低氮燃燒再燃燒技術研究現狀

朱科明 常 琳 張蓬朝

1.華北理工大學 冶金與能源學院 河北 唐山 063210

2.華北理工大學 管理學院 河北 唐山 063210

1 引言

NOx是大氣中常見的污染物之一,大量排放會產生光化學煙霧、破壞臭氧層[1～2],對經濟發展和人民生活產生了嚴重影響。因此,“十二五”期間,我國第一次將NOx列入國家強制性減排指標；“十三五”期間,NOx減排仍然被列為強制性減排指標。

痛過燃燒形成的NOx分為熱力型、快速型和燃料型三種,其中熱力型NOx是由空氣中的N2經過高溫燃燒氧化產生的；快速型NOx是在富燃料的條件下,由燃料中所含的碳氫化合物和N2反應產生氰類化合物,然后氰類化合物被氧化產生的；燃料型NOx是由燃料中的含氮化合物熱分解后又被氧化而產生的。

2 再燃燒技術研究現狀

再燃燒技術是對燃料進行分級,形成各個區域的不同燃燒情況與氛圍,主要是通過將燃料分級送入爐膛中,形成主燃區、再燃區與燃盡區形成的[3]。

主燃區為控制燃料的加入形成的富氧燃燒區域,會因燃燒溫度較高生成一定量熱力型NOx；但在再燃區燃燒進程中,通過人為控制加入一定量的二次燃料,使得空氣含量相對減少,形成了富燃料氛圍進行燃燒,故還原性極強,NOx被還原成N2；最后會在燃盡區通入風,形成貧燃料燃燒,燃燒剩余燃料,減少不完全燃燒損失[4～5]。

沈伯雄等[6]對天然氣再燃技術的原理與技術進行了詳細的綜述,得出了NOx減排情況與再燃區的溫度、空氣過量系數、停留時間和燃料的噴入位置有著密切關系,研究表明：再燃區溫度應在1247～1343K之內,過量空氣系數應在0.85～0.9之內,再燃燃料與主要燃料熱值比應保證在10%～20%之間,再燃區停留時間在0.4s到1s之內,并且將再燃燃料噴入NOx濃度最大的地方,確保天然氣與NOx的充分混合。

陳寶明等[7]采用天然氣再燃技術改造的220t/h煤粉爐進行試驗,試驗研究了煤粉爐中含氧量、再燃量、停留時間等條件對再燃燒技術降低NOx的排放的效果,結果表明：當再燃區氧含量是5%,再燃燃料的流量是15%,再燃區停留時間是0.67s時,NOx的減排效果達到最佳,其排放濃度平均值為137mg/Nm3。

宋少鵬等[8]基于燃料分級燃燒技術,耦合外部煙氣再循環技術,研究開發了一種燃料分級低氮燃燒器,研究了燃料分級情況、空氣過量系數與外部煙氣再循環情況對NOx減排效果的影響,研究得到：NOx排放量隨二次燃料的增加先增加后減少；二次燃料不被使用時,其NOx的總排放量與過量空氣系數相關,隨著空氣過量系數的增加先增加后減少；當二次燃料的比例確定在50%時,NOx的排放量隨著空氣過量系數的增加不斷減少；NOx的減排情況以外部煙氣再循環率為10%為轉折點,在外部煙氣再循環率低于10%時,受到外部煙氣再循環率影響極大,當外部煙氣再循環率高于10%時,對NOx的排放量影響變小,斜率變小。

Zabetta等[9]進行了將再燃燒技術與選擇性非催化還原技術相結合協同減少工業爐NOx排放的研究,通過建立化學動力學模型對該協同工藝進行詳細測試,使用攜帶碳氫化合物的再燃燃料,得到再燃區溫度在1300K～1700K之間,還原氣氛下(過量空氣系數小于1),燃盡區溫度在1100K～1300K之間,可以降低NOx含量40%以上。

3 結語

再燃燒技術對鍋爐的結構要求少,僅需對燃燒器的結構作出一定改進；但由于HCN/NH3中間產物的產生,它們易在燃盡區被二次氧化為NO,因此再燃技術脫硝效率始終難以突破60%。

隨著越來越嚴格的環境要求與國家標準,單純使用一種低氮燃燒工藝已經完全不能滿足現有的排放標準,因此接下來再燃燒技術研究的重點就是與其它低氮燃燒技術有機結合,例如與煙氣再循環其技術或非催化還原技術相結合,尋找NOx減排效率最高的先進燃燒技術。