燃煤鍋爐再燃技術烴根濃度對NOx還原的影響

聞 猛，張 凡

(華北水利水電大學烏拉爾學院，河南 鄭州 450000)

0 引言

自然界中的氮氧化物(NOx)的來源一般分為天然排放和人為活動排放。天然排放指的是自然界物質循環中分解所產生的，而人為排放大多為生產生活過程中，大量使用化石燃料和硝酸產生的。在燃料燃燒產生的高溫條件下，排放的NOx中95%都是一氧化氮(NO)，排放出來的NO與空氣中的氧氣發生氧化反應，進而生成NO2。因此，實際上空氣中NOx的污染物主要是NO2。當空氣中形成一定濃度的NO2后，再進入空氣的NO就會在光化學反應條件下與NO2達到化學反應平衡。在空氣濕度達到一定條件下，空氣中的水分子就會溶解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對NO2的轉化起到催化作用，所以實際上，空氣中HNO3的形成速度和濃度比理論上要快得多。

除此之外，在平流層中，燃料飛行器燃燒后的產物NOx會因為平流層的空氣靜止作用而大量聚集，進而會對平流層中臭氧層造成損耗，破壞臭氧層，造成臭氧層空洞。

1 燃煤氮氧化物的產生機理

燃煤產生的NOx污染物除了主要的NO，還有部分NO2和N2O，這3種污染物統稱為NOx。由于NO2占5%～10%，N2O只占1%左右，所以在NOx生成機理和治理機理上要重點關注NO。

NOx的生成伴隨著煤燃燒的全過程，根據各個階段的不同環境，如溫度、含氧化、燃燒狀態等不同，把NOx產生的途徑總結為熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。

1.1 熱力型NOx

熱力型NOx是指高溫條件下，助燃物如空氣中所含有的氮氣直接被氧化而形成的NOx，它的形成與燃料無關，完全是高溫條件下的氧化反應。一般在燃燒溫度超過1 500℃后，溫度每升高100℃，氮氣氧化反應速度就會增加5倍以上。

1.2 燃料型NOx

燃料型NOx是指燃料在燃燒過程中，含氮的可燃物燃燒后氮分子被氧化而形成的NOx。根據物質分子鍵的鍵能，燃料中氮的化合物的鍵能，如C-N結合的鍵能為25.5～65×107J/mol，而空氣中含氮氣的N-N鍵能為94.5×107J/mol，前者鍵能只有后者鍵能的27%～68%，遠低于氮氣的N-N鍵能。在溫度低于1 500℃條件下，空氣中的氧氣更傾向于與C-N鍵斷裂出來的氮原子發生反應生成NOx。

1.3 快速型NOx

快速型NOx是指燃料燃燒過程中，燃料中的碳氫離子團如CH和空氣中的氮氣反應形成的NOx。快速型NOx的氮來源和熱力型NOx一樣都是由空氣提供，但不同的是，快速型NOx不依賴于高溫條件，在溫度相對較低的條件下，即可形成。

所以，一般不含氮的燃料(如天然氣)在低溫燃燒時，燃料型NOx和熱力型NOx未能形成，才將NOx的來源重點考慮為快速型NOx。

以上對NOx產生的機理進行表述，雖然NOx產生的3種途徑不同，不同主要體現在燃燒過程中條件和氮的來源，但是它們之間又存在聯系，且相互影響。由于快速型NOx和熱力型NOx占總NOx的比例很小，且常規燃煤鍋爐溫度很難達到1 500℃以上，所以控制燃煤鍋爐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的生成機理可知，燃料型NOx中氮的來源為燃料自身可燃氮化合物，在鍋爐類型和負荷一定情況下，為了抑制燃料型NOx的生成，就要創造條件，盡可能地使燃料型NOx被還原。圖1中，表示還原性氣氛箭頭方向的就是抑制NOx生成和促使破壞NOx的途徑。

圖1 抑制NOx生成和破壞NOx途徑的示意圖

燃料型NOx的生成非常依賴氧氣，所以在鍋內煤粉主燃燒階段要盡可能降低氧氣濃度，使煤中的含氮可燃物燃燒后在缺氧的還原性氛圍下，由NH等中間體還原生成分子氮(N2)，最后再通入足夠的氧氣促使燃料完全燃燒。針對燃燒主階段已經產生的NOx，則可以依據圖中右邊NOx箭頭所指的方向，就是促使NOx還原和破壞的反應途徑，在鍋爐內某一特定位置噴入含有大量烴根的物質，利用烴根的還原作用還原NOx，進而降低NOx濃度。

3 數值模擬方法

根據上述NOx的生成和抑制機理，結合電站四角切圓燃煤鍋爐形狀和尺寸，采用Fluent軟件對燃煤鍋爐再燃方式進行數值模擬，來對比研究影響NOx還原效果的烴根濃度影響因素。

鍋爐模型通過Gambit進行創建，爐膛界面網格采用了Paving方法生成非結構四邊形網格，這樣可以有效降低數值偽擴散。熱力型NOx和燃料型NOx的形成分別用Extended Zeldovich機理和De Soete’s模型計算，NO在NOx中所占比例最大，而NO2和N2O所占比例較小。將計算得到的NO的數據按式轉換為6% O2的標準：

式中：NOx為標準狀態下含氧量為6%的干煙氣中NOx的質量濃度，mg/m3；NO為干煙氣中NO的實測體積含量，10-6；O2為干煙氣中O2的實測含量，%；μ為NO2從摩爾分數到質量分數的轉換系數，設為2.05。

由于爐底區域的流場較為復雜，為了使模擬結果盡可能準確，對網格進行了加密處理。燃燒器區域采用漸進式網格，盡量使網格方向與氣體流動方向一致，以減少偽擴散。鍋爐的網格分區和燃燒器的水平橫截面如圖2所示。

(a)鍋爐 (b)燃燒器

4 烴根濃度對燃煤鍋爐燃料分級燃燒系統的影響

根據NOx的還原原理可知，對于在鍋爐燃燒情況下已經生成的NOx，如果遇到大量的烴根物質，就會發生有效的還原反應，被還原成N2。

利用這一原理，將鍋爐規定負荷下的所有燃煤量分成兩份或者多份，將80%的燃料直接送入爐內，在充足的氧氣條件下完全燃燒，提供鍋爐內主要需求熱負荷，同時不對NOx的生成做任何阻止措施，任憑NOx生成；然后在爐內上部區域投入20%的燃料，這些燃料在高溫缺氧條件下，生成大量的燃燒中間產物烴根物質，利用烴根物質的還原作用，將NOx還原，同時也促進了烴根物質的燃燒。

在富燃料條件下，隨著燃料析出一定量的HCN，在再燃區HCN的主要來源為CHi和NO反應生成，因此HCN的形成主要依賴于烴根的濃度。通過FLUENT軟件模擬再燃過程中烴根濃度的影響因素得到以下結果。

4.1 再燃燃料的種類

由圖3可知，再燃區內噴入的燃料主要選擇易產生大量烴根物質而自身不含有氮物質的燃料如丙烷。各種燃料產生的烴根(CHi)及含氮量不同，其降低NOx的效果也不一樣。H2降低NOx的效果較差，因為它本身不能產生烴根，而燃煤不僅含有烴根，同時含有大量含氮可燃物。

圖3 相同過量空氣系數下不同種類的二次燃料對NOx生成的影響

4.2 再燃燃料的比例

為保證再燃過程的脫硝效果，必須在再燃區輸入足夠數量的再燃燃料，以保證再燃區內還原NOx所必須的烴根濃度。

再燃量越高，再燃燃料的脫硝效果越好，但再燃燃料量過高將會降低再燃燃料的燃盡率，容易造成爐膛內壁還原性腐蝕和灰熔點降低。一般來說，二次燃料的比例在10%～20%。

4.3 再燃區的過量空氣系數

再燃區的烴根來源于再燃燃料的析出，燃料析出后，如果再燃區為氧化性氣氛，大部分CHi將與氧反應，不能起到很好的還原NOx的作用。如果再燃區為還原性氣氛，大部分將與NOx反應，進而達到還原NOx的目的。

所以，為了達到較好的NOx還原效果，就要保證烴根物質和NOx有很好的接觸機會，保證再燃區烴根物質的濃度，根據燃燒反應動力學研究及圖4模擬結果可知，當爐內過量空氣系數為0.9左右時，燃料燃燒生成的中間產物烴根自由基濃度會達到最大值。

圖4 二次燃料量占15%條件下不同過量空氣系數對NOx生成的影響

4.4 再燃區內溫度

溫度越高反應速率越快，因此為了保證NOx的高還原率，要保證再燃區溫度處于合理高溫區間。根據溫度升高有利于化學反應可知，高溫有利于提高氮化合物的分解速率，有利于增加烴根物質的生成濃度。因此，提高再燃區溫度，不僅能提高NOx的還原率，而且還能促使含氮中間產物轉變為N2。

4.5 再燃區混合狀況的影響

再燃區的混合狀態主要指的是再燃區內送入的燃料與主燃燒區的燃燒產物的混合情況，根據化學反應可知，反應物混合越好，反應物有效接觸越多，反應進行得越快越充分。所以再燃區混合狀態好，還原反應越好，NOx被還原的量就越多。

故合理的再燃燃料送入位置和送入速度，對烴根物質和NOx的接觸起到至關重要的作用。再燃料噴口的最佳位置應該選擇在形成NOx濃度最高的地方，這樣有利于形成富燃料的還原性氣氛以提高NOx的還原率。

5 結語

在采用分級燃燒技術時，為了有效降低NOx的排放，采用合理的再燃區運行參數保障烴根濃度和接觸時間是非常關鍵的。其中，再燃燃料的種類、再燃燃料的比例、再燃區的過量空氣系數、再燃區內溫度以及煙氣在再燃區內的停留時間等是影響烴根濃度還原NOx效果的主要因素。