淺談鍋爐燃燒調(diào)整對(duì)氮氧化物排放的影響

韓寶彬

（華夏國(guó)際電力發(fā)展有限公司，福建 廈門(mén)361000）

0 引言

對(duì)火力發(fā)電廠而言，鍋爐在燃燒煤炭的過(guò)程中排放的大量煙氣會(huì)給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染。煙氣主要是由硫氧化物和氮氧化物組成，其中的氮氧化物在一定條件下可同碳?xì)浠衔镆黄鹦纬苫瘜W(xué)煙霧破壞大氣環(huán)境；同時(shí)，它還是形成酸雨的主要因素。因此，降低煙氣中氮氧化物的排放量是當(dāng)前環(huán)保領(lǐng)域亟待解決的首要問(wèn)題之一。所以，國(guó)家對(duì)全國(guó)火力發(fā)電廠單位發(fā)電量的氮氧化物、硫氧化物及煙塵平均排放水平做了詳細(xì)規(guī)定。

本文所涉及的電廠采用4×300MW燃煤機(jī)組，由于電廠位于國(guó)家級(jí)旅游風(fēng)景區(qū)，為保護(hù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，4臺(tái)鍋爐均采用低氮氧化物燃燒技術(shù)，同時(shí)還安裝選擇性催化還原（以下簡(jiǎn)稱SCR）煙氣脫硝裝置。SCR采用氨—氮混合法脫硝，雖說(shuō)SCR裝置在設(shè)計(jì)時(shí)保證能在鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷35%BMCR和100%BMCR工況且煙氣溫度在280～380℃之間的任何負(fù)荷條件下持續(xù)、安全運(yùn)行，即能在最大和最小污染物濃度之間的任何值下運(yùn)行，并確保凈煙氣中NOx的含量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，對(duì)鍋爐各排放參數(shù)有了更高的要求。加之SCR脫硝法工作過(guò)程中需要大量的液氨來(lái)進(jìn)行還原反應(yīng)，如此一來(lái)，無(wú)形當(dāng)中就增加了發(fā)電企業(yè)的成本。為了確保鍋爐煙氣排放中的氮氧化物含量能夠達(dá)到國(guó)家要求，并降低企業(yè)成本，就需要從鍋爐燃燒入手，保證在氮氧化物排放符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，減少液氨的使用。鑒于此，筆者根據(jù)所在單位脫硝系統(tǒng)從設(shè)備調(diào)試、投產(chǎn)到通過(guò)168h滿負(fù)荷運(yùn)行以及經(jīng)過(guò)8年實(shí)際運(yùn)行所積累的經(jīng)驗(yàn)，做一小結(jié)。本文根據(jù)NOx生成機(jī)理，應(yīng)用運(yùn)行燃燒調(diào)整的手段來(lái)降低鍋爐SCR進(jìn)口NOx含量，以減少鍋爐耗氨量、降低企業(yè)生產(chǎn)成本，達(dá)到減少污染物排放的總體目標(biāo)。

1 NOx的生成原理

煤炭在燃燒過(guò)程中主要產(chǎn)生一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）以及少量的其他種類氮氧化物（NOx），例如N2O。目前，火力發(fā)電廠按常規(guī)燃燒方式所生成的NOx中，NO占主要成分，高達(dá)90%；而NO2和N2O則比例很低，分別僅占5%～10%及1%。因此，要降低NOx的排放量就要從NO入手。根據(jù)NOx生成原理，煤炭燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化物量與煤炭燃燒溫度、燃燒方式、過(guò)量空氣系數(shù)以及煙氣在鍋爐內(nèi)停留時(shí)間等因素密切相關(guān)。煤炭燃燒產(chǎn)生的NOx主要分為熱力型NOx、燃料型NOx、快速型NOx3種。

1.1 熱力型NOx

當(dāng)溫度高于1 500℃時(shí)，空氣中的氮和氧發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的氮氧化物被稱為熱力型NOx。由此可見(jiàn)，溫度和氧對(duì)熱力型NOx的生成起決定因素。

如圖1所示，在相同的條件下NOx生成量隨溫度的升高而增大。試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度在1 350℃以下時(shí)，幾乎不生成熱力型NOx；但隨著溫度的上升，熱力型NOx生成量按指數(shù)規(guī)律迅速增加；當(dāng)溫度達(dá)到1 600℃以上時(shí)，熱力型NOx占NOx生成總量的25%～30%。

圖1 溫度對(duì)NOx生成量的影響

因此我們可以判定，熱力型NOx產(chǎn)生的主要條件是高燃燒溫度，次要條件是高濃度的氧。

當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)小于1時(shí)，隨著氧氣濃度的增大，熱力型NOx生成量也相應(yīng)成比例增大，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)等于1或稍大于1時(shí)達(dá)到最大。然而，當(dāng)氧氣濃度繼續(xù)升高，過(guò)量氧會(huì)對(duì)火焰產(chǎn)生冷卻作用，此時(shí)熱力型NOx也隨之降低。所以，可采取以下措施控制熱力型NOx的生成：

（1）縮短在高溫區(qū)域的停留時(shí)間；

（2）降低燃燒的峰值溫度；

（3）降低燃燒的過(guò)量空氣系數(shù)和局部氧濃度；

（4）使燃燒在遠(yuǎn)離理論空氣比的條件下進(jìn)行。

1.2 燃料型 NOx

燃料型NOx是指燃料中含有的氮化合物在燃燒過(guò)程中熱分解，又接著氧化而成。當(dāng)燃燒溫度在1 200～1 350℃之間時(shí)，燃料中的氮70%～90%都是通過(guò)揮發(fā)分N氧化而成的，由此形成的NOx占燃料型NOx生成量的60%～80%。

所以燃料型NOx的生成量與火焰附近氧濃度密切相關(guān)。如圖2所示，在過(guò)量空氣系數(shù)小于1.4的條件下，揮發(fā)有機(jī)氮生成NOx的轉(zhuǎn)化率隨O2濃度上升而呈二次方曲線增大。

煤炭中氮化合物向NOx轉(zhuǎn)化過(guò)程可由3個(gè)階段組成：

（1）煤炭中的有機(jī)氮化合物與揮發(fā)分一起析出；

（2）揮發(fā)分中氮化物燃燒；

（3）焦炭中有機(jī)氮燃燒。

這個(gè)過(guò)程中，揮發(fā)有機(jī)氮生成NOx的轉(zhuǎn)化率隨燃燒溫度上升而增大。燃燒溫度較低時(shí)，燃料氮的揮發(fā)分份額明顯下降。所以，燃料中氮并非全部轉(zhuǎn)變?yōu)镹Ox，它存在一個(gè)轉(zhuǎn)化率，而這個(gè)轉(zhuǎn)化率還與燃料品種和燃燒方式有關(guān)。因此，可以從此方面入手采取以下措施控制燃料型NOx的生成：

（1）降低燃燒過(guò)程中的過(guò)量空氣系數(shù)；

（2）控制燃料與空氣的前期混合；

（3）提高入爐的局部燃料濃度。

圖2 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NOx生成量的影響

1.3 快速型NOx

顧名思義，快速型NOx的反應(yīng)速度比燃料型NOx要快許多，它的生成主要受壓力影響較大，與溫度關(guān)系較小。煤粉燃燒時(shí)，產(chǎn)生的CH原子團(tuán)撞擊N2分子，生成HCN類化合物，待其進(jìn)一步氧化就會(huì)生成快速型NOx。它的轉(zhuǎn)化率由過(guò)程中空氣過(guò)剩條件和溫度水平?jīng)Q定?？焖傩蚇Ox的生成量比熱力型NOx和燃料型NOx要少得多。

對(duì)于大型火力發(fā)電廠鍋爐而言，在此3種NOx中，燃料型NOx是最主要的，占總生成量的60%以上；當(dāng)燃料溫度足夠高時(shí)，熱力型NOx生成量也可占總量的20%；快速型NOx則是生成量最少的一種。

2 鍋爐燃燒調(diào)整對(duì)NOx排放量的影響

通過(guò)對(duì)NOx生成機(jī)理的分析，可以得出煤燃燒過(guò)程中氮氧化物的生成和排放與燃燒方式和燃燒條件密切相關(guān)。故此，筆者從運(yùn)行可調(diào)整的角度出發(fā)，總結(jié)分析以下幾點(diǎn)影響NOx排放量的主要因素：

（1）風(fēng)箱與爐膛壓差對(duì)NOx排放量的影響；

（2）氧量對(duì)NOx排放量的影響；

（3）鍋爐配風(fēng)方式對(duì)NOx排放量的影響；

（4）鍋爐噴燃器OFA、OFA1、OFA2開(kāi)度對(duì)NOx排放量的影響。

2.1 風(fēng)箱與爐膛壓差對(duì)NOx排放量的影響

做該項(xiàng)試驗(yàn)前，首先要保證鍋爐的負(fù)荷、配風(fēng)方式、氧量、磨煤機(jī)組合方式等均不變。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)二次風(fēng)箱與爐膛壓力的差壓（Δp）增大時(shí)，鍋爐的NOx排放量相對(duì)于其他情況都要低。這是因?yàn)槎物L(fēng)箱與爐膛壓力的差壓比較高時(shí)，二次風(fēng)的風(fēng)速比較高，動(dòng)量大，剛性強(qiáng)。一次風(fēng)從噴口出來(lái)后不久即被二次風(fēng)所卷吸，射流軌跡變彎，形成一個(gè)轉(zhuǎn)彎的扇形面，對(duì)卷吸周?chē)母邷責(zé)煔飧佑欣Ｓ捎谌紵郎囟雀?，熱力型NOx的生成量比較大，從而使總的NOx排放量增大。而二次風(fēng)箱與爐膛壓力的差壓增大后燃料燃燒時(shí)溫度有所降低，便于控制熱力型NOx的生成。相反，二次風(fēng)箱與爐膛壓力的差壓比較低時(shí)，二次風(fēng)速比較低，動(dòng)量小，剛性弱，二次風(fēng)很快就與一次風(fēng)混合，在煤燃燒初始階段，大部分的揮發(fā)分氮隨煤中其他揮發(fā)物一起釋放出來(lái)，形成中間產(chǎn)物，如NHi、CH和HCN等，在氧氣存在的條件下，這些中間產(chǎn)物會(huì)進(jìn)一步氧化成NOx，使燃料型NOx的生成量增大，從而使總的NOx排放量增大。

2.2 氧量對(duì)NOx排放量的影響

做該項(xiàng)試驗(yàn)前，首先要保證鍋爐的負(fù)荷、配風(fēng)方式、風(fēng)箱與爐膛壓差、磨煤機(jī)組合方式等均不變。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著氧的增加，鍋爐的NOx排放量也在增加。但是當(dāng)氧量增加到一定程度以后，NOx排放量的增加漸趨平緩。這是因?yàn)殡S著氧量的增加，爐內(nèi)燃燒區(qū)域的供氧量加大，燃燒強(qiáng)度加強(qiáng)，爐膛火焰溫度升高，熱力型NOx的生成量增大。加之燃燒區(qū)域氧濃度增加，為燃料中氮化合物燃燒時(shí)的熱分解產(chǎn)物進(jìn)一步氧化成NOx提供了條件，從而使燃料型NOx的生成量也增加，所以總的NOx排放量增加。然而，氧量繼續(xù)增大，說(shuō)明送入鍋爐的風(fēng)量已經(jīng)過(guò)大，就會(huì)造成燃燒區(qū)域的火焰溫度降低，從而使熱力型NOx的生成量減少，因此總的NOx排放量的增加趨勢(shì)平緩；若氧量再繼續(xù)增大，NOx的生成量還會(huì)有下降的趨勢(shì)。

2.3 鍋爐配風(fēng)方式對(duì)NOx排放量的影響

做該項(xiàng)試驗(yàn)前，首先要保證鍋爐的負(fù)荷、氧量、風(fēng)箱與爐膛壓差、磨煤機(jī)組合方式等均不變。試驗(yàn)結(jié)果表明：正三角配風(fēng)方式下NOx排放量最高，而倒三角配風(fēng)方式下鍋爐NOx排放量最低，其他兩種配風(fēng)方式下NOx的排放量居中。之所以會(huì)如此，主要是因?yàn)椋旱谷桥滹L(fēng)方式運(yùn)行時(shí)，主燃燒區(qū)域內(nèi)爐氧量相對(duì)較低，燃燒的火焰溫度也要相對(duì)低一些，熱力型NOx和燃料型NOx的生成量都較少。表1就是通過(guò)試驗(yàn)采用不同的制粉系統(tǒng)測(cè)量得出的在相同負(fù)荷下A、B、C、D制粉與B、C、D、E制粉運(yùn)行時(shí)脫硝裝置SCR進(jìn)口的氮氧化物含量。

表1 負(fù)荷、制粉系統(tǒng)對(duì)SCR入口NOx排放量的影響

表1中A、B、C、D制粉運(yùn)行時(shí)脫硝裝置進(jìn)口的氮氧化物含量平均為454mg／Nm3，比B、C、D、E制粉運(yùn)行時(shí)的507mg／Nm3減少了10.5%。

機(jī)組給煤量在100t左右時(shí)，3臺(tái)磨與4臺(tái)磨運(yùn)行的情況下脫硝裝置進(jìn)口的氮氧化物含量偏差較大，如表2所示。

表2 負(fù)荷、制粉系統(tǒng)對(duì)SCR入口NOx排放量的影響

表2中B、C、D制粉運(yùn)行時(shí)脫硝裝置進(jìn)口的氮氧化物含量平均為420mg／Nm3，比B、C、D、E制粉運(yùn)行時(shí)的471mg／Nm3減少了10.8%。

2.4 鍋爐噴燃器 OFA、OFA1、OFA2開(kāi)度對(duì) NOx排放量的影響

在燃燒器區(qū)域上部送入過(guò)量的空氣，在二期的#3、#4鍋爐噴燃器設(shè)計(jì)上設(shè)有OFA、OFA1、OFA2 3層燃燼風(fēng)，有助于燃料燃燼。通過(guò)對(duì)近年#3、#4鍋爐脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)采用倒三角配風(fēng)方式運(yùn)行時(shí)，飛灰可燃物是最少的。此時(shí)，頂部的3層燃燼風(fēng)全開(kāi)，由于頂部區(qū)域不是鍋爐主要燃燒區(qū)域，火焰溫度較低，就算該區(qū)域氧量較大，NOx的生成量也不會(huì)增大，因此，總的NOx排放量也較低。這說(shuō)明OFA、OFA1、OFA2 3層燃燼風(fēng)的投入確實(shí)能減少NOx的生成量。但是由于燃燒區(qū)域下部送入風(fēng)量比較少，對(duì)進(jìn)入爐膛的煤粉頂托能力不夠，將致使?fàn)t渣可燃物含量比較大。采用正三角配風(fēng)方式運(yùn)行時(shí)，鍋爐的主要風(fēng)量都從爐膛燃燒區(qū)域下部送入，勢(shì)必造成主燃燒區(qū)域氧量較大，加之主燃燒區(qū)域的火焰溫度也相對(duì)較高，從而使熱力型NOx和燃料型NOx的生成量增加，總的NOx排放量也就增大。但是這種配風(fēng)方式下的爐渣可燃物含量會(huì)大大降低。表3顯示了相同負(fù)荷下燃燼風(fēng)全關(guān)與全開(kāi)時(shí)脫硝裝置進(jìn)口的氮氧化物含量，從表中可以看出，燃燼風(fēng)全開(kāi)運(yùn)行時(shí)脫硝裝置進(jìn)口的氮氧化物含量平均為413mg／Nm3，比燃燼風(fēng)全關(guān)運(yùn)行時(shí)的498mg／Nm3減少了17.1%。

表3 燃燼風(fēng)門(mén)對(duì)SCR入口NOx排放量的影響

從以上數(shù)據(jù)分析可以看出：制粉組合、擺角位置、燃燼風(fēng)開(kāi)度三者對(duì)氮氧化物的生成影響也很大。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)以上內(nèi)容的分析及對(duì)該電廠鍋爐（300MW機(jī)組）脫硝系統(tǒng)的調(diào)試、投產(chǎn)，通過(guò)試驗(yàn)及實(shí)際驗(yàn)證，筆者總結(jié)出了一套行之有效的降低鍋爐NOx排放、減少鍋爐噴氨量，從而降低機(jī)組運(yùn)行成本的運(yùn)行燃燒調(diào)整方法。該方法總結(jié)起來(lái)共有以下幾點(diǎn)：

（1）采用低氧燃燒法。在保證鍋爐燃燒正常的前提下控制過(guò)?？諝庀禂?shù)，即根據(jù)不同負(fù)荷段控制相應(yīng)的O2，250MW負(fù)荷以上控制在1.0%以下，250～200MW時(shí)控制在1.2%左右，200MW以下時(shí)控制在2.0%左右。

（2）維持較高的風(fēng)箱與爐膛壓差。高負(fù)荷（250MW負(fù)荷以上）時(shí)Δp控制在0.65～0.75kPa之間，低負(fù)荷（250MW 負(fù)荷及以下）區(qū)段Δp保持在0.4～0.55kPa之間。

（3）依據(jù)負(fù)荷、煤質(zhì)、氣溫、設(shè)備具體狀態(tài)等因素，采用最佳擺角位置、制粉組合及配風(fēng)方式。

（4）負(fù)荷允許的前提下，盡量保證頂部二次風(fēng)（OFA、OFA1、OFA2）等風(fēng)門(mén)的開(kāi)度。

以上是筆者依據(jù)所在單位4×300MW機(jī)組鍋爐脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行操作實(shí)踐做出的小結(jié)。當(dāng)然，由于脫硝系統(tǒng)在電站鍋爐中的應(yīng)用在我國(guó)還處于推廣階段，如何使降低NOx與優(yōu)化鍋爐燃燒、提高鍋爐效率都得到優(yōu)化與兼顧，還需通過(guò)鍋爐燃燒效率試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

［1］李青，潘焰平，宋淑娜.火力發(fā)電廠節(jié)能減排手冊(cè)［M］.中國(guó)電力出版社，2010

［2］周松，肖友洪，朱元清.內(nèi)燃機(jī)排放與污染控制［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2010

［3］Stephen R Turns.燃燒學(xué)導(dǎo)論［M］.姚強(qiáng)，李水清，王宇，譯.清華大學(xué)出版社，2009