空氣分級燃燒降低鍋爐NOx排放控制技術(shù)

魯鵬

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司 浙江省溫州市 325602）

空氣分級燃燒降低鍋爐NOx排放控制技術(shù)

魯鵬

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司 浙江省溫州市 325602）

隨著我國環(huán)境污染的不斷嚴重，環(huán)境保護措施已迫在眉睫。本文基于此，首先簡述了燃煤鍋爐使用過程中的NOx生成機理及影響因素，然后在此基礎(chǔ)上對空氣分級燃燒降低鍋爐NOx排放控制技術(shù)，望對相關(guān)人員提供些許參考價值。

空氣分級燃燒；NOx；控制

1 前言

在電力行業(yè)里面被大家采用最多動力裝置的就是燃煤鍋爐，當前多的市場下被大范圍使用。但是這幾年國家對環(huán)境的重視，大氣污染也被媒體和社會所關(guān)注，而使用燃煤鍋爐所產(chǎn)生的氣體也是需要國家當前需要重視和解決的一大難題。氮氧化物的大量排放不僅會促進酸雨的形成，對環(huán)境產(chǎn)生嚴重破壞，且氮氧化物自身更會與碳氫化合物形成光化學煙霧破壞大氣環(huán)境，對人類的身心健康產(chǎn)生嚴重的威脅。在這樣的背景下，以空氣分級燃燒為代表的一系列降低NOx的排放控制技術(shù)開始得到了廣泛應用。

2 NOx生成原因和影響因素

2.1 生成因素

煤炭燃燒期間，可以通過以下兩種方式生成氮氧化物：①大氣環(huán)境里面的氮氣成分中的氮原子直接氧化成NOx；②形成氮氧化物的重要組成，即煤粉里面的氮化物在充足的氧氣中熱分解，然后又氧化形成NOx。經(jīng)數(shù)據(jù)證明，燃料N元素的含量越多，生成的NOx也越多。而在煤炭中，氮元素的占比一般為0.5～2.5%，整個燃料型NOx的生成機理如圖1所示。有氮的有機化合物充分燃燒，分解為NH3、HCN以及CN等一些中間物，期間有的則是分解成NOx，其他的則是成為N2。一些中間物則是從燃料里面和揮發(fā)份而出，這就是揮發(fā)份氮。在剩余的焦炭里面還有一些NOx，則被叫為焦炭氮。

焦炭氮既可以通過焦炭表面異相氧化反應直接生成NOx，也可和和揮發(fā)份氮相同的原理，先分解出CN和HCN，在被氧化。在我們現(xiàn)實的燃燒煤粉中，揮發(fā)份生成的氮氧化物約占燃料型NOx的60～80%，由焦炭氮所生成的NOx占比約為20～40%。

圖1 煤炭燃燒過程中燃料型NOx生成過程示意圖

2.2 影響因素

如圖2所示，燃料型NOx的60～80%的HCN會先形成NCO，再形成NH。如果在燃燒階段氧氣含量或低，那么氮很大程度上集中在燃料特別多的地方，就是這區(qū)域氧的含量很低，在這區(qū)域產(chǎn)生化學反應，分解為NHi以及HCN一些中間物，并且繼續(xù)生成氮氧化物和氮氣。研究表明，隨著氧氣含量的增高，生成物中的NOx含量會顯著上升，但在氧氣含量較低的條件，即還原性條件下，煤粉中揮發(fā)出來的氮需要與碳、氫競爭少量的氧氣，考慮到氮的還原性較低，得電子能力較弱，故氮原子難以與氧原子形成NOx，只能自身結(jié)合從而生成N≡N，所以在氧氣充足的情況下，使空氣過量系數(shù)適度的變低可以較好地抑制燃料型NOx的生成。綜上所述，降低氧氣的濃度，使燃燒在過量空氣系數(shù)小于1的低含氧量的情況下，在使得燃燒擴大的情況下，阻止空氣和燃料的結(jié)合，適當?shù)臅r候，可以不要選擇氮含量偏高的煤粉，是控制燃煤鍋爐燃燒過程中NOx排放的核心策略。

圖2 HCN被氧化的主要反應途徑示意圖

3 空氣分級控制燃燒技術(shù)原理與影響因素

3.1 實驗原理

空氣分級燃燒技術(shù)正是基于控制氧氣的濃度的技術(shù)所實現(xiàn)的。其原理在于將燃燒的空氣分成兩段，分別送入至氧氣含量較低的主燃區(qū)和具備富氧條件的燃盡區(qū)。主燃區(qū)里，由于氧氣濃度被控制，燃料的燃燒速度和燃燒溫度都會降低，熱力NOx的生成量減小，中間物形成的N2比重要高于NOx的含量，同時因溫度原因所生成的熱力NOx的含量也會得到控制。在具備富氧條件的燃盡區(qū)中，其中絕大多數(shù)氮化物被氧化，形成NOx，但是溫度控制的很低，形成的氮氧化物不多，整個燃燒過程的總體NOx含量大約能降低30～50%。在此基礎(chǔ)上，部分鍋爐燃燒過程中還使用了如圖3所示的徑向空氣分級控制燃燒技術(shù)，即在煤粉能夠在爐膛中心的貧氧區(qū)和水冷壁附近的富氧區(qū)分別燃燒的基礎(chǔ)上，利用二次風的角度，使得一次風和二次風結(jié)合推遲偏轉(zhuǎn)，因此讓中心燃燒的氧氣大大減少，抑制了NOx的生成。同時在水冷壁周圍的氧化性氣氛，有效的控制了結(jié)焦以及高溫腐蝕。

圖3 徑向分級燃燒示意圖

3.2 影響因素

（1）燃盡風送入的位置

燃盡風送入的位置高低是影響空氣分級燃燒NOx排放控制效果的重要因素，無論煤種如何，送入燃盡風的移動，煤粉在富燃區(qū)域時間越來越長，這就使得氮氧化物的濃度減小，同時也會使得爐內(nèi)溫度水平有所降低進而引起煤粉的燃盡率下降。如何將效率與NOx排放控制有效結(jié)合，還需要結(jié)合鍋爐的實際技術(shù)參數(shù)進行選擇。

（2）富燃區(qū)的過量空氣系數(shù)

在分級燃燒的過程中，富燃區(qū)的空氣系數(shù)也會逐漸減小，大大減小氮氧化物的濃度。當空氣系數(shù)達到0.7時，HCN和NHi濃度也會大幅增加，進而導致燃盡區(qū)中焦炭NOx的生成，降低NOx的排放控制效果。此外，當過量空氣系數(shù)較低時，煤粉燃盡率也會下降，從而影響到鍋爐的使用效率，所以應該通過科學的計算來確定過量空氣系數(shù)的大小。

（3）煤種和煤粉細度

對分級燃燒還有一定影響的就是煤粉以及煤種的細分，揮發(fā)份低則氮氧化物的排放高，提高煤粉的細分可以降低氮氧化物的排放，同時可以充分燃燒煤粉。故選用優(yōu)質(zhì)無煙煤同樣是控制NOx排放的可行選項。

4 空氣分級燃燒在鍋爐NOx排放控制中的應用

鍋爐的型號SG-420/13.7-W756，為中間倉儲式乏氣送粉系統(tǒng)、超高壓中間再熱自然循環(huán)鍋筒爐，穩(wěn)定通風，適合露天，四角切圓燃燒，排渣固態(tài)。鍋爐主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，所選用煤種參數(shù)圖表2所示。采用空氣分級燃燒技術(shù)后，除原消旋二次風和下二次風外的其他六層噴口均進行下移，整個燃燒器區(qū)域被分為下層的貧氧區(qū)（主燃區(qū)）和上層的富氧區(qū)（燃盡區(qū)），并在此基礎(chǔ)上增加原消旋二次風噴口面積作為燃盡風，實現(xiàn)單獨操控風量的大小，可以合理的改變別的二次風噴口的大小，同時采用低氧燃燒，把過量空氣系數(shù)合理的把握在0.15以內(nèi)。實際燃燒過程中，鍋爐下層過量空氣系數(shù)小于1，這就讓其變成還原性的燃燒區(qū)域，可以加入空氣到燃盡區(qū)，讓過量空氣系數(shù)正常。在一二次風上做出了改善，上、中上、中下二次風噴口正切，并且直徑為500mm的假想切圓，燃盡區(qū)采用反切，并且直徑為200mm的假想切圓，別的噴口都是選擇正切同時直徑為200mm的假想切圓，這就使得水冷壁周圍的氧化性氣氛得到保護，降低了結(jié)渣的可能性。

表1 空氣分級燃燒改造鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

表2 所選煤種的工業(yè)分析與元素分析

將Testo-350德圖煙氣分析儀安裝在空氣預熱器的煙道里面，并對鍋爐NOx排放量進行測量。如果對鍋爐改善之前，氮氧化物為609mg/m3，改善之后，氮氧化物的含量從471mg/m3降至379mg/m3，脫硝率為37.8%，效果優(yōu)異。此外，冷態(tài)測試表示燃盡風射流假想切圓小，中心位置速度偏大，中心區(qū)域周圍風速大，越靠近壁面風速越小。保障燃盡風流剛性正常，確保煤粉的充分燃燒。綜合各種數(shù)據(jù)，鍋爐的效率從改造前的90.76%提高到92.20%，且改造后鍋爐在較低的氧量下運行，排煙損失也降低了，實現(xiàn)了更優(yōu)秀的運行效果。

圖4 鍋爐空氣分級燃燒應用示意圖

5 結(jié)語

在現(xiàn)階段燃煤鍋爐的應用過程中，如何控制NOx的排放一直是迫在眉睫的問題。空氣分級燃燒技術(shù)愈來愈先進，根據(jù)實際的需求，可以改善出適合我們的技術(shù)。低氧燃燒和分級送風有效客服了處理不足以及結(jié)焦等問題，同時大大降低了有害氣體的排出，投入更少的資金即可得到更大的回報。因此我們有理由相信，空氣分級燃燒技術(shù)將會為未來的燃煤鍋爐的應用做出更獨特的貢獻。

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