燃氣再燃降低NOX排放的一體化研究
摘要：氮氧化物（NOx）是主要的大氣污染物質。再燃技術是低NOx燃燒、控制NOx排放的較有前途的方法之一。本文簡述了當前控制NOx排放的主要技術方法，并重點介紹了再燃還原的技術原理，提出了一種耦合再燃燃料預處理過程、燃燒系統和再燃系統，并采用燃氣再燃降低NOx排放的新方法，分析了影響脫氮效率的主要因素。
關鍵詞：氮氧化物（NOx）；低NOx燃燒；再燃還原；燃氣再燃
隨著對環保要求的提高和經濟技術的發展，能源的有效合理利用及燃燒污染物的排放控制正受到越來越多的關注與研究。煤作為主要能源，占我國能源結構的70%左右。而且在今后相當長的時間內仍將占據我國能源的主導地位。但不合理的煤燃燒及煤加工過程中所釋放出的SO2、CO2、NOX及粉塵等對我國的生態環境造成了嚴重的破壞[1，2]。以往，出于技術與經濟方面的考慮，對煙氣中SO2脫除技術的研究較多，而對NOX脫除的研究重視還不夠。據調查,我國燃煤電站鍋爐的NOx排放量普遍超標。這些過量排放到大氣中的氮氧化物對酸雨和光化學煙霧的形成，以及地球臭氧層的破壞有直接的影響。因此發展高效、低污染的清潔煤燃燒技術,降低NOx的排放是當前急待解決的問題，這對于我國能源工業和國民經濟的可持續發展具有重要的意義。
1 控制NOx排放技術
煤燃燒過程中產生的氮氧化物主要是一氧化氮、二氧化氮及少量的氧化二氮。通常煤粉燃燒溫度下，NO占90%以上，NO2占5%～10%，N2O只占1%左右。NOx的生成途徑共有3種：熱力型NOx (Thermal NOx)、燃料型NOx (Fuel NOx)和快速型NOx (Prompt NOx)。目前，國內外控制NOX排放的技術措施主要有兩大類：(1) 采用低NOX的燃燒技術。通過改變燃燒過程來有效地控制NOX的生成。這些技術主要包括：低NOx燃燒器、低過量空氣系數、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒等；(2) 尾部煙氣脫硝處理。使用選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原（SNCR）兩種方式對煙道氣進行處理，在NOx形成后即被凈化。此外，最近幾年，美國和英國相繼開發了一些先進的燃燒控制系統，通過對各種燃燒操作參數的最佳選擇來控制NOx的形成和優化燃煤鍋爐的性能。
由于在安裝和操作上相對簡單、基建成本和運行成本相對較低，低NOx燃燒技術在許多要求適度降低NOx排放量的情況下成為了首選。此外，低 NOx燃燒系統也可以作為初步措施與下游的煙道氣處理技術一起使用。尾部煙氣脫硝技術在國外有比較成熟的應用，但在國內極少采用。主要缺點在于投資成本高，存在氨逃逸問題。而且如果運行控制不適當，容易造成較多的CO排放。尤其是對于2004年以前所建的一些燃煤電站，由于沒有預留脫硝設備場地，無法進行設備改造。許多電廠，由于各種原因，嚴重缺少改造資金，也幾乎不采用脫硝工藝。
2 再燃還原技術
作為低NOX燃燒技術之一，再燃還原NOX的方法簡單易行，設備改造費和運行維護費用都較低。這種控制NOX排放的措施不但可以降低煤粉鍋爐的NOx排放量，而且也不存在爐內結渣、高溫腐蝕等其它低NOx燃燒技術帶來的不良現象。再燃技術現已成為最有效的低NOx燃燒技術之一，也是當前研究的一個熱點。
再燃燒這一概念最早由Wendt等人于1973年提出，直到1983年日本三菱公司將再燃技術應用于實際的鍋爐并降低了大約50%的NOx排放量，這一方法才得以確立并實際應用。再燃實質上就是燃料分級燃燒技術。在燃燒器的主燃燒區中，主燃料在過量空氣系數(α >1)條件下燃燒；燃燒產物，包括NOX隨即進入再燃燒區，在這里噴入再燃燃料(天然氣、煤粉或其他碳氫化合燃料等)，燃燒產物與再燃燃料在低過量空氣系數(α <1)條件下燃燒，通過再燃還原反應，對已經生成的NOX，利用某種燃料作為NOX的還原劑，可以起到還原一部分NOX的作用，同時也作為一部分燃料在燃燒器內燃燒放熱，從而有效地降低了燃燒過程的NOX排放[3]。
再燃燒技術中的再燃燃料可以是各類燃料，包括氣態碳氫化合物(天然氣)、煤粉、油、生物質、水煤漿甚至瀝青。氣態碳氫化合物在燃燒時由于能產生大量的烴類而又不含有氮類物質，同時又易與煙氣充分混合和反應，是普遍認為較理想的再燃燃料。煤粉再燃是一種利用燃料作為還原劑將NOx從燃燒產物中除去的燃燒改進技術。其基本原理是燃料分解的碳氫化合物碎片能夠與NOx反應生成氮分子(N2)。
再燃技術在美國的電站煤粉鍋爐中已有成功的工業示范，該技術是美國能源部(DOE)潔凈煤技術計劃的一項重要成果，已在工業發達國家進行大面積的工業推廣應用。蘇格蘭電力公司ScottishPower’s)的朗格納特（Longannet）電站已經成功地將使用天然氣再燃技術應用于600MWe的燃燒煤粉的鍋爐中。煤炭再燃技術目前正在意大利維杜里格（Vado Ligure）電站的320MWe的燃燒煤粉的機組上進行論證試驗。鮑爾根公司PowerGen三井巴布考克能源有限公司和杰梅斯霍登公司James Howden & Co是此項目下一階段的英國合作者。除了低NOx燃燒系統，煙道氣處理工藝也已經開發出來，目前正廣泛地應用于德國和日本等國。
3新型燃氣再燃降低NOX排放的方法
雖然，再燃燃料可以是各類的燃料。但是在研究和實際應用中，采用最多的再燃燃料還是天然氣、煤粉或生物質。天然氣被認為是再燃的理想燃料，它還能減少二氧化硫、二氧化碳和顆粒物排放量，減少的量與天然氣替代煤的量成正比。但是，天然氣供給燃煤電廠通常不是現成的，它需要很大的基建成本的投入。在很多地方，天然氣都比煤炭貴得多，造成運行費用的增加。煤炭作為再燃燃料只涉及一種燃料的提供，即煤粉，既作為主燃燒燃料，也作為再燃燃料，因此可以避免其他燃料的成本。而且，煤炭通常比天然氣要便宜，這樣能顯著減少再燃燃料的成本。但是，煤炭作為再燃燃料的技術改進需要認真考慮，以避免一些潛在的問題，如爐內碳的燃盡以及結渣和污染等[4]。與上述兩種再燃燃料相比，生物質本身的N元素、S元素含量很少或幾乎沒有，從而減少了燃料型NOx的來源，同時具有CO2零排放的優點。但是生物質灰中有較高含量的活性堿金屬，如果直接用生物質作為再燃燃料，易引起燃燒器受熱面積灰，所以必須采用生物質的熱解氣作為再燃燃料。
無論采用哪一種燃料作為再燃燃料，再燃反應都主要是通過以下幾種反應方式來還原主燃區內生成的NOx（主要是 NO）。一是再燃燃料所產生的揮發份物質在過量空氣系數(α <1)條件下與煙氣中的NO發生均相反應而還原NO；二是如果采用煤粉作為再燃燃料，煤焦與NO也能發生異相反應而還原NO。再燃燃料的揮發份一般為氣態碳氫化合物CmHn、CO、CO2、H2、H2O和焦油等。當溫度高于1000K時，焦油還可以繼續分解生成碳氫化合物和CO等成份。主要反應過程可表示為：
CO＋NO→CO2＋ N2
H2＋NO→ N2＋H2O
CHi＋NO→HCN＋O，i＝3，2，1
HCN＋NO→N2＋… （過量空氣系數α <1）
煤焦與NO間的反應：
NO＋C→ N2＋CO
基于對再燃還原NO反應的認識，我們提出一種新型的燃氣再燃降低NOX排放的方法。由于天然氣價格和來源等因素的影響，本新型的再燃系統采用燃氣作為再燃燃料，燃氣取自煤或生物質的熱解氣體。將再燃燃料的預處理過程與燃燒系統、再燃系統耦合成一體，利用主燃區燃燒產物中熱灰所攜帶的熱量來供應給再燃燃料熱解所需要的熱量[5，6]。整個系統投資少、難度小，工藝簡單，并且脫氮效率較高。新型再燃系統的處理流程如下圖所示：
 圖1 耦合煙氣再燃的燃氣蒸汽聯產系統工藝流程圖 |
這個再燃系統將半焦燃燒爐與再燃燃料的熱解氣耦合運行。同時，將燃料（煤或生物質）的熱預處理部件聯結到給料和燃燒系統中，使主燃料在進行燃燒前深度熱預處理，這樣可明顯地減少燃燒器受熱面上沉積物的形成以及煙氣中氮氧化物的含量。此項技術已獲得國家發明專利。通過錐體的旋轉實現煤或生物質顆粒的輸送給料，經旋風分離器的熱灰通過加熱或滲流傳熱方式對旋轉錐體內的煤實現預先深度熱處理。煤在給料器內依靠離心力的作用襯托在錐體斜壁上以顆粒層流動滑移的形式輸出給料器。
錐體卸料口的出料進入主燃區燃燒。再燃燃料通過煤倉由輸送裝置送入，在旋轉錐體內，與煙氣中的熱灰進行熱交換，再燃燃料發生熱解反應，熱解后的固體產物在錐體離心作用下，滑移出旋轉錐，通過錐體的卸料口進入主燃區燃燒。而再燃燃料在旋轉錐體中所產生的熱解氣體分成兩個部分，一部分熱解氣體可以引出，作為民用或工業用燃氣；另一部分熱解氣體進入循環流化床的再燃區。這部分熱解氣與主燃區所產生的燃燒煙氣混合并燃燒，發生還原反應。降低了出口處煙氣中的NOX含量。此外，由于該系統采用了煤分級熱分解處理，半焦固體和可燃氣體分段燃燒的方法，也大大降低了NOX的生成量。
對于該新型再燃系統，需要解決的幾個問題：用于再燃還原反應的熱解氣量、循環流化床內再燃區的溫度、再燃區反應時間（再燃熱解氣引入循環流化床的位置）、煙氣和熱解氣中氧含量、各段燃燒的空氣過量系數、再燃燃料的種類等等[7]。這些因素對煙氣中的NOX脫除效率具有直接的影響，必須充分重視。
3、結論
隨著環保要求的日益增高，控制NOx排放的呼聲越來越高。而再燃作為一種較有前途的低NOx燃燒技術，正受到廣泛的重視。在深入分析國內外先進低NOx燃燒技術和再燃還原反應原理的基礎上，采用燃氣作為再燃燃料的新型再燃還原NOx、控制NOx排放的系統，實現了燃料預處理系統、燃燒裝置系統和再燃系統的一體化，熱解所需熱量由煙氣中的熱灰提供，提高了熱量的利用效率。
除了系統裝置的匹配以外，影響再燃還原反應效果的因素還有許多，包括再燃燃料特性及投入位置、過量空氣系數、滯留時間、溫度水平等，這些因素相互關聯，應用時應根據實際情況進行優化選擇。總之，煤燃燒產生的NOx治理是一項迫在眉捷的任務，再燃是當前較有前途的行之有效的低Nox控制技術，結合我國的經濟發展水平和能源利用現狀，應當加強再燃技術、控制NOx排放的研究，促進國民經濟與生態環境的協調發展。
參考文獻
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