燃煤锅炉再燃技术烃根浓度对NOx还原的影响

闻 猛，张 凡

(华北水利水电大学乌拉尔学院，河南 郑州 450000)

0 引言

自然界中的氮氧化物(NOx)的来源一般分为天然排放和人为活动排放。天然排放指的是自然界物质循环中分解所产生的，而人为排放大多为生产生活过程中，大量使用化石燃料和硝酸产生的。在燃料燃烧产生的高温条件下，排放的NOx中95%都是一氧化氮(NO)，排放出来的NO与空气中的氧气发生氧化反应，进而生成NO2。因此，实际上空气中NOx的污染物主要是NO2。当空气中形成一定浓度的NO2后，再进入空气的NO就会在光化学反应条件下与NO2达到化学反应平衡。在空气湿度达到一定条件下，空气中的水分子就会溶解NO2形成硝酸(HNO3)，硝酸是酸雨中第二主要的成分。化石燃料通常都含有大量的硫分，所形成的SO2对NO2的转化起到催化作用，所以实际上，空气中HNO3的形成速度和浓度比理论上要快得多。

除此之外，在平流层中，燃料飞行器燃烧后的产物NOx会因为平流层的空气静止作用而大量聚集，进而会对平流层中臭氧层造成损耗，破坏臭氧层，造成臭氧层空洞。

1 燃煤氮氧化物的产生机理

燃煤产生的NOx污染物除了主要的NO，还有部分NO2和N2O，这3种污染物统称为NOx。由于NO2占5%～10%，N2O只占1%左右，所以在NOx生成机理和治理机理上要重点关注NO。

NOx的生成伴随着煤燃烧的全过程，根据各个阶段的不同环境，如温度、含氧化、燃烧状态等不同，把NOx产生的途径总结为热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。

1.1 热力型NOx

热力型NOx是指高温条件下，助燃物如空气中所含有的氮气直接被氧化而形成的NOx，它的形成与燃料无关，完全是高温条件下的氧化反应。一般在燃烧温度超过1 500℃后，温度每升高100℃，氮气氧化反应速度就会增加5倍以上。

1.2 燃料型NOx

燃料型NOx是指燃料在燃烧过程中，含氮的可燃物燃烧后氮分子被氧化而形成的NOx。根据物质分子键的键能，燃料中氮的化合物的键能，如C-N结合的键能为25.5～65×107J/mol，而空气中含氮气的N-N键能为94.5×107J/mol，前者键能只有后者键能的27%～68%，远低于氮气的N-N键能。在温度低于1 500℃条件下，空气中的氧气更倾向于与C-N键断裂出来的氮原子发生反应生成NOx。

1.3 快速型NOx

快速型NOx是指燃料燃烧过程中，燃料中的碳氢离子团如CH和空气中的氮气反应形成的NOx。快速型NOx的氮来源和热力型NOx一样都是由空气提供，但不同的是，快速型NOx不依赖于高温条件，在温度相对较低的条件下，即可形成。

所以，一般不含氮的燃料(如天然气)在低温燃烧时，燃料型NOx和热力型NOx未能形成，才将NOx的来源重点考虑为快速型NOx。

以上对NOx产生的机理进行表述，虽然NOx产生的3种途径不同，不同主要体现在燃烧过程中条件和氮的来源，但是它们之间又存在联系，且相互影响。由于快速型NOx和热力型NOx占总NOx的比例很小，且常规燃煤锅炉温度很难达到1 500℃以上，所以控制燃煤锅炉NOx的排放主要就是控制燃料型NOx的生成。

2 燃煤燃料型NOx的抑制

由燃料型NOx的生成机理可知，燃料型NOx中氮的来源为燃料自身可燃氮化合物，在锅炉类型和负荷一定情况下，为了抑制燃料型NOx的生成，就要创造条件，尽可能地使燃料型NOx被还原。图1中，表示还原性气氛箭头方向的就是抑制NOx生成和促使破坏NOx的途径。

图1 抑制NOx生成和破坏NOx途径的示意图

燃料型NOx的生成非常依赖氧气，所以在锅内煤粉主燃烧阶段要尽可能降低氧气浓度，使煤中的含氮可燃物燃烧后在缺氧的还原性氛围下，由NH等中间体还原生成分子氮(N2)，最后再通入足够的氧气促使燃料完全燃烧。针对燃烧主阶段已经产生的NOx，则可以依据图中右边NOx箭头所指的方向，就是促使NOx还原和破坏的反应途径，在锅炉内某一特定位置喷入含有大量烃根的物质，利用烃根的还原作用还原NOx，进而降低NOx浓度。

3 数值模拟方法

根据上述NOx的生成和抑制机理，结合电站四角切圆燃煤锅炉形状和尺寸，采用Fluent软件对燃煤锅炉再燃方式进行数值模拟，来对比研究影响NOx还原效果的烃根浓度影响因素。

锅炉模型通过Gambit进行创建，炉膛界面网格采用了Paving方法生成非结构四边形网格，这样可以有效降低数值伪扩散。热力型NOx和燃料型NOx的形成分别用Extended Zeldovich机理和De Soete’s模型计算，NO在NOx中所占比例最大，而NO2和N2O所占比例较小。将计算得到的NO的数据按式转换为6% O2的标准：

式中：NOx为标准状态下含氧量为6%的干烟气中NOx的质量浓度，mg/m3；NO为干烟气中NO的实测体积含量，10-6；O2为干烟气中O2的实测含量，%；μ为NO2从摩尔分数到质量分数的转换系数，设为2.05。

由于炉底区域的流场较为复杂，为了使模拟结果尽可能准确，对网格进行了加密处理。燃烧器区域采用渐进式网格，尽量使网格方向与气体流动方向一致，以减少伪扩散。锅炉的网格分区和燃烧器的水平横截面如图2所示。

(a)锅炉 (b)燃烧器

4 烃根浓度对燃煤锅炉燃料分级燃烧系统的影响

根据NOx的还原原理可知，对于在锅炉燃烧情况下已经生成的NOx，如果遇到大量的烃根物质，就会发生有效的还原反应，被还原成N2。

利用这一原理，将锅炉规定负荷下的所有燃煤量分成两份或者多份，将80%的燃料直接送入炉内，在充足的氧气条件下完全燃烧，提供锅炉内主要需求热负荷，同时不对NOx的生成做任何阻止措施，任凭NOx生成；然后在炉内上部区域投入20%的燃料，这些燃料在高温缺氧条件下，生成大量的燃烧中间产物烃根物质，利用烃根物质的还原作用，将NOx还原，同时也促进了烃根物质的燃烧。

在富燃料条件下，随着燃料析出一定量的HCN，在再燃区HCN的主要来源为CHi和NO反应生成，因此HCN的形成主要依赖于烃根的浓度。通过FLUENT软件模拟再燃过程中烃根浓度的影响因素得到以下结果。

4.1 再燃燃料的种类

由图3可知，再燃区内喷入的燃料主要选择易产生大量烃根物质而自身不含有氮物质的燃料如丙烷。各种燃料产生的烃根(CHi)及含氮量不同，其降低NOx的效果也不一样。H2降低NOx的效果较差，因为它本身不能产生烃根，而燃煤不仅含有烃根，同时含有大量含氮可燃物。

图3 相同过量空气系数下不同种类的二次燃料对NOx生成的影响

4.2 再燃燃料的比例

为保证再燃过程的脱硝效果，必须在再燃区输入足够数量的再燃燃料，以保证再燃区内还原NOx所必须的烃根浓度。

再燃量越高，再燃燃料的脱硝效果越好，但再燃燃料量过高将会降低再燃燃料的燃尽率，容易造成炉膛内壁还原性腐蚀和灰熔点降低。一般来说，二次燃料的比例在10%～20%。

4.3 再燃区的过量空气系数

再燃区的烃根来源于再燃燃料的析出，燃料析出后，如果再燃区为氧化性气氛，大部分CHi将与氧反应，不能起到很好的还原NOx的作用。如果再燃区为还原性气氛，大部分将与NOx反应，进而达到还原NOx的目的。

所以，为了达到较好的NOx还原效果，就要保证烃根物质和NOx有很好的接触机会，保证再燃区烃根物质的浓度，根据燃烧反应动力学研究及图4模拟结果可知，当炉内过量空气系数为0.9左右时，燃料燃烧生成的中间产物烃根自由基浓度会达到最大值。

图4 二次燃料量占15%条件下不同过量空气系数对NOx生成的影响

4.4 再燃区内温度

温度越高反应速率越快，因此为了保证NOx的高还原率，要保证再燃区温度处于合理高温区间。根据温度升高有利于化学反应可知，高温有利于提高氮化合物的分解速率，有利于增加烃根物质的生成浓度。因此，提高再燃区温度，不仅能提高NOx的还原率，而且还能促使含氮中间产物转变为N2。

4.5 再燃区混合状况的影响

再燃区的混合状态主要指的是再燃区内送入的燃料与主燃烧区的燃烧产物的混合情况，根据化学反应可知，反应物混合越好，反应物有效接触越多，反应进行得越快越充分。所以再燃区混合状态好，还原反应越好，NOx被还原的量就越多。

故合理的再燃燃料送入位置和送入速度，对烃根物质和NOx的接触起到至关重要的作用。再燃料喷口的最佳位置应该选择在形成NOx浓度最高的地方，这样有利于形成富燃料的还原性气氛以提高NOx的还原率。

5 结语

在采用分级燃烧技术时，为了有效降低NOx的排放，采用合理的再燃区运行参数保障烃根浓度和接触时间是非常关键的。其中，再燃燃料的种类、再燃燃料的比例、再燃区的过量空气系数、再燃区内温度以及烟气在再燃区内的停留时间等是影响烃根浓度还原NOx效果的主要因素。