淺析燃煤鍋爐低氮燃燒技術(shù)

李聞達(dá)

摘 要：目前我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主，因此需要對燃煤過程中產(chǎn)生的污染物進(jìn)行控制。在燃煤鍋爐中，氧氣和空氣以及燃料中的氮在高溫下生成NOx，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，本文介紹了在燃燒過程中控制NOx生成的低氮燃燒技術(shù)，和幾種低氮燃燒器，以降低燃燒過程中的NOx含量。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐;NOx;低氮燃燒

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.161

1 引言

根據(jù)《中國能源大數(shù)據(jù)報(bào)告（2018）》顯示，在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，雖然煤炭消費(fèi)十年間占比下降了12.1個(gè)百分點(diǎn)，呈現(xiàn)逐年下降趨勢，但在2017年能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中，原煤占比68.6%，仍占據(jù)主體地位。

燃煤鍋爐中煤炭的燃燒會釋放大量污染性氣體NOx，造成嚴(yán)重環(huán)境污染。國家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定NOx的排放量應(yīng)不超過250μg/m3（日均）、350μg/m3（時(shí)均），因此，對燃煤電廠中產(chǎn)生的NOx量需要嚴(yán)格控制。在燃燒過程中，采取低氮燃燒技術(shù)，可以有效減少NOx的生成與排放。

2 NOx生成機(jī)理

煤粉在鍋爐里燃燒的過程中，NOx的排放與燃燒過程關(guān)系密切，特別是過量空氣系數(shù)和燃燒溫度等，根據(jù)燃燒條件的差異可以分為燃料型、熱力型、快速型三類。

2.1 燃料型NOx

燃料型NOx是人為排放NOx的一個(gè)重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃料型NOx在NOx排放總量中所占的比例為75%以上。影響燃料型NOx生成的因素很多，不僅與過量空氣系數(shù)有關(guān)，也與燃燒溫度、煤種特性、燃料中的氮受熱分解后在揮發(fā)分和焦炭的比例、成分和分布等因素有關(guān)。

2.2 熱力型NOx

熱力型NOx中的N主要來自于空氣，與O2在高溫下反應(yīng)生成NOx。熱力型NOx占比例較小，約為20%。影響熱力型NOx生成的因素主要是溫度和氧量。

2.3 快速型NOx

快速型NOx生成量通常占總NOx的5%以下，主要由燃料中的CH基團(tuán)和空氣中的N2反應(yīng)，一般在富燃（燃料充足，O2含量少）條件下產(chǎn)生。由于反應(yīng)速度較快，所以稱之為快速型NOx。其影響因素主要是O2濃度，和溫度關(guān)系不大。

3 低NOx燃燒技術(shù)

3.1 燃料分級燃燒技術(shù)

將燃燒分為主燃燒區(qū)、還原區(qū)、燃盡區(qū)三個(gè)區(qū)域。

主燃燒區(qū)也稱一次燃燒區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)降低氧濃度，堵住部分二次風(fēng)管，使其保持弱還原性或氧化性氣氛。NOx的生成機(jī)理表明，NOx主要生成在高溫，氧含量高的區(qū)域，采取上述措施后，在主燃燒區(qū)由于氧量不足，溫度和燃燒速度都下降，從而抑制了熱力型NOx的生成，同時(shí)由于氧氣含量低，N2的形成將會加強(qiáng)。氧氣含量降低，鍋爐出力下降，所以要保證鍋爐的出力，將部分空氣和煤粉從鍋爐的上部投入，可以控制燃燒火焰中心區(qū)域助燃空氣的數(shù)量，避免高氧濃度和高溫的同時(shí)存在。

還原區(qū)又稱再燃燒區(qū)，再燃燃料又稱為二次燃料。將再燃燃料送入還原區(qū)，還原區(qū)過量空氣系數(shù)小于1，因此該區(qū)域?yàn)檫€原性氣氛，燃料中的N分解生成的NH，HCN等中間活性產(chǎn)物（碳?xì)湓訄F(tuán)），將一部分NO還原，主要生成N2，從而抑制NOx的形成。還原區(qū)的溫度越高，燃料在此區(qū)域內(nèi)停留的時(shí)間越長，還原反應(yīng)越充分，降低NOx生成的效果更好，但在實(shí)際操作中由于條件的限制，不可能有過長的停留時(shí)間，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)確定最佳送入燃料的位置和最佳停留時(shí)間的值。

燃盡區(qū)在還原區(qū)的上方，該區(qū)域的作用是使之前的再燃燃料燃盡，因此在此區(qū)域內(nèi)通一定量的空氣（燃盡風(fēng)），盡量使再燃區(qū)出來的燃料燃盡。在燃燒過程中仍會產(chǎn)生少量的NOx，但是經(jīng)過前面的兩個(gè)區(qū)域，NOx含量已大大減少。

3.2 濃淡燃燒技術(shù)

該技術(shù)主要是調(diào)節(jié)氧量，即過量空氣系數(shù)a，使其各部分的過量空氣系數(shù)a大于或小于1，所以又稱為偏差燃燒或非化學(xué)當(dāng)量燃燒。在氧量不足情況下燃燒時(shí)，燃燒溫度較低，因此燃料型和熱力型NOx的生成量都會降低。氧量過量的情況下，由于空氣過多，燃燒溫度也不高，熱力型NOx的生成量也會降低。無論是氧量不足還是過量，生成的NOx都會比常規(guī)燃燒少，這種方法可以用在多層布置燃燒器的電站鍋爐上，調(diào)節(jié)燃料和空氣在各層燃燒器的比例，可以在保持進(jìn)入鍋爐總風(fēng)量不變的前提下，實(shí)現(xiàn)降低NOx排放的目的。

3.3 低氮燃燒器

（1）分割火焰型燃燒器。通過把一個(gè)大火焰分成多個(gè)小型火焰，增大了火焰的整體散熱面積，降低了火焰溫度，減少了熱力型NOx的產(chǎn)生，另外，較小的火焰也縮短了燃料與氧氣在火焰里的停留時(shí)間，抑制了燃料型和熱力型NOx的產(chǎn)生。

（2）自身再循環(huán)燃燒器。通過助燃空氣的壓頭，從空氣預(yù)熱器前抽取一部分煙氣，在燃燒器內(nèi)和空氣混合燃燒，由于煙氣的再循環(huán)，使整體溫度提高，燃燒溫度降低，抑制了熱力型NOx的生成。

（3）混合促進(jìn)型燃燒器。燃燒過程中NOx生成量的多少與燃料在高溫區(qū)的停留時(shí)間密切相關(guān)，該種燃燒器可以改善燃料與空氣的混合情況，減薄火焰面的厚度，因此縮短了燃料在高溫區(qū)的停留時(shí)間，抑制了NOx的生成，同時(shí)可以保證燃燒負(fù)荷的穩(wěn)定。

4 結(jié)語

由于我國能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以改變，國家對環(huán)保問題日益重視，因此在燃煤電廠中應(yīng)采取低氮燃燒方式來控制NOx的排放，從NOx的生成機(jī)理可以看出，影響NOx生成的主要因素是氧量（過量空氣系數(shù)）和燃燒溫度，以及與火焰接觸的時(shí)間，因此，應(yīng)著重從這幾方面入手，改進(jìn)脫氮技術(shù)，研發(fā)新型燃燒器，彌補(bǔ)目前設(shè)備的不足，為此我們?nèi)孕柙趯?shí)踐中不斷探索和總結(jié)。

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作者簡介：李聞達(dá)（1998-），男，山東日照人，本科在讀，研究方向：能源與動(dòng)力。