[科普中国]-再燃燃料

常见再燃燃料

1.天然气

天然气主要成分是CH4，含氮、硫成分极少，基本没有灰分，燃烧时不会产生额外的污染气体；和烟气同相混合比较均匀,反应时间短，速度快；未完全燃烧损失小；燃烧后产生较多的CHi离子团,有利于再燃区NOx的还原。而且天然气和烟气同相混合，所需设备较少，投资较低。在国内，限制天然气作为二次燃料的因素主要是获得渠道和价格。我国绝大多数电厂无法获得稳定的天然气来源，而高昂的天然气价格也大大提高了电厂运行成本，这些因素决定了我国推广天然气再燃技术的艰难。

影响天然气再燃效果的主要因素包括：温度、再燃燃料量、再燃区过量空气系数和再燃区停留时间等。各个因数都是复合作用，相互影响。根据天然气组分的不同会有较大区别，存在一个最佳范围。一般再燃区停留时间选取在0.6～0.7s，过量空气系数取0.7～ 0.9，再燃量取10%～20%，而反应温度在1274～ 1343K为最佳。2

天然气作为再燃燃料的优点：

（1）天然气不含氮、灰和硫等物质,不会增加额外的污染物排放和在锅炉中生成腐蚀性物质；

（2）天然气与烟气是同相混合，反应速度快，燃尽性好，但反应温度要求不高；

（3）选用天然气作为再燃燃料不必配置磨煤机等设备，也不需要预热等前期工作，使再燃系统的基础投资相对较低。

缺点：

（1）再燃区过量空气系数较低，使烟气CO浓度略有提高；

（2）炉膛出口温度较高，燃烧天然气生成的水分增大烟气湿度，影响锅炉热效率。

（3）天然气再燃在实际应用中需要依靠燃气再循环来提供与烟气混合的动量，使投资和运行维护费用增加1。

2. 煤粉

随着再燃技术的发展，一些科学家发现将煤粉作为二次燃料喷入再燃区也可以取得接近甚至高于天然气再燃的脱硝效果。而且由于其具有经济性及便利性，煤粉再燃得到越来越多的重视。在国外有研究表明，采用超细煤粉再燃，可以取得50%～70%的脱硝效率，基本和天然气相当。当采用高挥发分的褐煤作再燃燃料时，效果甚至好于天然气再燃。

影响煤粉再燃的因素基本和天然气再燃相似，只是其最佳反应温度取值在1473K左右，而且煤粉细度对再燃效果影响较大。为保证在较短的停留时间内燃尽，煤粉颗粒越细脱硝效果越好。超细颗粒还可以提供较大的比表面积，粒度更为均匀。这增加煤粉的反应活性，也使挥发分析出速度加快，着火提前，可在较短的停留时间内得到较高燃尽效率。有研究显示，以超细煤粉作为再燃燃料时，其脱硝率较以普通煤粉作为再燃燃料时增加了至少15%以上。

采用超细煤粉作为二次燃料的优点：其燃料种类和主燃料相同，运输及燃烧方式相同，运行成本更低，脱硝效率在一定情况下甚至高于天然气再燃。

缺点：由于是异相反应，煤粉的燃烬率低，容易造成飞灰含炭量增加、锅炉效率降低。而一味地降低煤粉细度并不是可取之道，必须考虑到其经济细度1。

3. 煤浆

煤浆是20世纪70年代发展的一种代油燃料，具有煤炭的物理特性和石油的流动性及稳定性。煤浆燃烧技术已经推广，煤浆气化技术也在开发中。现有工业应用和试验室研究中，煤浆再燃技术获得了好的脱硝效果：

Zarnescu Vlad等人在147 kW沉降炉（down-fired combustor）上应用水煤浆再燃,脱硝率为40%～55%；EER公司在10×106Btu/h的塔式炉（Tower Furnace）上进行水煤浆再燃试验，脱硝效率最高达77%，超过了天然气再燃效果。

煤浆再燃的效果与锅炉燃烧方式有关，试验显示，在旋流燃烧锅炉中应用煤浆再燃技术，可以获得较好的脱硝效果，这是由于旋流燃烧强烈的混合作用，促进反应的进行。

煤浆再燃效果同样受温度、再燃燃料量、再燃区过量空气系数和炉内停留时间等的影响。此外，再燃作用还与煤浆浓度有关，浓度的大小决定了燃料量的多少以及燃料的加热和反应时间。煤浆的雾化介质也是影响脱硝效果的因素之一，采用蒸汽雾化比空气雾化的脱硝效率高2%～4%。煤浆再燃尚未推广，但其成本低、制备方便和效率高，可以抑止其它污染物的生成，开发其再燃功用，研究适合燃煤锅炉情况的煤浆再燃技术有现实意义。

煤浆再燃的优点：

（1）廉价，对于周边具有固定煤池煤粉(coal pond fine)来源的电站锅炉来说，煤浆再燃的成本相对更低。与代油燃烧的煤浆相比，在煤浆制备上，用于再燃的煤浆可以不需要添加剂，表观粘度要求不严格，稳定性要求不高，甚至对于煤中挥发分的含量也没有要求；

（2）煤浆本身是一种低污染燃料，可减少燃尽区污染物的再次生成。在采用水煤浆再燃时）水蒸气作为一种活化剂可以提高煤炭活性。水分（油分）蒸发后的煤浆团呈内部中空的多孔结构，其在高温下爆裂，使颗粒表面形成大空穴或破碎成小块，增大了反应比表面积，促进反应进行程度。

缺点：

（1）同煤粉再燃一样，煤浆再燃需要额外的制备和输送设备，运行成本增加；

（2）煤浆的再燃效率与一定的锅炉燃烧方式相联系，应用具有局限性；

（3）煤浆作为再燃燃料时，锅炉烟气湿度增加。由于燃烧温度低，锅炉负荷受到一定影响，煤浆着火困难，锅炉不完全燃烧损失增大。

4. 生物质

当前生物质再燃技术日益受到重视。生物质主要指秸秆等农业废弃物、能源植物和林业加工废弃物等，是一种可再生的清洁能源。在我国，生物质能源丰富,据统计我国每年仅农作物秸秆年产量约7亿t，而林业及木材加工废弃物年产量约9亿t，相当于约8亿t标煤。

利用生物质再燃一般有两种方式，生物质直接再燃或者生物质气化再燃。直接再燃是对生物质进行干燥、粉碎后直接作为二次燃料，而气化再燃是将生物质热解生成的生物质气作为二次燃料。利用直接再燃技术一般可以取得50%～ 70%的脱硝效率，而气化再燃可以实现约50%的脱硝效果。两者的影响因素基本类似于煤粉和天然气再燃,但是直接再燃时,生物质的颗粒大小几乎对脱硝效果没有影响。在国外，对直接再燃的研究较多，并已有工业应用项目。

生物质燃料主要成分是C、O，较低含量的N、S以及一些碱金属（Na、K），挥发分含量高，热值低，易着火，燃烧主要生成CO2，较少SOx、NOx。而CO2可在植物光合作用时被吸收，从一个大周期来看，燃用生物质可以实现CO2净排放为零。同时碱金属可以作为催化剂，促进反应的正向进行，对再燃脱硝具有促进作用，但也会降低灰熔点，造成受热面积灰玷污。生物质资源具有季节性的特点且地域性较强，比能量密度小，如大规模使用，运输及储备是必须解决的问题。但是考虑到经济及环境收益的最大化，生物质的有效使用一定程度上可以缓解能源紧张，是最值得推广的技术。

5. 其他可采用的二次燃料

天然气、煤粉和煤浆是较多得到研究的再燃燃料，已经进入工业应用。在此基础之上,为降低再燃燃料成本，开发物质的多种用途,科研人员还研究了其它物质的再燃效果，如沥青质矿物（Orimulsion）和废弃轮胎等。沥青质矿物（Orimulsion）的价格与煤接近，灰含量比煤少且不含硫，美国Hennepin电站是该燃料的再燃示范工程，脱硝率达65%，被认为是一种经济有效的再燃燃料。Syverud等人对废旧汽车轮胎的再燃效果进行试验，脱硝率为40%，为这种废旧物的处理找到一条新的途径。上述燃料的应用尚未开展，实际再燃机理和影响因素有待进一步的确证。但是，低成本是它们的共同特征，具有好的开发前景。

除上述几种燃料之外，奥里乳化油（Orimulsion）也可用于再燃技术。奥里油盛产于北美，现已大量进口我国并作为锅炉燃料广泛应用。其发热量大，流动性好，价格低于其他燃料油。1997年，Hen-nepin电站对奥里油作为二次燃料进行了全面测试，脱硝率可以达到64%。1

再燃燃料特点1.再燃燃料占总燃料的比例为10%～30%。再燃燃料包括天然气、木材等生物质燃料、煤、重油等。天然气的再燃脱硝效果很好，但考虑到经济因素其价格相对比较高。具有高挥发性成分的褐煤做再燃燃料时能达到比天然气更好的脱硝效果。用低阶煤做再燃燃料脱硝效果与天然气接近，而高阶煤的再燃脱硝效果较差，主要是所含的挥发分不同。

2.在满足下列条件下能达到好的再燃脱硝效果(脱硝效率和燃料的燃尽程度都高)：

(1)再燃燃料应含有高挥发分：

(2)在再燃区的停留时间要足够长；

(3)优化再燃区的混合条件：

(4)如采用固体燃料，则燃料越细，脱硝效果越好。大型燃煤锅炉的再燃脱硝运行结果表明，高挥发分煤作为再燃燃料具有很好的脱硝效果。

3.木材做再燃燃料具有以下优点：

(1)含N很少，燃烧过程不会产生NOx；

(2)不含S，不会产生SO2；

(3)可再生，有利于减少CO2的排放。再燃燃料一般只占总燃料的10%～20%，因此并不需要消耗很大量的木材。

此外，天然气是通过炉壁上的喷口喷入炉内，在大型锅炉中，它与中心部位的主燃区生成物充分混合比较困难。而固体燃料，包括木材、煤粉，是通过气体载体(空气或烟气)输送到炉内，在进入炉膛时的弹道效应能够强化炉内的横向混台。

4.再燃技术是一种炉内燃烧过程NOx的控制技术。

通常其脱硝机理为已生成NO与CHi反应生成HCN、之后通过逆向扩大的Zeldovich反应被还原为N2的均相反应过程。当采用高挥发分的煤做再燃燃料时，在一定条件下，异相反应机理也起到重要作用。再燃脱硝效率和多种因素有关，其中最重要的是再燃区的化学计量比以及再燃燃料在再燃区与主燃区生成物的混合程度。再燃区化学计量比SR