火電廠鍋爐燃燒器低NOx分析

莫才頌，王崗罡，何 明

( 1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.中國(guó)人民解放軍駐211廠軍事代表室，北京100076；3.茂名熱電廠，廣東 茂名 525000)

環(huán)保與三廢利用

火電廠鍋爐燃燒器低NOx分析

莫才頌1，王崗罡2，何 明3

( 1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.中國(guó)人民解放軍駐211廠軍事代表室，北京100076；3.茂名熱電廠，廣東 茂名 525000)

針對(duì)某火電廠鍋爐煙氣中 NOx 排放濃度高的情況，對(duì)原鍋爐燃燒器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況及 NOx 的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，提出了燃燒器低 NOx排放的燃燒措施。

鍋爐；燃燒器；低NOx改造

火電廠大氣污染物排放控制問(wèn)題，已越來(lái)越受到世界各國(guó)政府的關(guān)注和重視。我國(guó)在“十二五”期間將推行新的更加嚴(yán)格的火電廠NOx排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 火電廠NOx的產(chǎn)生與危害

火電廠中大量的煤炭燃燒，隨之而來(lái)的是嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。氮氧化物就是煤炭燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的主要污染物之一，它是一種危害人體健康和破壞大氣環(huán)境的有毒物質(zhì)。NOx與SO2和粉塵共存，可生成硝酸或硝酸鹽氣溶液，最終形成酸雨。目前我國(guó)已有占國(guó)土面積40%的地區(qū)酸雨pH值小于5.6，氮氧化物會(huì)形成光化學(xué)煙霧，對(duì)人的眼睛和呼吸道有強(qiáng)烈的刺激性；氧化亞氮(N2O)會(huì)破壞同溫層的臭氧，使之失去對(duì)紫外線輻射的屏蔽作用，對(duì)地面生物造成傷害。

燃煤電廠排放的NOx來(lái)自電站鍋爐，因此，尋找有效的鍋爐燃燒優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)鍋爐穩(wěn)定、高效而潔凈的燃燒，降低鍋爐的NOx排放量，對(duì)節(jié)省巨額的氮氧化物排污費(fèi)用，降低設(shè)備初投資及運(yùn)行費(fèi)用，有效地提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等具有重要意義。

2 煤粉燃燒過(guò)程產(chǎn)生NOx的機(jī)理及其影響因素

NOx主要是通過(guò)熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx這3種途徑生成的，并且都在煤燃燒過(guò)程中出現(xiàn)。

（1）快速型NOx是由燃料揮發(fā)物中的碳?xì)浠衔锔邷胤纸馍傻腃H自由基和空氣中氮反應(yīng)生成的HCN和N，再進(jìn)一步與氧作用以極快的反應(yīng)速率生成NOx，它的生成與溫度關(guān)系不大。對(duì)于煤粉鍋爐快速型NOx僅占NOx總排放量的5%左右。

（2）熱力型NOx 是空氣中的氮在高溫下氧化而產(chǎn)生的。熱力型NOx是隨燃燒溫度按指數(shù)規(guī)律增加的。熱力型NOx占NOx總排放量的20%～50%。試驗(yàn)表明，在燃燒溫度低于1500℃時(shí)，溫度每增加100℃反應(yīng)速率將增大6～7倍。在溫度低于1350℃時(shí)生成量很少， 但在1500℃以上時(shí)就變得比較突出， 排放量與燃料型NOx接近。由此可見(jiàn)， 溫度對(duì)這種NOx的生成影響具有決定性作用，故稱其為熱力反應(yīng)型NOx。

（3）燃料型NOx是燃料中氮化物在燃燒過(guò)程中氧化而形成的，分為揮發(fā)分中氮與氧反應(yīng)生成的揮發(fā)性NOx和焦炭中氮與氧反應(yīng)生成的焦炭型NOx。燃料型NOx占NOx總排放量的60%～80%。

在生成燃料型NOx過(guò)程中，由于燃料中氮的熱分解溫度在600～800℃之間，首先是由揮發(fā)分中氮化物熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN和NHi等中間產(chǎn)物，或以熱解焦油的形式析出然后被氧化成揮發(fā)性NOx，揮發(fā)性NOx占燃料型NOx的60%～80%； 剩余部分氮?jiǎng)t殘存在焦炭中與氧反應(yīng)生成焦炭型NOx，焦炭型NOx占燃料型NOx的20%～40%。

可見(jiàn)氮的釋放程度與揮發(fā)分析出過(guò)程密切相關(guān)，在燃燒初期控制煤粉氣流中的供氧量就能夠降低燃料型NOx的生成。研究表明，在氧化性氣氛中，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，由揮發(fā)分生成的NOx將迅速增加，明顯超過(guò)焦炭NOx。顯然，控制揮發(fā)分NOx具有更重要的意義。同樣，控制供氧量也將抑制燃料型NOx的生成。

3 降低NOx排放的燃燒措施分析

3.1 低過(guò)量空氣燃燒

煤燃燒過(guò)程中，煙氣中過(guò)量空氣的減少可以抑制NOx的生成， 這是最簡(jiǎn)單的降低NOx的方法。一般來(lái)說(shuō)，采用低過(guò)量空氣燃燒可以降低NOx排放15%～20%，但采用這種方法有一定的限制，如爐膛出口過(guò)量空氣系數(shù)低于1.15而不采取強(qiáng)化二次風(fēng)與火焰混合的措施，就會(huì)造成CO濃度急劇增加，從而大大增加化學(xué)不完全燃燒熱損失，同時(shí)也會(huì)引起飛灰含碳量的增加，導(dǎo)致機(jī)械不完全燃燒熱損失增加，燃燒效率會(huì)降低。

本方案中選用較高的二次風(fēng)速增強(qiáng)其混合能力，為將來(lái)電廠探索低過(guò)量空氣系數(shù)燃燒技術(shù)創(chuàng)造了條件。

一次風(fēng)燃燒器中的鈍體造成煙氣回流，沖淡了一次風(fēng)氣流，使著火區(qū)氧濃度降低，對(duì)降低NOx排放起到一定作用。

一次風(fēng)噴嘴的后部采用圓弧形，可以保證噴嘴擺動(dòng)到任何位置從風(fēng)室中流出的有組織空氣量不變，防止燃燒器處于擺動(dòng)位置時(shí)無(wú)組織風(fēng)與火焰過(guò)早混合造成的NOx排放增加。

3.2 濃淡燃燒

利用煤粉濃縮器可以將一次風(fēng)氣流分成濃度不同的兩部分，濃側(cè)氣流中有90%左右的煤粉，淡側(cè)氣流中有10%左右的煤粉，空氣在這兩側(cè)基本是均勻分配的。

對(duì)濃煤粉噴口，煤粉氣流中含氧量低于揮發(fā)分完全燃燒所需要的量，這就抑制了揮發(fā)性NOx的生成量。對(duì)淡側(cè)煤粉噴口，煤粉氣流中含氧量雖然高但燃料量過(guò)少，燃燒溫度低仍然不利于NOX生成。圖1給出了濃淡燃燒降低NOX的原理，圖中C1和C2之差就是濃淡燃燒器降低的NOX生成量。

水平濃淡燃燒器濃側(cè)氣流以一定角度反切布置，可以強(qiáng)化風(fēng)粉氣流與熱煙氣的換熱提前著火，相對(duì)推遲二次風(fēng)的混合距離，對(duì)降低NOx排放起到輔助作用。

圖1 濃淡燃燒降低NOX的原理

3.3 空氣分級(jí)

在分級(jí)燃燒中，提供給主燒器的風(fēng)量要比正常的少。燃燒空氣的平衡是通過(guò)燃燒區(qū)域上方稱之為燃燼風(fēng)的噴嘴加入空氣進(jìn)爐膛實(shí)現(xiàn)的。分級(jí)送風(fēng)的原理是：(1) 以比正常要求少的風(fēng)量供給燃燒器，嚴(yán)格限制NOx的生成。(2) 在過(guò)燃風(fēng)引入之前濃相燃料有較長(zhǎng)的停留時(shí)間，使得燃料中的結(jié)合氮有機(jī)會(huì)在缺氧區(qū)內(nèi)逸出，并能消除存在的NOx。(3) 燃燼風(fēng)高速噴入爐膛，以保證與燃燒煙氣流的混合，提供完全燃盡所需要的空氣。

對(duì)于中儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)的鍋爐NOx排放量很大程度上取決于一次風(fēng)量的大小和濃淡燃燒器是否工作可靠，因此要注意下述因素影響：(1) 在不堵管的前提下降低一次風(fēng)速有利于降低NOx排放。(2)在任何負(fù)荷，都投運(yùn)所允許的最少數(shù)量燃燒器運(yùn)行。(3) 及時(shí)更換磨損的一次風(fēng)濃縮器葉片。(4) 確保所有的二次風(fēng)擋板工作可靠且開(kāi)度指示正確。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐，在鍋爐燃燒器采取降低NOx排放的措施后，NOx的排放大幅度下降，能適應(yīng)調(diào)劑煤質(zhì)的要求，鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。

[1] 蘇亞欣，等. 燃煤氮氧化物控制排放技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：142-150.

[2] 梁建超. SOFA技術(shù)在鍋爐低NOx燃燒改造上的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)裝備，2008 (8)：51-53.

[3] 朱懿灝，夏杰.1025t/h亞臨界一次中間再熱鍋爐低NOx燃燒技術(shù)改造[J].上海電力，2010（2）：146-150.

[4] 周新雅.大型燃煤電站鍋爐低氮燃燒技術(shù)分析及應(yīng)用策略[J].華東電力，2003（10）：6-12.

[5] 孟建國(guó)，等.600MW電站鍋爐過(guò)熱器減溫水治理策略及效果[J].華北電力技術(shù)，2008（6）：30-34.

Analysis for Low-NOx of Power Plant Boiler Burner

MO Cai-song1, WANG Gang-gang2, HE Ming3
(1.College of Mechinery and Electronic Engineering，，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；2.PLA Military Delegate Chamber Stationed in Factory 211，Beijing 100076，China；3. Maoming Thermal Power Plant，Maoming 525000， China)

TK 223.23

B

1671-9905(2014)04-0058-02

廣東省茂名市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011010）

莫才頌（1973-），男，碩士，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、化工機(jī)械設(shè)備、電力設(shè)備與機(jī)電工程等教學(xué)與研究工作，電話:13929722166，0668-2923125，E-mail:mcs2000@126.com

2014-01-10