煤炭燃烧过程中NOx排放净化技术

研制新型燃烧器如低NOx燃烧器，使燃料和空气逐渐混合，或调节燃料与空气的混合比，降低火焰温度，减少NOx生成。流化床燃烧，把煤和吸附剂加入燃料床层中，沸腾燃烧，减少SO2排放，且燃烧温度较低，大大减少NOx生成量。第二代流化燃烧技术——循环流化床，进一步降低NOx排放量并提高脱硫率和燃烧效率。

煤炭燃烧

（1）低NOx燃烧器

低NOx燃烧器及低氮氧化物燃烧器，是指燃料燃烧过程中NOx排放量低的燃烧器，采用低NOx燃烧器能够降低燃烧过程中氮氧化物的排放。

在燃烧过程中所产生的氮的氧化物主要为NO和NO2，通常把这两种氮的氧化物通称为氮氧化物NOx。大量实验结果表明，燃烧装置排放的氮氧化物主要为NO，平均约占95%，而NO2仅占5%左右。

一般燃料燃烧所生成的NO主要来自2个方面：①燃烧所用空气（助燃空气）中氮的氧化；②燃料中所含氮化物在燃烧过程中热分解再氧化。在大多数燃烧装置中，前者是NO的主要来源，我们将此类NO称为“热反应NO”，后者称之为“燃料NO”，另外还有“瞬发NO”。

燃烧时所形成的NO可以与含氮原子中间产物反应使NO还原成NO2。实际上除了这些反应外，NO还可以与各种含氮化合物生成NO2。在实际燃烧装置中反应达到化学平衡时，NO2/NO比例很小，即NO转变为NO2很少，可以忽略。

（2）降低NOx的燃烧技术

NOx是由燃烧产生的，而燃烧方法和燃烧条件对NOx的生成有较大影响，因此可以通过改进燃烧技术来降低NOx，其主要途径是：

①选用N含量较低的燃料，包括燃料脱氮和转变成低氮燃料；

②降低空气过剩系数，组织过浓燃烧，来降低燃料周围氧的浓度；

③在过剩空气少的情况下，降低温度峰值以减少“热反应NO”；

④在氧浓度较低情况下，增加可燃物在火焰前峰和反应区中停留的时间。

减少NOx的形成和排放通常运用的具体方法为：分级燃烧、再燃烧法、低氧燃烧、浓淡偏差燃烧、烟气再循环等。

（3）一般常用低氮氧化物燃烧器简介

燃烧器是工业炉的重要设备，它保证燃料稳定着火燃烧和燃料的完全燃烧等过程，因此，要抑制NOx的生成量就必须从燃烧器入手。根据降低NOx的燃烧技术，低氮氧化物燃烧器大致分为以下几类：

①阶段燃烧器。根据分级燃烧原理设计的阶段燃烧器，使燃料与空气分段混合燃烧，由于燃烧偏离理论当量比，故可降低NOx的生成。

②自身再循环燃烧器。一种是利用助燃空气的压头，把部分燃烧烟气吸回，进入燃烧器，与空气混合燃烧。由于烟气再循环，燃烧烟气的热容量大，燃烧温度降低，NOx减少。

③浓淡型燃烧器。其原理是使一部分燃料作过浓燃烧，另一部分燃料作过淡燃烧，但整体上空气量保持不变。由于两部分都在偏离化学当量比下燃烧，因而NOx都很低，这种燃烧又称为偏离燃烧或非化学当量燃烧。

④分割火焰型燃烧器。其原理是把一个火焰分成数个小火焰，由于小火焰散热面积大，火焰温度较低，使“热反应NO”有所下降。

⑤混合促进型燃烧器。烟气在高温区停留时间是影响NOx生成量的主要因素之一，改善燃烧与空气的混合，能够使火焰面的厚度减薄，在燃烧负荷不变的情况下，烟气在火焰面即高温区内停留时间缩短，因而使NOx的生成量降低。混合促进型燃烧器就是按照这种原理设计的。

循环流化床燃烧（CFBC）技术系指小颗粒的煤与空气在炉膛内处于沸腾状态下，即高速气流与所携带的稠密悬浮煤颗粒充分接触燃烧的技术。

（4）煤炭燃烧后净化——

采用湿式或干式脱硫工艺，效率可达90%。烟气通过催化剂，在300℃～400℃下加入氨可脱除NOx 50%～80%。在大型电站中应采用静电除尘，除尘效率可达99%。

循环流化床锅炉

燃烧后脱硫，又称烟气脱硫（Flue gas desulfurization，简 称FGD）。在FGD技术中，按脱硫剂的种类划分，可分为以下5种方法：①以CaCO3（石灰石）为基础的钙法；②以MgO为基础的镁法；③以Na2SO3为基础的钠法；④以NH3为基础的氨法；⑤以有机碱为基础的有机碱法。世界上普遍使用的商业化技术是钙法，所占比例在90%以上。

脱硫专用的烟囱

按吸收剂及脱硫产物在脱硫过程中的干湿状态又可将脱硫技术分为湿法、干法和半干（半湿）法。①湿法FGD技术是用含有吸收剂的溶液或浆液在湿状态下脱硫和处理脱硫产物，该法具有脱硫反应速度快、设备简单、脱硫效率高等优点，但普遍存在腐蚀严重、运行维护费用高及易对环境造成二次污染等问题。②干法FGD技术的脱硫吸收和产物处理均在干状态下进行，该法具有无污水废酸排出、设备腐蚀程度较轻，烟气在净化过程中无明显降温、净化后烟温高、利于烟囱排气扩散、二次污染少等优点，但存在脱硫效率低、反应速度较慢、设备庞大等问题。③半干法FGD技术是指脱硫剂在干燥状态下脱硫、在湿状态下再生（如水洗活性炭再生流程），或者在湿状态下脱硫、在干状态下处理脱硫产物（如喷雾干燥法）的烟气脱硫技术。特别是在湿状态下脱硫、在干状态下处理脱硫产物的半干法，以其既有湿法脱硫反应速度快、脱硫效率高的优点，又有干法无污水废酸排出、脱硫后产物易于处理的优势而受到人们广泛的关注。按脱硫产物的用途，可分为抛弃法、回收法2种。

（5）石膏法烟气脱硫工艺

石灰石—石膏法脱硫工艺是世界上应用最广泛的一种脱硫技术，日本、德国、美国的火力发电厂采用的烟气脱硫装置约90%采用此工艺。

脱硫设备

它的工作原理是：将石灰石粉加水制成浆液作为吸收剂泵入吸收塔与烟气充分接触混合，烟气中的二氧化硫与浆液中的碳酸钙以及从塔下部鼓入的空气进行氧化反应生成硫酸钙，硫酸钙达到一定饱和度后，结晶形成二水石膏。经吸收塔排出的石膏浆液经浓缩、脱水，使其含水量小于10%，然后用输送机送至石膏贮仓堆放，脱硫后的烟气经过除雾器除去雾滴，再经过换热器加热升温后，由烟囱排入大气。由于吸收塔内吸收剂浆液通过循环泵反复循环与烟气接触，吸收剂利用率很高，钙硫比较低，脱硫效率可大于95%，对环境的影响可以达到非常低的程度。

静电除尘指含尘气体经过高压静电场时被电分离，尘粒与负离子结合带上负电后，趋向阳极表面放电而沉积。在冶金、化学等工业中用以净化气体或回收有用尘粒。利用静电场使气体电离从而使尘粒带电吸附到电极上的收尘方法。在强电场中空气分子被电离为正离子和电子，电子奔向正极过程中遇到尘粒，使尘粒带负电吸附到正极被收集。常用于以煤为燃料的工厂、电站，收集烟气中的煤灰和粉尘。冶金中用于收集锡、锌、铅、铝等的氧化物。

（6）煤炭气化

煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。煤炭气化时，必须具备3个条件，即气化炉、气化剂、供给热量，三者缺一不可。(www.xing528.com)

煤炭气化原理

气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。煤的热解是指煤从固相变为气、固、液三相产物的过程。煤的气化和燃烧反应则包括2种反应类型，即非均相气—固反应和均相的气相反应。

煤炭气化设备

不同的气化工艺对原料的性质要求不同，因此在选择煤气化工艺时，考虑气化用煤的特性及其影响极为重要。气化用煤的性质主要包括煤的反应性、黏结性、结渣性、热稳定性、机械强度、粒度组成以及水分、灰分和硫分含量等。

煤炭气化工艺可按压力、气化剂、气化过程供热方式等分类，常用的是按气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，主要有：

煤炭气化炉

①固定床气化。在气化过程中，煤由气化炉顶部加入，气化剂由气化炉底部加入，煤料与气化剂逆流接触，相对于气体的上升速度而言，煤料下降速度很慢，甚至可视为固定不动，因此称之为固定床气化；而实际上，煤料在气化过程中是以很慢的速度向下移动的，比较准确地应称其为移动床气化。

②流化床气化。它是以粒度为0～10毫米的小颗粒煤为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气化反应，从而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气化效率，节约能源消耗。

③气流床气化。它是一种并流气化，用气化剂将粒度为100微米以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。

煤炭气化技术广泛应用于下列领域：

①作为工业燃气。一般热值为1100～1350千卡热的煤气，采用常压固定床气化炉、流化床气化炉均可制得。主要用于钢铁、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门，用以加热各种炉、窑，或直接加热产品或半成品。

②作为民用煤气。一般热值在3000～3500千卡，要求CO小于10%，除焦炉煤气外，用直接气化也可得到，采用鲁奇炉较为适用。与直接燃煤相比，民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻环境污染，而且能够极大地方便人民生活，具有良好的社会效益与环境效益。出于安全、环保及经济等因素的考虑，要求民用煤气中的H2、CH4及其他烃类可燃气体含量应尽量高，以提高煤气的热值；而CO有毒其含量应尽量低。

③作为化工合成和燃料油合成原料气。早在第二次世界大战时，德国等就采用费托工艺（Fischer－Tropsch）合成航空燃料油。随着合成气化工和碳化学技术的发展，以煤气化制取合成气，进而直接合成各种化学品的路线已经成为现代煤化工的基础，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液体燃料等。

化工合成气对热值要求不高，主要对煤气中的CO、H2等成分有要求，一般德士古气化炉、Shell气化炉较为合适。目前我国合成氨的甲醇产量的50%以上来自煤炭气化合成工艺。

④作为冶金还原气。煤气中的CO和H2具有很强的还原作用。在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿石还原成海绵铁；在有色金属工业中，镍、铜、钨、镁等金属氧化物也可用还原气来冶炼。因此，冶金还原气对煤气中的CO含量有要求。

⑤作为联合循环发电燃气。整体煤气化联合循环发电（简称IGCC）是指煤在加压下气化，产生的煤气经净化后燃烧，高温烟气驱动燃汽轮机发电，再利用烟气余热产生高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机发电。这是一种既节能又有利于环境保护的方法。用于IGCC的煤气，对热值要求不高，但对煤气净化度，如粉尘及硫化物含量的要求很高。与IGCC配套的煤气化一般采用固定床加压气化（鲁奇炉）、气流床气化（德士古）、加压气流（Shell气化炉）广东省加压流化床气化工艺，煤气热值为2200～2500千卡。

⑥作煤炭气化燃料电池。燃料电池是由H2、天然气或煤气等燃料（化学能）通过电化学反应直接转化为电的化学发电技术。目前主要由磷酸盐型（PAFC）、熔融碳酸盐型（MCFC）、固体氧化物型（SOFC）等。它们与高效煤气化结合的发电技术就是IG－MCFC和IG－SOFC，其发电效率可达53%。

⑦煤炭气化制氢。氢气广泛用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能电池等领域，目前世界上96%的氢气来源于化石燃料转化。而煤炭气化制氢起着很重要的作用，一般是将煤炭转化成CO和H2，然后通过变换反应将CO转换成H2和H2O，将富氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术，即可获得氢气。

⑧煤炭液化的气源。不论煤炭直接液化和间接氧化，都离不开煤炭气化。煤炭液化需要煤炭气化制氢，而可选的煤炭气化工艺同样包括固定床加压Lurgi气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。

（7）煤炭液化

煤的液化是当前煤化工的热点，有不少煤矿都跃跃欲试，殊不知煤的液化对煤质有一定的要求，不是什么煤都可以进行液化的。煤的液化分为直接液化和间接液化。这两种液化方法对煤炭质量的要求各不相同。

煤炭液化厂

直接液化对煤质的基本要求：

①煤中的灰分要低，一般小于5%，因此原煤要进行洗选，生产出精煤进行液化。煤的灰分高，影响油的产率和系统的正常操作。煤的灰分组成也对液化过程有影响，灰中的Fe、Co、Mo等元素有利于液化，对液化起催化作用；而灰中的Si、Ae、Ca、Mg等元素则不利于液化，它们易产生结垢，影响传热和不利于正常操作，也易使管道系统堵塞、磨损，降低设备的使用寿命。

②煤的可磨性要好。因为煤的直接液化要先把煤磨成200目左右的煤粉，并把它干燥到水分小于2%，配制成油煤浆，再经高温、高压，加氢反应。如果可磨性不好，能耗高，设备磨损严重，配件、材料消耗大，增加生产成本。同时，要求煤的水分要低。水分高，不利于磨矿，不利于制油煤浆，加大了投资和生产成本。

③煤中的氢含量越高越好，氧的含量越低越好，它可以减少加氢的供气量，也可以减少生成的废水，提高经济效益。

④煤中的硫分和氮等杂原子含量越低越好，以降低油品加工提质的费用。

⑤煤岩的组成也是液化的一项主要指标。丝质组成越高，煤的液化性能越好；镜质组合量高，则液化活性差。因此能用于直接液化的煤，一般是褐煤、长焰煤等年青煤种，而且这些牌号的煤也不是都能直接液化的。神华的不黏煤、长焰煤和云南先锋的褐煤都是较好的直接液化煤种。煤的间接液化是将煤气化，生成H2CO的原料气，再在一定压力和温度下加催化剂，合生液体油，因此对煤质的要求相对要低些。

间接液化对煤质的要求：

①煤的灰分要低于15%。当然越低也有利于气化，也有利于液化。

②煤的可磨性要好，水分要低。不论采用那种气化工艺，制粉是一个重要环节。

③对于用水煤浆制气的工艺，要求煤的成浆性能要好。水煤浆的固体浓度应在60%以上。

④煤的灰融点要求。固定床气化要求煤的灰融点温度越高越好，一般ST不小于1250℃；流化床气化要求煤的灰融点温度ST小于1300℃。

虽然间接液化对煤的适应性广些，不同的煤要选择不同的气化方法，但是对原煤进行洗选加工、降低灰分和硫分是必要的。