空气分级燃烧降低NOx排放机理及影响因素

邵伟涛， 王文欢， 潘卫国

(上海电力学院 能源与机械工程学院， 上海 200090)

环保技术

空气分级燃烧降低NOx排放机理及影响因素

邵伟涛， 王文欢， 潘卫国

(上海电力学院 能源与机械工程学院， 上海 200090)

阐述了电站燃煤锅炉空气分级燃烧技术降低NOx排放的机理，分析了影响空气分级燃烧效率的主要因素，讨论了各种因素对煤粉燃烧过程中NOx生成量的影响规律。结果表明：NOx的生成量随着炉内温度和过量空气的增加而逐渐增加，随着烟气在炉内停留时间的延长和煤粉细度的增加而逐渐减小。

空气分级燃烧； 反应机理； NOx排放； 影响因素

Mechanism of NOxEmission Reduction by Air-staged

氮氧化物 (NOx)是造成酸雨、温室效应以及光化学烟雾的主要根源，严重影响了人们的生活环境，成为关注的焦点。我国的NOx排放总量在2014年已达到2 078万t，其中近一半来自于火电厂[1]。目前国内外燃煤电厂降低NOx排放的主要技术包括空气分级燃烧技术和尾部的烟气SCR脱硝技术：尾部烟气SCR脱硝技术一般对NOx的脱除效率能达到80%以上，但是投资费用太高；而空气分级燃烧技术不仅对NOx的脱除效率能达到30%～40%，且投资费用是最低的[2]。所以燃煤电站一般采用空气分级燃烧技术作为一级炉内脱硝来降低NOx的排放，从而减少了SCR脱硝的喷氨量，降低了投资费用。因此了解空气分级燃烧降低NOx排放机理及其影响因素，对降低炉膛出口NOx排放量显得尤为重要。

1 空气分级燃烧原理

1.1 NOx的生成机理

电站燃煤锅炉的NOx主要分燃料型、热力型和快速型3种类型：燃料型NOx主要是由空气的氧与燃料中含氮的有机物燃烧反应而生成的，受温度的影响比较小，空气与燃料的混合比(空燃比)对其影响较大，其体积分数一般在75%～90%；热力型NOx是由高温下空气中的N2被氧化而生成的，其受温度的影响最大，生成量当炉内的温度低于1 500 ℃时极少，但当温度大于1 500 ℃时，每升高约100 K，反应速率会增加6～7倍，其体积分数一般低于20%；快速型NOx主要由周围的氧与煤燃烧生成的中间产物HCN和N，在高温下以极快的反应速率生成的，其生成量受周围氧量影响较大，受温度的影响较小，体积分数一般在5%以下[3-5]。

1.2 空气分级燃烧的基本原理

空气分级燃烧是使燃料燃烧所需的氧量通过合理分配，分两段送入炉内的主燃烧区和燃尽区，使燃料经过“缺氧燃烧”和“富氧燃烧”两个过程，以此达到降低NOx排放的目的。在主燃烧区送入所需空气量的70%～85%，此时由于氧气量少，炉内的温度就较低，降低了热力型NOx的生成；另外，由于氧量较少，煤粉不完全燃烧产生的还原性产物(如NH3和HCN),会还原裂解已生成的NOx,从而抑制了燃料型NOx的生成。在燃尽区送入燃烧所需的剩余空气，一般占总二次风的15%～30%，以使煤粉燃烧殆尽，降低了烟气中的飞灰含碳量，由于此时燃尽区的火焰温度较低，新生成NOx的量很少。因此，降低了总的NOx的生成量[6-7]。炉膛内煤粉燃烧被划分成主燃区、还原区和燃尽区(见图1)。

图1 空气分级燃烧分布图

2 空气分级燃烧降低NOx排放主要影响因素

影响空气分级燃烧降低NOx排放的因素有很多，概括起来主要受煤种和燃烧条件的影响。燃烧条件影响的因素主要包括：主燃烧区的过量空气系数、炉内烟气的停留时间、炉内主燃烧区的温度水平以及煤种和煤粉细度的影响。

2.1 主燃烧区的过量空气系数的影响

主燃烧区过量空气系数(α)是影响空气分级燃烧减少NOx排放的主要因素。当α过高时，炉内有较多的氧量，煤粉会得到充分的燃烧，提高了燃料型NOx的生成；有足够的氧量提供燃烧，提升了主燃烧区的温度，一定程度上促进了热力型NOx的生成；当α过低时，炉内进行缺氧燃烧，由于缺氧使煤粉不完全燃烧，生成大量的还原性中间产物(如HCN和NH3)，还原分解已生成的NOx,从而降低了NOx的排放；但是当α过低时，增大了炉膛出口烟气中的飞灰含碳量，增加了机械未完全燃烧损失，降低了锅炉效率。此外，α过低会使炉内主燃烧区的壁面附近呈现还原性气氛，比较容易产生高温腐蚀。图2是在实验炉中燃烧挥发分为25.25%、固定碳57.57%、水分3.89%、灰分13.29%的煤种，得出NOx减少率和CO排放量随α(主燃烧区)的变化关系[8]。当α<0.85时，随着α的减小，NOx的减少率已经变化不大，但此时炉膛出口CO的排放量明显增加，因此α的选择不应低于0.85。对于具体的煤种和燃烧设备，α应根据具体的试验而定。

图2 主燃烧区的过量空气系数对NOx减少率和CO排放量的影响

2.2 烟气停留时间的影响

图3是温度在1 300 ℃下采用空气分级燃烧烟煤时，烟气在不同时间停留下NOx排放量与α的关系(6%O2下)[9]。由图3可知，烟气在不同时间停留下，NOx的排放量随着主燃烧区过量空气系数的减小而急剧减少：当停留时间从1 s增至4 s时，NOx排放浓度明显减少；从4 s增至5 s时，NOx排放浓度减少则不明显。综合考虑，当α选择在0.8～0.9，烟气停留时间选择在3～5 s时，NOx的排放量最少。

图3 烟气在不同时间停留下NOx排放量与α的关系

α以及主燃烧区与SOFA风喷口的距离决定着烟气在还原区的停留时间。烟气在炉内还原区的速度和温度，随着α的减小而降低，从而延长了煤粉在还原区停留的时间，促进了NOx还原，减少了NOx的排放。随着主燃烧区与SOFA风喷口距离的增加，增长了炉内NOx被分解的时间，也减少了NOx的排放。因此，α和SOFA喷口的位置高低决定着炉内烟气的停留时间和降低NOx排放的程度。

2.3 温度的影响

图4是不同温度下NOx排放量随α变化的关系(6%O2下)[10]。当α<0.8时，火焰的温度越高，NOx的排放量越少，主要是因为按照NOx的生成机理，当反应中O2的含量越低，此时反应的温度越高，反应越向NOx减少的方向进行，所以生成的NOx量越少；当α>0.8时，随着O2量的逐渐增大，此时的温度越高，反应越向NOx增加的方向进行，所以生成的NOx量越多。因此，在采用空气分级燃烧不同的煤种时，主燃烧区反应温度的控制和α的选择，对NOx减少程度有着显著的影响。

图4 不同反应温度下NOx排放量与α关系

2.4 煤种及煤粉细度的影响

煤粉中HCN、CN、NH3等含氮的有机物，在炉膛内分挥发分氮和焦炭氮进行析出，其中燃料型NOx的60%～80%来源于挥发分氮的氧化，而剩余的20%～40%则来自于焦炭氮的氧化。空气分级燃烧的原理就是阻止挥发分氮向燃料型NOx的氧化，所以煤的挥发性越高，空气分级燃烧对NOx的减排效果越显著[11]。

在没有采用空气分级燃烧时，燃烧粗煤粉排放的NOx量要低于细煤粉；而采用空气分级燃烧时，则产生相反的结果[12]。这主要是由于较细的煤粉，燃料中的挥发性物质更容易释放，在主燃烧区α较小时，形成更浓的还原性气氛，使氮的中间产物得以还原分解，降低了向NOx转化。另外，煤粉越细，反应的比表面积越大，着火提前，延长了NOx还原的时间，近一步降低了NOx的排放[13]。

3 结语

(1) 空气分级燃烧时，NOx排放量随着α的减小而减少，而CO的排放量却逐渐增加，使未完全燃烧损失增加，因此燃烧不同煤种均存在一个最佳α。

(2) 空气分级燃烧时，NOx的还原程度受烟气停留时间的影响，且与α和主燃烧区与SOFA风喷口的距离有关。

(3) 空气分级燃烧时，主要是在主燃烧区形成一个高温强还原性气氛，当α较低时，提高主燃烧区温度，可以促进NOx的还原反应，降低NOx的排放。

(4) 空气分级燃烧时，燃烧较细煤粉相比于燃烧较粗煤粉，能更多地降低NOx的排放。

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Combustion and the Influencing Factors

Shao Weitao, Wang Wenhuan, Pan Weiguo

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090, China)

An introduction is presented to the mechanism of NOxemission reduction by air-staged combustion in coal-fired boilers, together with an analysis on the factors influencing the efficiency of air-staged combustion, and a discussion on the variation law of NOxgeneration with various factors. Results show that the NOxgeneration increases with the rise of temperature and excess air in the furnace, which reduces with the rise of flue gas residence time in the furnace and the fineness of pulverized coal particles.

air-staged combustion; reaction mechanism; NOxemission; influencing factor

2016-04-07；

2016-05-12

邵伟涛(1989—)，男，在读硕士研究生，研究方向为火电厂大气污染物控制。

E-mail: sweitao1011@163.com

TK227.1

A

1671-086X(2017)01-0023-03