焦爐煙氣氮氧化物生成機理及控制

王廣榮，李雪輝

1.山西安泰集團股份有限公司；2.山西宏安焦化科技有限公司

一、NOx的生成機理

燃燒生成的NOX，一般是指NO和NO2的混合物，其中NO占95%，NO2為5%左右，故在探討NOx形成機理時，主要研究NO的形成機理。NO的形成機理有3種類型：溫度熱力型NO；碳氫燃料快速型NO；含N組分燃料型NO[2]。

（一）溫度熱力型NO

在燃燒過程中，空氣中的N2被氧化為NO。

O+N2=NO+N

N+O2=NO+O

其中原子氧主要來源于高溫下O2的離解。理論上只有當燃燒溫度高于1800K（即1527℃）時，O2才會離解成原子狀態的O，與N2發生反應。

燃燒溫度對NOx濃度具有決定性的作用，在火道溫度1300～1350℃之間時，火道道溫度±10℃，則NOx量±30mg/m3。此處所說的燃燒溫度是指實際燃燒溫度，一般按理論燃燒溫度和測定的火道砌體溫度的均值計算。例如焦爐煤氣理論燃燒溫度為2350℃，立火道溫度為1325℃時，焦爐煤氣的實際燃燒溫度約為1840℃。中冶焦耐通過對國內帶廢氣循環的焦爐進行檢測，得出了焦爐立火道溫度、燃氣實際燃燒溫度與NOx濃度的關系，見表1。

表1 NOX濃度與立火道及燃燒室溫度的關系[3]

（二）碳氫燃料快速型NO

快速型NO是碳氫燃料分解產生較多的活性CHI自由基，與N2反應生成中間產物HCN，HCN經過一系列復雜反應最后氧化生成NO。Hayhurst[4]等把快速型NO的反應過程簡化為下面2個反應：

CH+N2=HCN+N

CH2+N2=HCN+NH

快速型NO只有在碳氫類燃料燃燒，并且燃料局部過濃時（α=0.7-0.8）才會發生。（見表1）

（三）含氮組分燃料型NO

燃料型NO是指燃料中的氮在燃燒過程中經過一系列的氧化還原反應而生成的NO。

燃料中的含N組分如NH3、HCN吡啶（C5-H5-N）、喹啉（C9H7N）等化合物，在燃燒過程中轉化為HCN，再轉化為NH或NH2后與氧反應：

4NH+3O2=4NO+2H2O

2NH2+2O2=NO+2H2O

含氮組分燃料型NO依賴于NO/O2比，實驗證明當α＜0.7時，幾乎沒有燃料型NO的生成。

（四）各類型NO的比例

在焦爐加熱過程中，快速型NO是由于焦爐煤氣中的CH4和CmHn等離解時，局部燃料過濃而形成少量的NO；含N組分燃料型NO與煤氣凈化程度相關，凈化后的煤氣含NH3約30-50mg/m3，HCN一般不大于250mg/m3，按最大轉化率80%計，在焦爐廢氣中的濃度最多不超過70mg/m3。因此，焦爐加熱過程中，幾乎90-95%的NO基本上均為溫度熱力型NO。

二、NOx的控制

NOx的控制技術包括兩大類：一是燃燒后的NOx控制，即NOx還原技術；二是燃燒過程控制。

（一）燃燒后NOx控制

已商業化的NOx還原脫硝技術包括選擇性非催化還原技術（SNCR）脫硝技術和選擇性催化還原（SCR）技術。SNCR脫硝技術是在無催化劑但溫度較高(900～1100℃)的條件下，向燃燒室噴入氨或尿素，將NOx還原為氮，并不適用于焦爐。SCR技術則是向爐外溫度較低的煙道廢氣中噴氨，使之與廢氣中的NOx在填裝有催化劑的反應器內發生還原反應，生成無害的N2和H2O，以達到大幅度減少NOx排放的目的。日本東京煤氣公司于20世紀80年代，在鶴見工廠通過中試和工業示范裝置驗證了該技術的可行性。但顯然，燃燒后脫硝技術會增加運行成本，因此人們更多的是關注燃燒過程控制技術[5]。

（二）燃燒過程NOx控制

如前文所述，加熱過程產生的NOx主要為溫度熱力型NO，而溫度熱力型NO從反應機理上來看，主要受燃燒溫度、燃燒反應區氧含量和燃燒產物在反應區的停留時間3個因素的影響，其中受溫度的影響特別顯著，在溫度低于1800K時熱力型機理通常是不重要的?？刂迫紵^程NOx技術主要是圍繞這三個方面考慮的。

畢玉森[6]將低NOx燃燒技術的發展總結為三個歷程。第一代低NOx燃燒技術主要包括低過?？諝庀禂颠\行、降低助燃空氣預熱溫度、濃淡燃燒和爐膛煙氣外循環等技術；第二代主要是指助燃空氣分級送入燃燒裝置的技術；第三代低NOx燃燒技術的主要特征是空氣和燃氣都分級送入爐膛。

1.廢氣循環技術

廢氣循環是目前使用較多的低NOx燃燒技術，包括火道內循環和外部循環兩種形式。焦化同行所熟知的廢氣循環技術，即火道內循環，實質上是下降氣流的廢氣進入上升氣流，降低了氣流的溫度，并在一定程度上淡化了燃氣和空氣濃度而減緩了燃燒強度。以焦爐煤氣加熱時，采用廢氣循環技術，在立火道溫度不高于1250℃時，廢氣中的NOX可達到＜500mg/m3；以貧煤氣加熱時，立火道溫度不高于1300℃時廢氣中NOX可<400mg/m3[3]。

廢氣外部循環，是使煙道及煙囪內的廢氣再次通過燃氣口進入燃燒系統的技術。浦項制鐵焦化廠對此進行了測試，循環氣體比例為11%-14%時，氮氧化物降低了9%。循環比例達到18%時，氮氧化物降低了10%[7]。但該技術由于焦爐結構方面的問題無法真正實現。

2.空氣分段加熱技術

空氣分級燃燒是比較成熟的低NOx燃燒技術之一，其核心思路是避開高溫和大量過?？諝獾耐瑫r出現，最高可降低30%的NOx。對碳化室7m或以上的焦爐，一般分三段供入空氣，第一段控制α≤0.8，第二段α≤1，第三段α約1.2，則在貧氧的第一、二段可有效控制熱力型NO的生成。而在富氧的第三段，則在一二段廢氣的稀釋、可燃成分降低和停留時間縮短三個因素的影響下，抑制了NO的大量生成。

德國普羅斯佩爾7.1m卡爾史蒂爾型焦爐分6段供空氣，火道溫度1320℃，無廢氣循環，NOx實測為390mg/m3，迪林根6.25m搗固焦爐，分三段供入空氣和貧煤氣，火道溫度1350℃，無廢氣循環，NOx月平均為290～310mg/m3，均證實了空氣分段加熱對控制NOx的有效性[8]。

3.燃料分級燃燒

燃料分級也稱作再燃技術，是把燃料分成兩股或者多股燃燒，分為3個燃燒區間。第1區間燃料充分燃燒(α＞1)，生成大量的NOx。第2區間稱為再燃區(α＜1)，加入具有還原性質的再燃燃料形成還原性氣氛，將之前生成的NOx還原。第3區間稱為燃盡區（α＞1)，燃料充分燃燒。該技術在國內電廠較為常見，將還原性氣體天然氣、水煤氣等氣體作為再燃燃料送入第2燃燒區間，達到了降低NOx的目的，但在焦爐上的應用尚未見報導[9]。

4.分段加熱與廢氣循環結合

分段加熱和廢氣循環技術相結合，對控制燃燒過程NOX濃度有疊加作用。Uhde公司設計的7.63m焦爐采用分三段供空氣，并控制α值，廢氣循環量約40%，用焦爐煤氣加熱時NOX約500mg/m3，用貧煤氣加熱時NOX約濃度350mg/m3。

5.高溫貧氧燃燒技術[10]

其關鍵技術在于采用高效率的新型蓄熱體，以獲得高溫助燃空氣；稀釋反應區的含氧體積濃度，獲得低氧濃度氣氛。該技術是當今最先進的燃燒技術之一，可大幅降低廢氣NOx濃度，但未見應用于焦爐加熱的報導。

三、結論

（1）焦爐煤氣含氮組分的NOx轉化率最高可達80%，采用常規脫硫、脫氰、脫氨工藝大致可控制凈煤氣NH3在30-50mg/m3，HCN一般不大于250mg/m3，含氮組分燃料型NOx一般不超70mg/m3，進一步降低NH3、HCN難度大，但對控制NOx的貢獻值并不明顯。

（2）碳氫燃料快速型NOx生成的必要條件之一是α=0.7-0.8，為了保證燃料完全燃燒，一般控制焦爐α在1.2左右，燃料局部過濃的可能性較小。

（3）熱力型NOx所占的比例最大，其生成受實際燃燒溫度、反應區氧氣濃度和反應物停留時間三個因素的影響。

廢氣循環技術可以沖淡燃燒強度，抑制NOx的生成，技術成熟，國內焦爐應用廣泛。

控制實際燃燒溫度是關鍵，用焦爐煤氣加熱，當實際燃燒溫度降至1750℃以下（火道溫度約1250℃）時，基本能控制NOx濃度在500mg/m3（采用廢氣循環）。

（4）分段供入空氣，分段供入燃氣，分段控制燃燒區空氣過剩系數，采用高導熱性能硅磚，采用高效率的新型蓄熱體提高預熱空氣溫度，減薄爐墻提高傳熱效率，縮小機焦側錐度降低焦側溫度，均為抑制熱力型NOx生成的有效手段，但這需要焦爐爐體設計結構的不斷進步才能實現。