燃气再燃降低NOX排放的一体化研究
摘要：氮氧化物（NOx）是主要的大气污染物质。再燃技术是低NOx燃烧、控制NOx排放的较有前途的方法之一。本文简述了当前控制NOx排放的主要技术方法，并重点介绍了再燃还原的技术原理，提出了一种耦合再燃燃料预处理过程、燃烧系统和再燃系统，并采用燃气再燃降低NOx排放的新方法，分析了影响脱氮效率的主要因素。
关键词：氮氧化物（NOx）；低NOx燃烧；再燃还原；燃气再燃
随着对环保要求的提高和经济技术的发展，能源的有效合理利用及燃烧污染物的排放控制正受到越来越多的关注与研究。煤作为主要能源，占我国能源结构的70%左右。而且在今后相当长的时间内仍将占据我国能源的主导地位。但不合理的煤燃烧及煤加工过程中所释放出的SO2、CO2、NOX及粉尘等对我国的生态环境造成了严重的破坏[1，2]。以往，出于技术与经济方面的考虑，对烟气中SO2脱除技术的研究较多，而对NOX脱除的研究重视还不够。据调查,我国燃煤电站锅炉的NOx排放量普遍超标。这些过量排放到大气中的氮氧化物对酸雨和光化学烟雾的形成，以及地球臭氧层的破坏有直接的影响。因此发展高效、低污染的清洁煤燃烧技术,降低NOx的排放是当前急待解决的问题，这对于我国能源工业和国民经济的可持续发展具有重要的意义。
1 控制NOx排放技术
煤燃烧过程中产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。通常煤粉燃烧温度下，NO占90%以上，NO2占5%～10%，N2O只占1%左右。NOx的生成途径共有3种：热力型NOx (Thermal NOx)、燃料型NOx (Fuel NOx)和快速型NOx (Prompt NOx)。目前，国内外控制NOX排放的技术措施主要有两大类：(1) 采用低NOX的燃烧技术。通过改变燃烧过程来有效地控制NOX的生成。这些技术主要包括：低NOx燃烧器、低过量空气系数、空气分级燃烧、燃料分级燃烧等；(2) 尾部烟气脱硝处理。使用选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）两种方式对烟道气进行处理，在NOx形成后即被净化。此外，最近几年，美国和英国相继开发了一些先进的燃烧控制系统，通过对各种燃烧操作参数的最佳选择来控制NOx的形成和优化燃煤锅炉的性能。
由于在安装和操作上相对简单、基建成本和运行成本相对较低，低NOx燃烧技术在许多要求适度降低NOx排放量的情况下成为了首选。此外，低 NOx燃烧系统也可以作为初步措施与下游的烟道气处理技术一起使用。尾部烟气脱硝技术在国外有比较成熟的应用，但在国内极少采用。主要缺点在于投资成本高，存在氨逃逸问题。而且如果运行控制不适当，容易造成较多的CO排放。尤其是对于2004年以前所建的一些燃煤电站，由于没有预留脱硝设备场地，无法进行设备改造。许多电厂，由于各种原因，严重缺少改造资金，也几乎不采用脱硝工艺。
2 再燃还原技术
作为低NOX燃烧技术之一，再燃还原NOX的方法简单易行，设备改造费和运行维护费用都较低。这种控制NOX排放的措施不但可以降低煤粉锅炉的NOx排放量，而且也不存在炉内结渣、高温腐蚀等其它低NOx燃烧技术带来的不良现象。再燃技术现已成为最有效的低NOx燃烧技术之一，也是当前研究的一个热点。
再燃烧这一概念最早由Wendt等人于1973年提出，直到1983年日本三菱公司将再燃技术应用于实际的锅炉并降低了大约50%的NOx排放量，这一方法才得以确立并实际应用。再燃实质上就是燃料分级燃烧技术。在燃烧器的主燃烧区中，主燃料在过量空气系数(α >1)条件下燃烧；燃烧产物，包括NOX随即进入再燃烧区，在这里喷入再燃燃料(天然气、煤粉或其他碳氢化合燃料等)，燃烧产物与再燃燃料在低过量空气系数(α <1)条件下燃烧，通过再燃还原反应，对已经生成的NOX，利用某种燃料作为NOX的还原剂，可以起到还原一部分NOX的作用，同时也作为一部分燃料在燃烧器内燃烧放热，从而有效地降低了燃烧过程的NOX排放[3]。
再燃烧技术中的再燃燃料可以是各类燃料，包括气态碳氢化合物(天然气)、煤粉、油、生物质、水煤浆甚至沥青。气态碳氢化合物在燃烧时由于能产生大量的烃类而又不含有氮类物质，同时又易与烟气充分混合和反应，是普遍认为较理想的再燃燃料。煤粉再燃是一种利用燃料作为还原剂将NOx从燃烧产物中除去的燃烧改进技术。其基本原理是燃料分解的碳氢化合物碎片能够与NOx反应生成氮分子(N2)。
再燃技术在美国的电站煤粉锅炉中已有成功的工业示范，该技术是美国能源部(DOE)洁净煤技术计划的一项重要成果，已在工业发达国家进行大面积的工业推广应用。苏格兰电力公司ScottishPower’s)的朗格纳特（Longannet）电站已经成功地将使用天然气再燃技术应用于600MWe的燃烧煤粉的锅炉中。煤炭再燃技术目前正在意大利维杜里格（Vado Ligure）电站的320MWe的燃烧煤粉的机组上进行论证试验。鲍尔根公司PowerGen三井巴布考克能源有限公司和杰梅斯霍登公司James Howden & Co是此项目下一阶段的英国合作者。除了低NOx燃烧系统，烟道气处理工艺也已经开发出来，目前正广泛地应用于德国和日本等国。
3新型燃气再燃降低NOX排放的方法
虽然，再燃燃料可以是各类的燃料。但是在研究和实际应用中，采用最多的再燃燃料还是天然气、煤粉或生物质。天然气被认为是再燃的理想燃料，它还能减少二氧化硫、二氧化碳和颗粒物排放量，减少的量与天然气替代煤的量成正比。但是，天然气供给燃煤电厂通常不是现成的，它需要很大的基建成本的投入。在很多地方，天然气都比煤炭贵得多，造成运行费用的增加。煤炭作为再燃燃料只涉及一种燃料的提供，即煤粉，既作为主燃烧燃料，也作为再燃燃料，因此可以避免其他燃料的成本。而且，煤炭通常比天然气要便宜，这样能显著减少再燃燃料的成本。但是，煤炭作为再燃燃料的技术改进需要认真考虑，以避免一些潜在的问题，如炉内碳的燃尽以及结渣和污染等[4]。与上述两种再燃燃料相比，生物质本身的N元素、S元素含量很少或几乎没有，从而减少了燃料型NOx的来源，同时具有CO2零排放的优点。但是生物质灰中有较高含量的活性碱金属，如果直接用生物质作为再燃燃料，易引起燃烧器受热面积灰，所以必须采用生物质的热解气作为再燃燃料。
无论采用哪一种燃料作为再燃燃料，再燃反应都主要是通过以下几种反应方式来还原主燃区内生成的NOx（主要是 NO）。一是再燃燃料所产生的挥发份物质在过量空气系数(α <1)条件下与烟气中的NO发生均相反应而还原NO；二是如果采用煤粉作为再燃燃料，煤焦与NO也能发生异相反应而还原NO。再燃燃料的挥发份一般为气态碳氢化合物CmHn、CO、CO2、H2、H2O和焦油等。当温度高于1000K时，焦油还可以继续分解生成碳氢化合物和CO等成份。主要反应过程可表示为：
CO＋NO→CO2＋ N2
H2＋NO→ N2＋H2O
CHi＋NO→HCN＋O，i＝3，2，1
HCN＋NO→N2＋… （过量空气系数α <1）
煤焦与NO间的反应：
NO＋C→ N2＋CO
基于对再燃还原NO反应的认识，我们提出一种新型的燃气再燃降低NOX排放的方法。由于天然气价格和来源等因素的影响，本新型的再燃系统采用燃气作为再燃燃料，燃气取自煤或生物质的热解气体。将再燃燃料的预处理过程与燃烧系统、再燃系统耦合成一体，利用主燃区燃烧产物中热灰所携带的热量来供应给再燃燃料热解所需要的热量[5，6]。整个系统投资少、难度小，工艺简单，并且脱氮效率较高。新型再燃系统的处理流程如下图所示：
 图1 耦合烟气再燃的燃气蒸汽联产系统工艺流程图 |
这个再燃系统将半焦燃烧炉与再燃燃料的热解气耦合运行。同时，将燃料（煤或生物质）的热预处理部件联结到给料和燃烧系统中，使主燃料在进行燃烧前深度热预处理，这样可明显地减少燃烧器受热面上沉积物的形成以及烟气中氮氧化物的含量。此项技术已获得国家发明专利。通过锥体的旋转实现煤或生物质颗粒的输送给料，经旋风分离器的热灰通过加热或渗流传热方式对旋转锥体内的煤实现预先深度热处理。煤在给料器内依靠离心力的作用衬托在锥体斜壁上以颗粒层流动滑移的形式输出给料器。
锥体卸料口的出料进入主燃区燃烧。再燃燃料通过煤仓由输送装置送入，在旋转锥体内，与烟气中的热灰进行热交换，再燃燃料发生热解反应，热解后的固体产物在锥体离心作用下，滑移出旋转锥，通过锥体的卸料口进入主燃区燃烧。而再燃燃料在旋转锥体中所产生的热解气体分成两个部分，一部分热解气体可以引出，作为民用或工业用燃气；另一部分热解气体进入循环流化床的再燃区。这部分热解气与主燃区所产生的燃烧烟气混合并燃烧，发生还原反应。降低了出口处烟气中的NOX含量。此外，由于该系统采用了煤分级热分解处理，半焦固体和可燃气体分段燃烧的方法，也大大降低了NOX的生成量。
对于该新型再燃系统，需要解决的几个问题：用于再燃还原反应的热解气量、循环流化床内再燃区的温度、再燃区反应时间（再燃热解气引入循环流化床的位置）、烟气和热解气中氧含量、各段燃烧的空气过量系数、再燃燃料的种类等等[7]。这些因素对烟气中的NOX脱除效率具有直接的影响，必须充分重视。
3、结论
随着环保要求的日益增高，控制NOx排放的呼声越来越高。而再燃作为一种较有前途的低NOx燃烧技术，正受到广泛的重视。在深入分析国内外先进低NOx燃烧技术和再燃还原反应原理的基础上，采用燃气作为再燃燃料的新型再燃还原NOx、控制NOx排放的系统，实现了燃料预处理系统、燃烧装置系统和再燃系统的一体化，热解所需热量由烟气中的热灰提供，提高了热量的利用效率。
除了系统装置的匹配以外，影响再燃还原反应效果的因素还有许多，包括再燃燃料特性及投入位置、过量空气系数、滞留时间、温度水平等，这些因素相互关联，应用时应根据实际情况进行优化选择。总之，煤燃烧产生的NOx治理是一项迫在眉捷的任务，再燃是当前较有前途的行之有效的低Nox控制技术，结合我国的经济发展水平和能源利用现状，应当加强再燃技术、控制NOx排放的研究，促进国民经济与生态环境的协调发展。
参考文献
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[3]吴碧君, 刘晓勤. 燃烧过程NOx的控制技术与原理[J].电力环境保护.2004,20(2): 29-33.
[4]聂其红, 吴少华, 列绍增, 秦裕琅. 国内外煤粉燃烧低NOX控制技术的研究现状[J]. 哈尔滨工业大学学报.2002,34(6): 826-837.
[5]王峥, 范浩杰, 龚希武, 黄浩, 胡国新. 旋转锥式热解炉内煤颗粒混合热解实验研究[J].动力工程（in press）
[6]龚希武, 陈宏文, 田先锋, 胡国新.旋转锥体内颗粒传输规律的实验研究[J].动力工程. 2005,25(5):728-732.
[7]苏胜, 向军，李敏，胡松，孙路石，孙学信. 先进再燃烧技术影响因素分析[J]. 电力环境保护.2004, 20(1): 37-41.
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