煤燃燒對中國生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，所釋放的SO2、CO2、NOx和粉塵量分別占到其總排放量的87%、71%、67%和60%。燃煤產(chǎn)生的環(huán)境污染嚴(yán)重制約了中國能源工業(yè)乃至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的更加快速發(fā)展。在這之中，電廠排出的氮氧化物（NOx）對人類及整個(gè)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害。為此，國家環(huán)保總局于1996年3月7日頒布了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-96），明確規(guī)定了1997年1月1日起新、擴(kuò)、改建300 MW及以上火電機(jī)組中固態(tài)排渣煤粉爐NOx排放量不得超過650 mg/Nm3。

降低燃煤鍋爐NOx排放的燃燒技術(shù)包括采用低NOx燃燒器、爐內(nèi)低過量空氣系數(shù)運(yùn)行、組織沿爐膛高度和水平方向的空氣分級、燃料分級燃燒，及尾部煙氣再循環(huán)等技術(shù)。根據(jù)西安熱工研究院對中國21個(gè)電廠的51臺鍋爐NOx排放量的調(diào)查，采用空氣分級燃燒等傳統(tǒng)成熟技術(shù)后，鍋爐燃用煙煤、褐煤時(shí)基本可以達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，但燃用低揮發(fā)分的無煙煤、貧煤和劣質(zhì)煙煤時(shí)還遠(yuǎn)不能達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，因此針對降低燃用無煙煤、貧煤和劣質(zhì)煙煤電站鍋爐NOx排放的各類燃燒技術(shù)的深入研究就具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

燃料分級燃燒作為降低燃煤鍋爐NOx排放的最為有效的爐內(nèi)措施之一，在國外已經(jīng)在電站 鍋爐中成功應(yīng)用。如日本的Nakoso電廠采用燃料分級燃燒后，NOx排放量降為120 mg/Nm 3；在美國的示范工程也取得了令人滿意的結(jié)果，NOx的還原率為58％～77％。

1  燃料分級燃燒降低NOx的基本原理

NOx在遇到烴根CHi、未完全燃燒產(chǎn)物CO、C和未完全燃燒中間產(chǎn)物HCN基團(tuán)、NHi基團(tuán)時(shí)， 會被還原為N2。這就是燃料分級燃燒降低NOx的基本原理。據(jù)此，將整個(gè)爐膛分為三個(gè)區(qū)：主燃區(qū)，再燃區(qū)與燃盡區(qū)。將占入爐總熱量80％～85％的燃料送入α＞1的主燃區(qū)，使燃料中的氮盡可能的轉(zhuǎn)化為NOx。其余占入爐總熱量15％～20％的燃料送入主燃區(qū)上部的再燃區(qū)，在α＜1的條件下形成還原性氣氛，使得在主燃區(qū)中生成的NOx在再燃區(qū)中被還原成氮分子，同時(shí)抑制新的NOx的生成，使NOx的排放濃度進(jìn)一步降低。借助在再燃區(qū)上方布置的“火上風(fēng)” 噴口形成的燃盡區(qū)，使在再燃區(qū)的未完全燃燒產(chǎn)物得以燃盡。

2  燃料分級燃燒降低NOx的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

國內(nèi)外眾多學(xué)者經(jīng)過多年的研究，對基元反應(yīng)的認(rèn)識取得了較大的進(jìn)展，但是總的來說至今仍沒有達(dá)成相對統(tǒng)一的觀點(diǎn)。

大部分學(xué)者認(rèn)為，對于不同的再燃燃料，在還原性氣氛下生成的烴根CHi、焦炭和未完全燃 燒中間產(chǎn)物HCN基團(tuán)，以下兩個(gè)主要反應(yīng)控制著燃料分級燃燒降低NOx排放的水平：

C，CH，CH2＋NO→HCN＋…(1)
HCN＋O，OH→N2＋…(2)

Thorne基于對一組163步基元反應(yīng)機(jī)理的敏感性分析指出，敏感系數(shù)最大的兩個(gè)反應(yīng)為：

H＋O2→OH＋O(3)
C，CH，CH2＋NO→HCN＋…(4)

并指出CH2對還原NO的反應(yīng)不是很重要。Chen和Ma的研究結(jié)果表明CH2與CH對NO的還原作用一樣重要。

Wendt則強(qiáng)調(diào)燃料分級降低NOx排放機(jī)理中，HCN是一種十分重要的中間產(chǎn)物，并認(rèn)為在富燃料情況下有以下反應(yīng)：

CHi＋NO→HCN＋…(5)

然后HCN通過如下的反應(yīng)還原為N2：

HCN＋O→NCO＋H(6)
NCO＋H→NH＋CO(7)
NH＋H→N＋H2(8)
N＋NO→N2＋O(9)

在貧燃料情況下，烴根通過下式氧化為CO：

CHi＋O→CO＋H＋…(10)

并進(jìn)一步指出反應(yīng)（5）和（10）具有相互競爭性。

Wendt同時(shí)還認(rèn)為部分再燃燃料在還原性氣氛下的中間產(chǎn)物氨基也是還原主燃區(qū)內(nèi)已生成NOx的一個(gè)重要途徑：

NO＋NHi→N2＋…(11)

由此，再燃燃料在還原性氣氛下對主燃區(qū)煤粉燃燒生成的氮氧化物的還原反應(yīng)中，再燃燃料 中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物氰基、氨基和烴根等起到分解氮氧化物的作用。同一再燃燃料中烴類物質(zhì)在燃料的貧富氣氛中起到完全不同的作用。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)使再燃區(qū)內(nèi)各處處于還原性氣氛，并盡量使烴根CHi與NO相接觸，避免CHi與O接觸，以保證燃料分級燃燒對降低NOx排放的效果。燃料分級燃燒降低NOx的機(jī)理仍需進(jìn)一步進(jìn)行研究。

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