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的生成機理，從生成原理中分析影響NOx生成的因素，并找出在燃燒過程中控制NOx生成量的有效措施。

關鍵詞：氮氧化物 生成機理 影響因素 控制措施

隨著國民經濟的快速發展，環境問題也日趨突出，一些工業發達地區的大氣污染、水污染事件已經嚴重影響人民的生產、生活，環境問題也反過來開始逐漸制約工業發展步伐。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，隨著國家環境保護法律法規標準的不斷完善，對氮氧化物的排放和控制也必將越來越重視起來。

1 降低氮氧化物排放的兩種方法

一種是燃燒過程中脫氮技術，也就是低氮燃燒技術，即通過運行方式的改進、燃燒設備的改造或者對燃燒過程進行特殊控制，抑制NOx的生成反應，從而降低NOx的最終生成量。另一種就是煙氣凈化技術，也就是通過化學反應把已生成的NOx還原成N，從而脫除煙氣中的NOx。

目前，以上兩種技術在燃煤發電廠均得到了廣泛應用，但煙氣凈化技術也帶來了很多負面影響，其中最嚴重的問題就是煙氣脫硝過程中，逃逸氨腐蝕空預器受熱面，造成空預器頻繁堵灰，影響機組安全穩定運行。要想滿足氮氧化物達標排放，燃燒生成的氮氧化物越多，脫硝噴氨量就越大，相應的逃逸氨越多，空預器堵灰就越嚴重。所以，在燃燒過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，還能緩解空預器受熱面的腐蝕堵灰問題。

2 氮氧化物的生成機理

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，因為是吸熱反應，爐膛溫度對其生成量具有絕對性影響。一般當燃燒溫度低于1500℃時，熱力型NOx生成量極少，在過量空氣系數為1.1條件下，爐膛溫度達1300-1500℃時，煙氣中NOx的體積分數在（500-100）×10-6，在此基礎上，每增加100℃，反應速度將增大6-7倍。

2.2 快速型NOx 快速型NOx生成特點是反應速度極快，這種生成的NOx與爐膛壓力密切相關，與溫度關系不大，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的生成機理就相對復雜，它的生成和破壞過程與燃料中的氮受熱分解后和焦炭中的比例相關，但是都會隨著溫度和養分等燃燒條件而變化。

3 影響氮氧化物生成的因素

根據上述分析各類型的氮氧化合物的生成機理，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、燃燒器區段氧濃度、燃燒產物在高溫區停留時間和煤的特性。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，單從燃燒調整角度分析，降低氮氧化合物生成量的途徑主要有兩個方面：一是降低火焰溫度，防止局部高溫；二是降低過量空氣系數和氧濃度，避免煤粉在富氧的條件下燃燒。

4 燃燒過程中如何降低氮氧化物的生成

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

4.2 空氣分級燃燒 空氣分級燃燒就是將燃料的燃燒過程分階段完成。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域二次風門開度，將從主燃燒器供入爐膛的空氣量減少到總燃燒空氣量的70%-75%（相當于理論空氣量的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內的燃燒速度和溫度水平，延遲了燃燒過程，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的反應率，抑制了NOx在這一燃燒中的生成量。為了完成全部燃燒過程，完全燃燒所需的其余空氣則送入布置在主燃燒區上方的燃盡風噴嘴，與第一級燃燒區在“貧氧燃燒”條件下產生的混合物接觸，在此階段完成全部燃燒過程。由于整個燃燒過程所需空氣是分兩級供入爐內，故稱為空氣分級燃燒法。

4.3 燃料分級燃燒 燃料分級燃燒是將80%左右的燃料送入主燃燒區，在主燃料區通入足量空氣進行富氧燃燒生成NOx，被送入這一區域的燃料成為一級燃料，其余燃料也成為二級燃料送入上部燃燒器，并統一與不足的空氣進行缺氧燃燒，缺氧燃燒區形成還原性物質，還原性物質不僅使下部生成的NOx得到還原，同時還抑制了新的NOx的生成，使NOx的生成量得到了進一步降低。在二次燃燒區布置燃盡風，在此區域完成燃料的完全燃燒。燃料分級燃燒可降低50%左右的NOx生成量。

目前，燃料分級燃燒在燃煤電廠應用不是很廣泛，主要原因在二級燃料的選擇上。由于二次燃料在缺氧區燃燒，且在爐膛內停留時間較短，如果仍然使用煤粉作為二級燃料，會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，容易導致尾部煙道二次燃燒事故。但可以適當選擇碳氫類氣體燃料及液體燃料作為二級燃料。

4.4 煙氣再循環 煙氣再循環法就是抽出一部分空預器入口的低溫煙氣，直接送入爐膛或與熱一次風、二次風混合后再送入爐膛，這種方法的出發點就是降低爐膛溫度，抑制NOx的生成。

煙氣再循環法在一定意義上來講是抑制、推遲了主燃燒區域的燃燒，使得鍋爐的排煙損失增加，經濟性差，另外如果抽出的低溫煙氣量過大，尤其在低負荷時易造成鍋爐燃燒不穩，滅火停機。一般抽出的空氣量控制在總煙氣量的15%左右。

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

表1是對為某電廠國產300MW燃煤機組低氮燃燒器改造前后燃燒試驗，在不同負荷下氮氧化物生成量對比表。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驗數據對比

■

表2是滿負荷工況下SOFA風門不同開度下的燃燒調整試驗，氮氧化物的生成量對比表。實驗數據顯示，300MW負荷時，隨著SOFA風門開度逐漸增大，NOx生成量不斷降低，風門開度在80%左右時，NOx生成量最低，再繼續開大風門，NOx下降不明顯。

表2 300MW負荷SOFA風門不同開度下的燃燒調整對比

■

5 結論

綜上所述，在燃燒過程中控制氮氧化物的生成量最有效、最容易實現的方法是低氮燃燒器改造和空氣分級燃燒技術聯合使用。通過改造后的燃燒調整試驗，確定不同負荷下SOFA風門的最佳開度。另外，低氮燃燒器的改造及低氮燃燒調整均在不同程度上影響鍋爐設計時的空氣動力場分布，這樣也必然對鍋爐飛灰、排煙溫度的指標產生了負面影響，所以燃燒調整過程中，在滿足氮氧化物達標排放的同時，還要兼顧保證對鍋爐指標影響最小。

參考文獻：

[1]廖勇波.分級燃燒降低煤粉爐NOx排放的化學機理及影響因素[J].四川電力技術，2004：11-12.

[2]王紅.分級燃燒降低鍋爐NOx排放的控制技術[J].環境技術，2002：23-26.

[3]閆志勇，張慧娟.鍋爐分級燃燒降低NOx排放的技術改造及分析[J].動力工程，2000：764-769.

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