空氣分級燃燒降低鍋爐NOx排放控制技術

魯鵬

（浙江浙能溫州發電有限公司 浙江省溫州市 325602）

空氣分級燃燒降低鍋爐NOx排放控制技術

魯鵬

（浙江浙能溫州發電有限公司 浙江省溫州市 325602）

隨著我國環境污染的不斷嚴重，環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，然后在此基礎上對空氣分級燃燒降低鍋爐NOx排放控制技術，望對相關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境的重視，大氣污染也被媒體和社會所關注，而使用燃煤鍋爐所產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，對環境產生嚴重破壞，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境，對人類的身心健康產生嚴重的威脅。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。經數據證明，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份而出，這就是揮發份氮。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，也可和和揮發份氮相同的原理，先分解出CN和HCN，在被氧化。在我們現實的燃燒煤粉中，揮發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，就是這區域氧的含量很低，在這區域產生化學反應，分解為NHi以及HCN一些中間物，并且繼續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合，適當的時候，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原理與影響因素

3.1 實驗原理

空氣分級燃燒技術正是基于控制氧氣的濃度的技術所實現的。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和具備富氧條件的燃盡區。主燃區里，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中，其中絕大多數氮化物被氧化，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，即在煤粉能夠在爐膛中心的貧氧區和水冷壁附近的富氧區分別燃燒的基礎上，利用二次風的角度，使得一次風和二次風結合推遲偏轉，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排放控制有效結合，還需要結合鍋爐的實際技術參數進行選擇。

（2）富燃區的過量空氣系數

在分級燃燒的過程中，富燃區的空氣系數也會逐漸減小，大大減小氮氧化物的濃度。當空氣系數達到0.7時，HCN和NHi濃度也會大幅增加，進而導致燃盡區中焦炭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。故選用優質無煙煤同樣是控制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、超高壓中間再熱自然循環鍋筒爐，穩定通風，適合露天，四角切圓燃燒，排渣固態。鍋爐主要技術參數如表1所示，所選用煤種參數圖表2所示。采用空氣分級燃燒技術后，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，整個燃燒器區域被分為下層的貧氧區（主燃區）和上層的富氧區（燃盡區），并在此基礎上增加原消旋二次風噴口面積作為燃盡風，實現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，把過量空氣系數合理的把握在0.15以內。實際燃燒過程中，鍋爐下層過量空氣系數小于1，這就讓其變成還原性的燃燒區域，可以加入空氣到燃盡區，讓過量空氣系數正常。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，降低了結渣的可能性。

表1 空氣分級燃燒改造鍋爐主要技術參數

表2 所選煤種的工業分析與元素分析

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%，效果優異。此外，冷態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。綜合各種數據，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，實現了更優秀的運行效果。

圖4 鍋爐空氣分級燃燒應用示意圖

5 結語

在現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。空氣分級燃燒技術愈來愈先進，根據實際的需求，可以改善出適合我們的技術。低氧燃燒和分級送風有效客服了處理不足以及結焦等問題，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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TK227.1

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1004-7344（2016）09-0231-02

2016-3-11