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361000）

0 引言

對(duì)火力發(fā)電廠而言，鍋爐在燃燒煤炭的過程中排放的大量煙氣會(huì)給環(huán)境帶來嚴(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脫硝法工作過程中需要大量的液氨來進(jìn)行還原反應(yīng)，如此一來，無形當(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168h滿負(fù)荷運(yùn)行以及經(jīng)過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，煤炭燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物量與煤炭燃燒溫度、燃燒方式、過量空氣系數(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，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）降低燃燒過程中的過量空氣系數(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)化率由過程中空氣過剩條件和溫度水平?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

通過對(duì)NOx生成機(jī)理的分析，可以得出煤燃燒過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)卷吸周圍的高溫?zé)煔飧佑欣?。由于燃燒溫度高，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，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，說明送入鍋爐的風(fēng)量已經(jīng)過大，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開度對(duì) NOx排放量的影響

在燃燒器區(qū)域上部送入過量的空氣，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，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)開度三者對(duì)氮氧化物的生成影響也很大。

3 結(jié)論

經(jīng)過對(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?？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)門的開度。

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，還需通過鍋爐燃燒效率試驗(yàn)來驗(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