化学当量比小于1的工况下生成的NO的峰值降到了600 ppm以下。由此可见，在贫氧燃烧状态下，不仅可燃物质没有能够充分的被氧化，而且燃料－N转化为NO过程也受到了抑制。

为了进一步研究煤粉炉燃烧过程NOX排放规律，采用燃料－N转化率作为评价煤粉炉中NOX生成量的重要指标。图4给出了烟煤和贫煤燃料－N转化规律曲线。

图1 热解过程中的HCN和NH3浓度Fig.1 The concentration of HCN and NH3during devolatilization

图2 在化学当量比大于1条件下的NO，CH4和C2H6浓度曲线Fig.2 Axial concentration profiles of NO，CH4and C2H6under high SR combustion conditions

图3 在化学当量比小于1条件下的NO，CH4和C2H6浓度曲线Fig.3 Axial concentration profiles of NO，CH4and C2H6under low SR combustion conditions.

图4 不同化学当量比下的TFN(=NO+NH3+HCN)浓度曲线Fig.4 Axial concentration profiles of TFN for different SRs.

实验中测量的TFN浓度主要为NO的浓度。由图4可知，烟煤在化学当量比为0.9，1.0和1.2的条件下，TFN的峰值浓度比较接近，在 310～320 ppm范围内，但在化学当量比为0.6，0.7和0.8较低的条件下，TFN的峰值浓度在50～160 ppm的范围内。相对烟煤而言，贫煤燃料－N主要集中在焦炭－N中，由于贫煤反应性较差，促使在相同燃烧距离内，贫煤可燃物燃尽率小于烟煤的可燃物燃尽率，因此，贫煤TFN峰值浓度是随着化学当量比增加而增加，并未出现较高化学当量比下TFN峰值浓度相近情况。同时燃料－N转化过程中，化学当量比较高条件下，TFN浓度较高，在贫煤可燃物燃尽区可能会产生较高NO排放浓度;在较低化学当量比的条件下，TFN浓度降低，由此推断，能够实现较多燃料－N转化为N2工况应该是化学当量比较低的工况。

1.2 针对燃用低挥发分煤种采取的低NOX燃烧措施

根据燃煤电站采用低挥发分煤(主要指贫煤)挥发分含量较低，着火困难，及贫煤燃烧过程中N转化特性，应用新一代立体分级低氮燃烧技术可以有效的降低燃煤电站NOX排放及保证锅炉热效率。该技术通过水平浓淡煤粉燃烧与炉内空气垂直分级燃烧相结合而形成立体分级燃烧，通过高效浓淡分离，实现煤粉及时着火，保证燃烧稳定性;通过煤粉及时着火和高浓度燃烧，有效控制着火初期的燃烧气氛和挥发分氮的转化，在第一时间控制NOX的生成(根据哈工大和美国RMT公司的数值模拟结果，水平浓淡燃烧可在深度分级燃烧基础上进一步降低NOX排放15%);通过风包粉浓淡燃烧，在主燃区炉膛中心区域形成有效的还原性气氛，大幅度降低NOX排放，在主燃区炉膛水冷壁表面附近形成有效氧化性气氛，避免传统单一分级燃烧技术可能会发生的高温腐蚀现象;通过分级送入分离燃尽风，在燃尽区形成NOX控制、CO和焦炭燃尽的完美结合，以零运行成本实现NOX大幅度减排。

针对电厂锅炉运行状况，可以从以下几个方面进行考虑:

(1)采用分级送入的高位分离燃尽风系统，燃尽风喷口能够垂直和水平方向双向摆动，有效控制汽温及其偏差;

(2)采用先进的水平浓淡风煤粉燃烧技术，并采用喷口强化燃烧措施，有效降低NOX排放，保证高效燃烧;

(3)高浓缩比、低阻力新一代煤粉浓缩技术，确保煤粉及时着火，加强燃尽效果，同时有效缓解气温偏差过大问题;

(4)采用延迟混合型一、二次风以及带侧二次风的周界风喷口设计，确保NOX大幅度减排;

(5)部分二次风喷口采用偏转喷射的结构，进一步减排NOX排放;

2 结论

火电厂对大气造成的污染、对人类生活造成的影响已十分严重，控制燃煤电站NOX的排放成为国家经济可持续发展和环境保护亟需解决的课题。我国燃煤电站多采用挥发分低煤种－贫煤，虽然对贫煤的利用带来了一定的经济效益，但给锅炉的安全、经济运行带来了一定问题。因此针对燃用贫煤电站，如何提高锅炉效率，有效降低NOX排放显得十分重要。

实验结果显示贫煤燃烧过程中N转化规律不同于其它高挥发分煤种，NOX排放较高且着火困难。根据国内燃煤电站实际运行状况，应用新一代立体分级低氮燃烧技术是降低NOX排放有效技术途径，并且低氮燃烧技术工艺成熟，投资与运行费用较低，适合国内大多数电厂应用。

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