降低燃煤鍋爐NOx生成量的方法分析

劉占偉

摘要：本文主要介紹燃煤電廠NOx的生成機(jī)理，從生成原理中分析影響NOx生成的因素，并找出在燃燒過(guò)程中控制NOx生成量的有效措施。

關(guān)鍵詞：氮氧化物 生成機(jī)理 影響因素 控制措施

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題也日趨突出，一些工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)的大氣污染、水污染事件已經(jīng)嚴(yán)重影響人民的生產(chǎn)、生活，環(huán)境問(wèn)題也反過(guò)來(lái)開(kāi)始逐漸制約工業(yè)發(fā)展步伐。氮氧化物作為電廠排放污染氣體的重要組成部分之一，也在逐漸被重視，隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，對(duì)氮氧化物的排放和控制也必將越來(lái)越重視起來(lái)。

1 降低氮氧化物排放的兩種方法

一種是燃燒過(guò)程中脫氮技術(shù)，也就是低氮燃燒技術(shù)，即通過(guò)運(yùn)行方式的改進(jìn)、燃燒設(shè)備的改造或者對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行特殊控制，抑制NOx的生成反應(yīng)，從而降低NOx的最終生成量。另一種就是煙氣凈化技術(shù)，也就是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)把已生成的NOx還原成N，從而脫除煙氣中的NOx。

目前，以上兩種技術(shù)在燃煤發(fā)電廠均得到了廣泛應(yīng)用，但煙氣凈化技術(shù)也帶來(lái)了很多負(fù)面影響，其中最嚴(yán)重的問(wèn)題就是煙氣脫硝過(guò)程中，逃逸氨腐蝕空預(yù)器受熱面，造成空預(yù)器頻繁堵灰，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。要想滿足氮氧化物達(dá)標(biāo)排放，燃燒生成的氮氧化物越多，脫硝噴氨量就越大，相應(yīng)的逃逸氨越多，空預(yù)器堵灰就越嚴(yán)重。所以，在燃燒過(guò)程中控制氮氧化物的生成量不僅降低液氨的使用量，降低成本，還能緩解空預(yù)器受熱面的腐蝕堵灰問(wèn)題。

2 氮氧化物的生成機(jī)理

2.1 熱力型NOx 熱力型NOx是由于空氣中的N在高溫下氧化生成的，因?yàn)槭俏鼰岱磻?yīng)，爐膛溫度對(duì)其生成量具有絕對(duì)性影響。一般當(dāng)燃燒溫度低于1500℃時(shí)，熱力型NOx生成量極少，在過(guò)量空氣系數(shù)為1.1條件下，爐膛溫度達(dá)1300-1500℃時(shí)，煙氣中NOx的體積分?jǐn)?shù)在（500-100）×10-6，在此基礎(chǔ)上，每增加100℃，反應(yīng)速度將增大6-7倍。

2.2 快速型NOx 快速型NOx生成特點(diǎn)是反應(yīng)速度極快，這種生成的NOx與爐膛壓力密切相關(guān)，與溫度關(guān)系不大，生成量較小，一般占NOx總量的5%以下。

2.3 燃料型NOx 燃料型NOx是燃料中的氮化物在燃燒過(guò)程中氧化生成的，主要是在燃燒的初始階段，生成量較大，占NOx生成總量的75%-90%。燃料型NOx的生成機(jī)理就相對(duì)復(fù)雜，它的生成和破壞過(guò)程與燃料中的氮受熱分解后和焦炭中的比例相關(guān)，但是都會(huì)隨著溫度和養(yǎng)分等燃燒條件而變化。

3 影響氮氧化物生成的因素

根據(jù)上述分析各類(lèi)型的氮氧化合物的生成機(jī)理，我們不難看出，影響氮氧化合物生成量的因素主要是火焰溫度、燃燒器區(qū)段氧濃度、燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留時(shí)間和煤的特性。但燃燒煤種的選擇往往受著多方面條件的制約，自由選擇的可能性不大，單從燃燒調(diào)整角度分析，降低氮氧化合物生成量的途徑主要有兩個(gè)方面：一是降低火焰溫度，防止局部高溫；二是降低過(guò)量空氣系數(shù)和氧濃度，避免煤粉在富氧的條件下燃燒。

4 燃燒過(guò)程中如何降低氮氧化物的生成

4.1 低氧燃燒 在燃燒過(guò)程中，我們要盡可能在接近理論空氣量的條件下進(jìn)行，這也是最簡(jiǎn)單的降低NOx排放的方法。我們一般能夠降低NOx排放15-20%，但是缺氧燃燒就會(huì)造成化學(xué)不完全燃燒，而導(dǎo)致熱損失增加，引起飛灰含碳量的增加，使燃燒效率下降，經(jīng)濟(jì)性變差，所以單純地降低氧量顯然是不可取的。

4.2 空氣分級(jí)燃燒 空氣分級(jí)燃燒就是將燃料的燃燒過(guò)程分階段完成。降低煤粉著火、燃燒階段的氧量供給，具體方法就是減小燃燒區(qū)域二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度，將從主燃燒器供入爐膛的空氣量減少到總?cè)紵諝饬康?0%-75%（相當(dāng)于理論空氣量的80%左右），使燃料先在缺氧的燃燒條件下燃燒。這樣不僅降低燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度和溫度水平，延遲了燃燒過(guò)程，而且在還原性氣氛中（不完全燃燒生成的還原性氣體CO、H等）降低了生成NOx的反應(yīng)率，抑制了NOx在這一燃燒中的生成量。為了完成全部燃燒過(guò)程，完全燃燒所需的其余空氣則送入布置在主燃燒區(qū)上方的燃盡風(fēng)噴嘴，與第一級(jí)燃燒區(qū)在“貧氧燃燒”條件下產(chǎn)生的混合物接觸，在此階段完成全部燃燒過(guò)程。由于整個(gè)燃燒過(guò)程所需空氣是分兩級(jí)供入爐內(nèi)，故稱(chēng)為空氣分級(jí)燃燒法。

4.3 燃料分級(jí)燃燒 燃料分級(jí)燃燒是將80%左右的燃料送入主燃燒區(qū)，在主燃料區(qū)通入足量空氣進(jìn)行富氧燃燒生成NOx，被送入這一區(qū)域的燃料成為一級(jí)燃料，其余燃料也成為二級(jí)燃料送入上部燃燒器，并統(tǒng)一與不足的空氣進(jìn)行缺氧燃燒，缺氧燃燒區(qū)形成還原性物質(zhì)，還原性物質(zhì)不僅使下部生成的NOx得到還原，同時(shí)還抑制了新的NOx的生成，使NOx的生成量得到了進(jìn)一步降低。在二次燃燒區(qū)布置燃盡風(fēng)，在此區(qū)域完成燃料的完全燃燒。燃料分級(jí)燃燒可降低50%左右的NOx生成量。

目前，燃料分級(jí)燃燒在燃煤電廠應(yīng)用不是很廣泛，主要原因在二級(jí)燃料的選擇上。由于二次燃料在缺氧區(qū)燃燒，且在爐膛內(nèi)停留時(shí)間較短，如果仍然使用煤粉作為二級(jí)燃料，會(huì)大大增加不完全燃燒損失，使鍋爐效率大幅度下降，另外不完全燃燒的煤粉、焦炭聚集在鍋爐尾部受熱面，容易導(dǎo)致尾部煙道二次燃燒事故。但可以適當(dāng)選擇碳?xì)漕?lèi)氣體燃料及液體燃料作為二級(jí)燃料。

4.4 煙氣再循環(huán) 煙氣再循環(huán)法就是抽出一部分空預(yù)器入口的低溫?zé)煔猓苯铀腿霠t膛或與熱一次風(fēng)、二次風(fēng)混合后再送入爐膛，這種方法的出發(fā)點(diǎn)就是降低爐膛溫度，抑制NOx的生成。

煙氣再循環(huán)法在一定意義上來(lái)講是抑制、推遲了主燃燒區(qū)域的燃燒，使得鍋爐的排煙損失增加，經(jīng)濟(jì)性差，另外如果抽出的低溫?zé)煔饬窟^(guò)大，尤其在低負(fù)荷時(shí)易造成鍋爐燃燒不穩(wěn)，滅火停機(jī)。一般抽出的空氣量控制在總煙氣量的15%左右。

4.5 低氮燃燒器的簡(jiǎn)介 低氮燃燒器就是把一次風(fēng)分成濃淡兩股，濃相在內(nèi)，比較靠近火焰中心；淡相在外，更加貼近水冷壁。濃相在內(nèi)著火的時(shí)候，火焰溫度就會(huì)相對(duì)高，但是氧氣供給卻相對(duì)較少，故生成的氮氧化物的幾率相對(duì)減少；淡相在外，氧氣比相對(duì)較大，但由于距火焰高溫區(qū)域較遠(yuǎn)，溫度相對(duì)較低，故氮氧化物的生成也不會(huì)很多。另外，低氮改造時(shí)，在燃燒器組燃盡風(fēng)上增加兩層SOFA噴嘴（火上風(fēng)），降低主燃燒區(qū)域供給的空氣量，實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí)燃燒。

表1是對(duì)為某電廠國(guó)產(chǎn)300MW燃煤機(jī)組低氮燃燒器改造前后燃燒試驗(yàn)，在不同負(fù)荷下氮氧化物生成量對(duì)比表。從表中不難看出，低氮燃燒器改造后，氮氧化物的生成量得到了明顯的控制。

表1 低氮燃燒器改造前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

■

表2是滿負(fù)荷工況下SOFA風(fēng)門(mén)不同開(kāi)度下的燃燒調(diào)整試驗(yàn)，氮氧化物的生成量對(duì)比表。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，300MW負(fù)荷時(shí)，隨著SOFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度逐漸增大，NOx生成量不斷降低，風(fēng)門(mén)開(kāi)度在80%左右時(shí)，NOx生成量最低，再繼續(xù)開(kāi)大風(fēng)門(mén)，NOx下降不明顯。

表2 300MW負(fù)荷SOFA風(fēng)門(mén)不同開(kāi)度下的燃燒調(diào)整對(duì)比

■

5 結(jié)論

綜上所述，在燃燒過(guò)程中控制氮氧化物的生成量最有效、最容易實(shí)現(xiàn)的方法是低氮燃燒器改造和空氣分級(jí)燃燒技術(shù)聯(lián)合使用。通過(guò)改造后的燃燒調(diào)整試驗(yàn)，確定不同負(fù)荷下SOFA風(fēng)門(mén)的最佳開(kāi)度。另外，低氮燃燒器的改造及低氮燃燒調(diào)整均在不同程度上影響鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)的空氣動(dòng)力場(chǎng)分布，這樣也必然對(duì)鍋爐飛灰、排煙溫度的指標(biāo)產(chǎn)生了負(fù)面影響，所以燃燒調(diào)整過(guò)程中，在滿足氮氧化物達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)，還要兼顧保證對(duì)鍋爐指標(biāo)影響最小。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖勇波.分級(jí)燃燒降低煤粉爐NOx排放的化學(xué)機(jī)理及影響因素[J].四川電力技術(shù)，2004：11-12.

[2]王紅.分級(jí)燃燒降低鍋爐NOx排放的控制技術(shù)[J].環(huán)境技術(shù)，2002：23-26.

[3]閆志勇，張慧娟.鍋爐分級(jí)燃燒降低NOx排放的技術(shù)改造及分析[J].動(dòng)力工程，2000：764-769.

[4]岳濤，莊德安，楊明珍.我國(guó)燃煤火電廠煙氣脫硫脫硝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].能源研究與信息，2008（03）：125-129.endprint