王 林 李 婷 楊 松 張勝利
(咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院 陜西 咸陽 712000)
我國(guó)煤炭資源豐富,作為主要能源,約占能源結(jié)構(gòu)上的60%以上。所以從燃料的經(jīng)濟(jì)性及穩(wěn)定性考慮,噴霧干燥塔多采用燃煤熱風(fēng)爐,煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣態(tài)污染物主要是氮氧化物NOx和硫氧化物SOx。與燃用氣體、液體燃料一樣,煤燃燒中產(chǎn)生的NOx可通過改變?nèi)紵姆椒ㄟM(jìn)行控制。對(duì)于脫硫在此不做過多的贅述。
燃料燃燒排出的NOx中不僅有來源于燃料中氮的燃料型NOx,還有來源于空氣中的氮?dú)獾臏囟刃蚇Ox,溫度型NOx的生成情況,因燃燒裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式等燃燒條件的不同而異,即使采取同樣的控制技術(shù),其控制效果也有很大差異。燃料中原有的氮穩(wěn)定性高,難以分解去除。排煙中的NOx大多是難以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的NO,所以很難從煙氣中去除掉。因此NOx的防治技術(shù),歸結(jié)起來大致有“NOx控制技術(shù)”和“排煙脫硝技術(shù)”兩類,前者用于控制NOx的生成,后者則用于去除排煙中的NOx。筆者現(xiàn)就NOx控制技術(shù)進(jìn)行討論以供同行互相交流。
熱風(fēng)爐在燃燒過程中溫度型NOx的生成量一般隨著空氣過剩率的增加而增加,而燃料型NOx約占NOx生成總量的80%~90%。溫度型NOx的生成量在很大程度上取決于火焰溫度,如果通過空氣預(yù)熱或設(shè)立絕熱壁使火焰溫度上升,則溫度型NOx所占比例將增大。
而煤的燃燒過程可分為揮發(fā)分的燃燒和固定碳的燃燒兩個(gè)階段。因此, 燃料型NOx生成的途徑主要為:由揮發(fā)分中的燃料N轉(zhuǎn)化為NO;固定碳中的燃料N轉(zhuǎn)化為NO。揮發(fā)分中N轉(zhuǎn)換的NOx約占生成的NOx總量的60%~70%,固定碳中的N變?yōu)镹O的轉(zhuǎn)換率是非常低的,而且不受流動(dòng)狀態(tài)和混合狀態(tài)的影響。
能有效控制氣體和煤油等燃燒時(shí)生成的NOx排煙再循環(huán)法,也適用于粉煤燃燒的場(chǎng)合。與氣體燃料燃燒相比,粉煤燃燒時(shí)排煙再循環(huán)的效果比較差,即使排煙再循環(huán)率達(dá)到20%,NOx的下降率也只有20%左右,沒有顯著的效果。由于排煙再循環(huán)法基本上是以降低火焰溫度的手段來抑制溫度型NOx產(chǎn)生的,故認(rèn)為,對(duì)通常的粉煤燃燒,排煙再循環(huán)法不算是控制燃料型NOx的有效法。但是,對(duì)于高溫爐粉煤燃燒系統(tǒng),因?yàn)闇囟刃蚇Ox所占比例較大,所以將排煙再循環(huán)法應(yīng)用于噴霧干燥塔供熱系統(tǒng)具有一定效果。
由于燃煤生成的NOx中大部分是燃料型NOx,因而控制一段燃燒區(qū)的氧氣濃度是抑制NOx的有效措施。其影響因素很多,但最主要的是燃料供給方法和爐內(nèi)混合工況。通常應(yīng)減少一段區(qū)內(nèi)的過量空氣,形成燃料過濃燃燒;在揮發(fā)分燃盡之前,應(yīng)避免二段空氣進(jìn)入一段燃燒區(qū)內(nèi)。為防止高溫還原性氣流與爐接觸,應(yīng)充分利用火焰外側(cè)的煙氣回流,利用溫度較低的特點(diǎn),防止?fàn)t墻結(jié)渣。
采用二段燃燒時(shí),由于一段燃料過濃燃燒區(qū)內(nèi)氧氣濃度很低,容易出現(xiàn)還原性介質(zhì)使灰熔點(diǎn)降低而引起結(jié)渣。因而,可以采用從爐底送入一部分空氣,讓空氣沿爐墻上升,使水冷壁表面附近保持氧化性氣氛,以防止結(jié)渣。低NOx運(yùn)行容易引起飛灰中可燃物增多,所以必須保持燃燒中的燃料和空氣分布均勻。
粉煤低NOx燃燒器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,二次空氣分內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)分別送入爐內(nèi),通過各自的葉片式調(diào)風(fēng)器調(diào)節(jié)其旋流強(qiáng)度。內(nèi)二次風(fēng)主要用來保證燃燒穩(wěn)定著火,外二次風(fēng)主要用來控制其與燃料的混合工況。一次風(fēng)內(nèi)筒與外筒一起構(gòu)成一次風(fēng)通道,在出口處同時(shí)向內(nèi)收縮,使燃料向火焰中心集中,已形成燃料過濃燃燒。內(nèi)筒出口處的可調(diào)內(nèi)筒通過前后移動(dòng),調(diào)節(jié)一次風(fēng)噴出速度,從而調(diào)節(jié)燃料與二次風(fēng)之間的混合強(qiáng)度。
熱風(fēng)爐運(yùn)用該燃燒器能夠減少NOx的生成,因?yàn)樵诒3只鹧娣€(wěn)定著火燃燒的同時(shí),在中心回流區(qū)內(nèi)形成燃料過濃燃燒,并盡可能推遲二次風(fēng)與燃料混合的時(shí)間,使增加燃料過濃燃燒充分。
摻水燃燒包括在燃料中摻水和在燃燒過程中噴水(或水蒸氣)。由于水的蒸發(fā)潛熱和水蒸氣的顯熱上升。在燃燒過程中吸熱,會(huì)使燃燒區(qū)火焰溫度降低,抑制溫度型NOx的生成量。其物理和化學(xué)作用如下。
物理作用:過熱狀態(tài)下,液滴的微爆導(dǎo)致二次霧化,改善了火焰形態(tài),使火焰斷面變寬變厚,同時(shí)又增強(qiáng)了傳熱效果。
圖1 粉煤低碳燃燒器結(jié)構(gòu)圖
化學(xué)反應(yīng):在高溫下進(jìn)行分解和化合作用,產(chǎn)生了水煤氣,減少了火焰中炭粒的產(chǎn)生,改善了燃燒過程,從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的作用;同時(shí)摻水時(shí)也需適量,水量不能過大。
目前,國(guó)內(nèi)噴霧干燥塔行業(yè)對(duì)SOx和煙塵的處理比較關(guān)注,但是隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保日益重視,以及行業(yè)期望穩(wěn)定的可持續(xù)發(fā)展,必須依靠科技進(jìn)步,開發(fā)清潔高效的燃燒技術(shù),提高能源利用率,減少環(huán)境污染。發(fā)展清潔燃燒技術(shù),不僅在SOx和煙塵的治理上深入防治,還應(yīng)對(duì)NOx也加強(qiáng)控制。采用上述的燃燒技術(shù),組合在一起,形成集脫硫、脫硝、除塵于一體的控制技術(shù),達(dá)到較高的燃燒效率,既能清潔燃燒,又能滿足環(huán)保要求目的。