淺析燃煤鍋爐低氮燃燒技術

鄭詩坤 孫茂泰

【摘 要】在經濟快速發展的今天，人民的生活水平逐漸提高，現代化技術以在生產生活中普遍應用，經濟的發展勢必帶來能源的消耗，環境問題也隨之而來。本文對NOx的產生途徑以及控制措施、低氮燃燒技術分類介紹、低氮燃燒技術存在的問題做了簡單介紹，這對低氮燃燒技術在燃煤鍋爐中的應用具有一定現實意義。

【關鍵詞】低氮燃燒技術；鍋爐；措施

引言：從有關機構的調查數據得知，目前我國目前化工能源行業二氧化硫的排放量已經超過1500萬噸，氮氧化物的排放量已經超過2500萬噸。按當下發展趨勢，在2025年的氮氧化物排放量將達到3500萬噸。由此引發的環境問題已經受到社會各界廣泛關注，發展必須做好環境治理工作。在2014年7月出臺的《火電廠大氣污染物排放標準》中要求二氧化氮的排放濃度不得高于100mg/m3，這一標準的推出使得各家鍋爐企業對自己的排放更加重視，鍋爐系統產生的煙氣中二氧化硫和氮氧化物更是標準中的重點。這一標準的制定UI與煙氣污染控制有著十分重要的意義。

當下燃煤鍋爐脫硝技術的研究重點主要還是放在熱反應中的NOx控制以及熱反應后的NOx控制。在國際交流中通常將熱反應中的NOx控制手段叫做一次措施。將熱反應后的NOx控制手段叫做二次措施，這就是我們常說的煙氣脫硝技術。文章主要對燃煤鍋爐燃燒過程中普遍使用的部分以及部分注意。

1.NOx的產生途徑以及控制措施

1.1 NOx的產生路徑及類型

NOx是主要的空氣污染源之一，當它的濃度達到一定限制后會對人體產生極大危害，這也對于公共安全造成威脅。在燃煤鍋爐系統工作中會產生大量氮氧化物，根據運行情況的不同，如原料熱反應情況和熱能動力情況的變化，都會導致產生的NOx也不同。在熱反應中形成的NOx是由于原料本身就含有一定的含氮量，含氮化合物在燃燒中轉化為氮氧化物。在熱反應達到700±100℃時，原料中的含氮化合物就會氧化成氮氧化物。與此同時的氮氧化物合成與分解都是由原料特性及組成決定的，體系溫度也會對氮氧化物的合成分解產生一定影響。但在熱作用下形成的氮氧化物有所不同，它的來源主要是空氣中的氮氣，在高溫中氧化形成氮氧化物。與此同時燃燒溫度也會對NOx的類型產生影響。當反應溫度超過1500℃時，NOx生成路徑原理服從阿累尼烏斯定律，而且它的產生路徑是隨溫度的變化而變化的，當反應溫度越高，它的產生速率也會呈指數模型增長。與此同時，加速產生的NOx是指有機原料過度燃燒情況下導致的燃燒區附近NOx加速產生，但在規模化的生產中，這種情況下在實際中并不常見。

1.2 NOx控制措施

我們從前方給出的反應路徑可以得知，關于NOx的控制措施可以從燃燒前、燃燒過程中以及燃燒后三個階段分別入手。應用不同的控制手段對它的產生進行抑制，降低NOx的生成量，達到污染控制目的。原料脫氮處理是可以有以減少NOx生成及環境影響的，具體辦法就是在原料進爐之前就將其中的含氮化合物提取出來，轉化為低氮原料，這就會減少NOx在燃燒中的生成，源頭控制污染的產生。但依目前的技術，這種方法并不是適合大規模生產，因為它使用的設備較為復雜，對技術水平要求高、難度大，這就限制了它在工程中的應用前景。其次介紹燃燒過程中的控制，在過程中的NOx生成脫氮處理技術包括兩種手段，一是對燃燒過程中產生的NOx進行控制；二是對已生成的NOx利用還原反應進行減少。對燃燒過程中產生的NOx進行控制，是依據它的產生路徑中分析得出，簡單來說就是控制反應溫度和燃燒區的氧含量、減少原料在高溫去的停留時間兩個方面完成的。目前，鍋爐系統流程中就是按照這個原理設計的。同時，還要對產生的NOx進行還原反應處理，這樣又可以再次降低NOx含量，達到控制目的。這兩個過程就是我們所說的燃燒過程中的脫氮技術。行業較為普及的煙氣脫硝處理技術方法包括選擇性催化還原法和選擇性非催化還原法等，經過在燃燒排放煙氣過程中加入含氮還原劑，使其在一定溫度下與煙氣中的氮氧化物進行相互還原反應，從而生成氮氣和水，以減少其危害影響。其中，SCR技術作為一種選擇性催化還原法在鍋爐燃燒煙氣脫硝工藝中就具有較為廣泛的應用。

2.低氮燃燒技術分類介紹

低氮燃燒技術主要是依靠降低熱反應區溫度，較小的空氣系數，減少原料在高溫區的停留時間等手段達到降低NOx濃度的目的，這一手段是減少燃煤鍋爐尾氣排放中NOx濃度應用最廣泛的技術。并且因為低氮燃燒技術發展較為成熟，而且投入和運行費用較低，已經受到行業的認可。

2.1燃燒分級技術

燃燒分級技術是在鍋爐腔體形成初始燃燒區的上方二次加入燃料，通過這個手段形成富燃料燃燒的再燃區，NOx會在這個區域被還原成N2。燃燒分級技術原理是通過使不完全燃燒的產物充分燃燒來減少氮氧化物的產生，需要在再燃區的上面布置燃盡風噴口。燃燒分級技術的目的是改變再燃燒區原料與空氣配比；這個技術的缺點是由于為了解決不充分燃燒問題而需要增加新的配風系統，加大投資和維護難度。

2.2空氣分級燃燒技術

空氣分級燃燒技術（OFA）是目前行業使用率較高的低氮燃燒技術，該技術原理是將熱反應過程劃分。OFA技術是將燃燒用風分為兩次：一次風和二次風，這樣做是為了目的是減少燃料燃燒區域的一次進風量，用這個辦法來調節燃燒區域的燃料濃度，延緩一次風和二次風的混合時間，這樣富燃料區就會在爐膛中形成，燃料在富燃料區進行缺氧燃燒，以降低燃料型NOx的生成。缺氧燃燒產生的煙氣還有未充分燃燒的煙氣，這些煙氣經過二次風，燃料就會燃燒充分。空氣分級燃燒技術又分水平方向和垂直方向燃燒技術，兩個技術相輔相成。

（1）水平方向空氣分級燃燒技術。這種燃燒是在煙氣垂直的爐膛斷面上組織分級燃燒，它是通過將一次風和二次風不等切圓，部分二次風射流偏向爐墻來實現的。該技術通過讓主燃燒區形成還原氣氛，使氮氧化物還原為氮氣來降低NOx的濃度，還可使氧化性氣氛形成在在爐墻附近，所以可以降低水冷壁的高溫腐蝕程度以及因還原性氣氛使灰熔融性溫度下降而導致的燃燒器附近結渣。

（2）垂直方向上空氣分級燃燒技術。將燃料所需的空氣分成2部分送入爐膛：一部分為主二次風，另一部分為燃盡風。因此，在熱反應中會分成3個區域，即熱解區、貧氧區和富氧區。上部燃盡風送入爐膛時，已經避開了高溫火焰區，使未燃盡產物能夠完全燃燒。

3.低氮燃燒技術存在的問題

低氮燃燒技術在應用中最為廣泛，而且技術簡單，投入較小。燃煤鍋爐尾氣中污染物眾多，但NOx是唯一可以通過改進燃燒方式來減少濃度的污染物。工程中應用的低氮燃燒技術也會遇到各種問題。

（1）不完全燃燒損失的增加時由于在二段空氣量過大，經驗來看，當二次風的氣量是總量的15%～20%效果較好。

（2）較低溫度、較低氧量的燃燒環境會降低鍋爐的燃燒效率，在不提高燃料（例如煤粉）細度的情況下，飛灰可燃物含量會增加；由于在燃燒器區域缺氧燃燒，爐膛壁面附近的CO含量增加，可能會引起水冷壁管的金屬腐蝕。

4.結語

文章對低氮燃燒技術在燃煤鍋爐煙氣脫硝中的應用進行研究分析，希望提供給有興趣的研究人員一些有利于鍋爐燃燒煙氣脫硝工藝發展的幫助，為降低煙氣排放污染影響出一份力。

參考文獻：

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[2] 劍明，武新崗.煤粉爐低氮燃燒及煙氣脫硝改造設計 典型示范[J].環境科學導刊，2017，36（5）：59-61.

（作者單位：華能海南發電股份有限公司東方電廠）