關(guān)于燃煤鍋爐低氮燃燒與脫硝系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的探討

許明旭

摘 要：隨著全球化的環(huán)境問題越來越明顯，社會(huì)各界也在高度的關(guān)注著生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，而為了有效地降低燃煤鍋爐煙氣中的氮氧化物，其主要手段就是采用鍋爐內(nèi)的低氮燃燒和煙氣脫硝技術(shù)，我們應(yīng)全面的掌握燃料燃燒過程中NOx的生成原理和控制方法，以具體的電廠為例，深入的研究燃煤鍋爐低氮燃燒和脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化改造技術(shù)，分析能夠有效減少NOx排放的技術(shù)特點(diǎn)和工藝流程，從而真正地實(shí)現(xiàn)燃煤鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文章針對低氮燃燒系統(tǒng)和SCR脫硝系統(tǒng)的應(yīng)用以及應(yīng)用低氮燃燒和SCR脫硝技術(shù)的總體效果兩個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探析，從而詳細(xì)的論述了如何實(shí)現(xiàn)燃煤鍋爐低氮燃燒和脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；低氮燃燒和脫硝技術(shù)；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

1 低氮燃燒系統(tǒng)和SCR脫硝系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 NOx的生成機(jī)理

在燃煤鍋爐的運(yùn)行過程中，NOx主要有三種不同的生成機(jī)理，它們分別為燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx。（1）燃料型NOx。其就是指由燃料本身自帶的含氮化合物轉(zhuǎn)化而生成的，其產(chǎn)生的溫度大概在600-800攝氏度左右，作為燃煤鍋爐運(yùn)行過程中產(chǎn)生NOx的重要原因，燃燒煤粉時(shí)幾乎都是燃料型NOx的，并且燃料型的NOx具有更簡單的形成條件。燃料型NOx的生成和分解過程主要與燃煤的結(jié)構(gòu)、特性、燃料中焦炭的成分和比例等因素有關(guān)，同時(shí)燃燒時(shí)的氧氣、溫度和各類成分的濃度等燃燒條件對其也是有重要影響的；（2）熱力型NOx。這類NOx是指空氣中的氮在高溫條件下氧化而成的，溫度對其生成速度有著最為直接的影響，溫度的上升速度越快，那么NOx的生成速度也就越快，當(dāng)溫度超過了1500攝氏度時(shí)，熱力型NOx就是非常容易產(chǎn)生的，而如果溫度小于這一數(shù)值，是幾乎不會(huì)生成熱力型NOx的；（3）快速型NOx。如果碳?xì)浠衔锶剂洗嬖谥^濃燃燒的情況，快速型的NOx往往就會(huì)生成在在反應(yīng)區(qū)的附近。在所有的NOx中，快速型NOx的含量通常都是很低的，對其也是可以忽略不計(jì)的。

1.2 NOx的控制方法

要想有效地控制NOx，我們一般都會(huì)采取燃燒前處理、燃燒中處理和燃燒后處理這三種方法。（1）燃燒前處理。其控制的原理就是在還是燃料時(shí)就采取相應(yīng)的方法將燃料轉(zhuǎn)化成為低氮燃料，其實(shí)現(xiàn)難度較大，并且會(huì)耗費(fèi)大量的成本。因此，在我國燃燒前處理仍處于研究階段；（2）燃燒中處理。應(yīng)用這一方法時(shí)應(yīng)重點(diǎn)做好燃燒過程中抑制NOx的產(chǎn)生以及還原已經(jīng)生成的NOx這兩項(xiàng)內(nèi)容，我們已經(jīng)掌握的NOx的生成機(jī)理，我們知道降低NOx生成的有效對策就是縮短燃料在高溫區(qū)域的停留時(shí)間、降低反應(yīng)區(qū)內(nèi)氧的濃度以及控制燃料區(qū)的溫度等，那么我們就應(yīng)以此為技術(shù)原理來制定各類低氮燃燒技術(shù)；（3）燃燒后處理。這種方法就是指煙氣脫硝技術(shù)，主要有選擇性非催化還原法和選擇性催化還原法兩種，其工作原理為將含氮的還原劑加入到煙氣中，NOx會(huì)發(fā)生相應(yīng)的還原反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)物為沒有危害的水和氮?dú)?，在此過程中是要具備催化劑的，其能夠大幅度的降低反應(yīng)溫度，并且也提升了反應(yīng)的效率。

1.3 降氮脫硝系統(tǒng)的選型

控制NOx排放的兩種最有效的技術(shù)就是低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)，前者的原理是在工藝上來減少NOx的生成，用較低的成本來實(shí)現(xiàn)對NOx的減排。因此，在我們最初開始對NOx采取減排措施時(shí)，通常都應(yīng)采用低氮燃燒技術(shù)的，常見的低氮燃燒方法有煙氣再循環(huán)、低氧燃燒、燃料分級燃燒和空氣分級燃燒，低燃燃燒技術(shù)的投資和運(yùn)行成本較低，并且操作簡單方便，然而其能夠減少的NOx的排放量也是有限的，現(xiàn)階段只能減排NOx大概40%左右，還達(dá)不到降氮脫硝的目標(biāo)值200mg/Nm3（備注：此數(shù)值為天津市環(huán)保局標(biāo)準(zhǔn)，我廠天津石化熱電部要求在100 mg/Nm3以內(nèi)）。要想進(jìn)一步的降低NOx的排放量，就應(yīng)采用煙氣脫硝技術(shù)。我們通常將煙氣脫硝技術(shù)分為選擇性催化還原法和選擇性非催化還原法以及綜合法三種，其中，第一種方法的是不需要催化劑并且成本較低的，但其對反應(yīng)溫度有著嚴(yán)格的要求，脫硝的實(shí)際效率約為40%，而選擇性催化還原法的脫硝效率則能夠達(dá)到80%以上。所以，為了最大限度地保證燃煤鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，取得理想的降氮脫硝的效果，就應(yīng)采用低氮燃燒和SCR相結(jié)合的技術(shù)方法。

1.4 低氮燃燒技術(shù)的改造方案

此次改造工程采用的為空氣分級燃燒的燃燒技術(shù)，這是一種廣泛的、性能比較穩(wěn)定且投資和運(yùn)行成本較低的低氮燃燒技術(shù)，其能夠很好完成鍋爐的防渣工作，具備更寬的煤種適應(yīng)性，并能夠進(jìn)一步提升鍋爐的運(yùn)行效率。由于煤粉爐燃燒溫度不超過1500℃，熱力型NOx的生成量很少，所以可以忽略氮?dú)獾难趸?。燃料型NOx的快速形成主要集中于燃料的著火階段，這時(shí)煤粉熱解產(chǎn)生大量的揮發(fā)分。如果氧氣充足，它們將迅速生成NO；如果氧氣不足，則氮?dú)獾男纬傻玫綇?qiáng)化，NO的形成受到抑制。爐內(nèi)空氣分級燃燒就是根據(jù)這一原理，通過改變送風(fēng)方式，控制爐內(nèi)空氣的分布，使煤在著火階段缺氧，即在燃燒器出口和燃燒中心區(qū)域造成還原性氣氛，從而降低NOx的生成量，未燃盡的炭粒將在爐膛上部的燃盡區(qū)與燃盡風(fēng)混合并完全燃燒，其中燃盡風(fēng)由主燃空氣分流而來，并通過爐膛上部燃盡風(fēng)噴口噴入燃盡區(qū)。爐內(nèi)空氣分級燃燒的實(shí)現(xiàn)形式主要有兩種，即軸向空氣分級燃燒和徑向空氣分級燃燒。

1.4.1 軸向空氣分級燃燒（OFA方式）。將燃燒所需的空氣分兩部分送入爐膛：一部分為主二次風(fēng)，約占總二次風(fēng)量的70%～85%；另一部分為燃盡風(fēng)（OFA，Over Fire Air），約占總二次風(fēng)量的15%～30%。因此，爐膛內(nèi)的燃燒分成三個(gè)區(qū)域，即熱解區(qū)、貧氧區(qū)和富氧區(qū)（見圖1）。上部燃盡風(fēng)送入爐膛時(shí)，已經(jīng)避開了高溫火焰區(qū)，對未燃盡產(chǎn)物起完全燃燒的作用。

1.4.2 徑向空氣分級燃燒。徑向空氣分級燃燒是在與煙氣流垂直的爐膛斷面上組織分級燃燒，它是通過將二次風(fēng)射流部分偏向爐墻來實(shí)現(xiàn)的（見圖2）。徑向分級燃燒不僅可以使主燃區(qū)處于還原性氣氛從而降低NOx的排放量，還可使?fàn)t墻附近處于氧化性氣氛，從而可以避免水冷壁的高溫腐蝕以及因還原性氣氛使灰熔點(diǎn)下降而導(dǎo)致的燃燒器附近的結(jié)渣。

對燃燒系統(tǒng)進(jìn)行整體改造，對燃燒器應(yīng)采用縱向的布置方式，從下到上分別為下二次風(fēng)、下一次風(fēng)、中下二次風(fēng)、中一次風(fēng)、中二次風(fēng)、中上二次風(fēng)、上一次風(fēng)、三次風(fēng)、上二次風(fēng)、下燃盡風(fēng)和上燃盡風(fēng)。經(jīng)過上述的改造，爐膛出口的NOx含量被降低超過了40%，取得了良好的改造效果。

1.5 SCR脫硝技術(shù)的應(yīng)用

在應(yīng)用了低氮燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用SCR脫硝技術(shù)能夠進(jìn)一步的降低NOx的排放量，將其濃度控制在100mg/Nm3以內(nèi)，這一技術(shù)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，也能夠滿足機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)頻繁的要求。改造時(shí)應(yīng)科學(xué)的選擇催化劑的數(shù)量，從而控制投入的成本。（1）技術(shù)指標(biāo)。SCR裝置能夠處理各種工況下的全部煙氣量，為保證其穩(wěn)定、持續(xù)并且安全的運(yùn)行，應(yīng)將煙氣的溫度控制在320-420攝氏度的條件下，同時(shí)應(yīng)保證NOx在脫硫塔入口位置處的濃度是≤100mg/Nm3。（2）SCR系統(tǒng)的構(gòu)成。系統(tǒng)的核心構(gòu)成主要分為四個(gè)部分，分別為尿素?zé)峤夥磻?yīng)器、尿素水解制氨系統(tǒng)、反應(yīng)器系統(tǒng)和氨噴射器。（3）SCR工藝流程。先制成濃度50%的尿素溶液，在加入并攪拌均勻后將其存放到尿素溶液儲(chǔ)存罐中。之后將其送到水解反應(yīng)器中熱解成氨氣，之后其與熱風(fēng)會(huì)充分的混合稀釋噴入反應(yīng)區(qū)，在SCR反應(yīng)器中催化劑的作用下，與煙氣發(fā)生反應(yīng)，從而取得去除NOx的目的。（4）SCR投入運(yùn)行的效果。采用SCR脫硝技術(shù)系統(tǒng)改造后，鍋爐NOx濃度被控制在≤100mg/Nm3，NH3逃逸的濃度為≤2.5mg/Nm3，脫硝率接近達(dá)到55%，與設(shè)計(jì)指標(biāo)相比，各項(xiàng)指標(biāo)都是更為優(yōu)異的。

2 應(yīng)用低氮燃燒和SCR脫硝技術(shù)的總體效果

從上述的各個(gè)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況來看，低氮燃燒與SCR脫硝技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用取得了非常優(yōu)益的效果，其綜合的脫硝率已經(jīng)超過了70%，NOx的排放濃度全部低于100mg/Nm3，保證了燃煤鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)也符合環(huán)保工作的各項(xiàng)要求。

對于普通的燃煤鍋爐來說，采用空氣分級燃燒技術(shù)可以大大的降低NOx的排放量，對其的減排超過了40%，而采用SCR脫硝技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)NOx減排超過50%，其綜合的脫硝率超過了81%，最終NOx的排放濃度是要低于100mg/Nm3。

參考文獻(xiàn)

[1]陳愛萍.火電廠燃煤脫硝技術(shù)及其分析[J].江蘇電機(jī)工程，2010.

[2]馬永杰.低氮燃燒與SCR脫硝技術(shù)相結(jié)合的改造[J].電力安全技術(shù)，2014.

[3]于鐘丹.燃煤電廠低氮燃燒與煙氣脫硝SCR技術(shù)聯(lián)用研究[J].科技與企業(yè)，2013.

[4]張文斌.燃煤鍋爐低氮燃燒改造聯(lián)合SNCR脫硝技術(shù)應(yīng)用[J].廣東化工，2014.

[5]張燕.煤粉鍋爐降氮脫硝技術(shù)比選及應(yīng)用[J].石油化工節(jié)能，2011.