燃煤鍋爐低氮燃燒控制分析

滕翔宇 胡崇

摘 要：在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中，燃煤鍋爐是重要的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，在其運(yùn)行中燃燒燃料會(huì)產(chǎn)生大量氮氧化物，如果未經(jīng)有效處理，就會(huì)嚴(yán)重影響到環(huán)境質(zhì)量。文章分析了燃煤鍋爐運(yùn)行中氮氧化物生成機(jī)理，以及當(dāng)前對(duì)氮氧化物的治理現(xiàn)狀，探討低氮燃燒技術(shù)方案的應(yīng)用，綜合多方面因素設(shè)計(jì)研發(fā)，保證實(shí)際成效。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐;氮氧化物;生成機(jī)理;低氮燃燒

1 氮氧化物生成機(jī)理

1.1 燃料型氮氧化物

人為排放氮氧化物中，燃料型氮氧化物是重要組成部分，根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示此類(lèi)型氮氧化物在氮氧化物總排放量中占比達(dá)到了75%。具體存在多項(xiàng)因素會(huì)影響到燃料型氮氧化物的生成，與空氣系數(shù)過(guò)量、燃燒溫度、煤種特性相關(guān)。還會(huì)受到燃料中氮受熱分解揮發(fā)分、焦炭比例和成分等因素影響。

1.2 熱力型氮氧化物

熱力型氮氧化物的主要來(lái)源就是空氣，在高溫下與氧氣反應(yīng)生成氮氧化物。在氮氧化物中，熱力型氮氧化物的占比較小，大約占比為20%，主要是溫度因素和氧量影響熱力型氮氧化物的生成。

1.3 快速型氮氧化物

在總氮氧化物中，快速型氮氧化物生成量占比低于5%，在富燃條件下表燃料中CH基團(tuán)、空氣中氮?dú)夥磻?yīng)而產(chǎn)生。其反應(yīng)速度快因而稱(chēng)之為快速型氮氧化物，主要受氧氣濃度影響，溫度因素影響較少[1]。總的來(lái)講，影響燃燒過(guò)程中氮氧化物形成的因素主要就是空氣-燃料比、燃燒空氣預(yù)熱溫度、燃燒區(qū)冷卻程度和燃燒器形狀。可以通過(guò)減少送入燃燒器過(guò)剩空氣、降低火焰溫度和燃燒室熱強(qiáng)度、采用二段燃燒、煙氣再循環(huán)等方式來(lái)降低氮氧化物濃度。

2 氮氧化物治理現(xiàn)狀

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了氮氧化物危害性、燃煤發(fā)電燃燒中氮氧化物生成機(jī)理和降低控制技術(shù)的研究，氮氧化物的控制方法主要是燃燒前、燃燒中和燃燒后處理。在燃燒前，將燃料轉(zhuǎn)化為低氮燃料來(lái)脫氮，此類(lèi)型技術(shù)比較復(fù)雜、操作難度高、成本大，因此實(shí)際應(yīng)用并不廣。燃燒中脫氮方法，一方面是抑制燃燒中形成氮氧化物，另一方面是對(duì)已形成的氮氧化物還原處理。燃燒后脫氮主要指的是煙氣脫硝，具體方法有選擇性催化還原法、選擇性非催化還原法。當(dāng)前在燃煤鍋爐中將氮氧化物方法的應(yīng)用相對(duì)廣泛，主要是燃燒中低氮燃燒技術(shù)、燃燒后煙氣脫硝技術(shù)。燃燒中依據(jù)氮氧化物生機(jī)理采取相關(guān)低氮控制技術(shù)脫氮，包括低氧燃燒技術(shù)、空氣分級(jí)燃燒技術(shù)和煙氣再循環(huán)技術(shù)等。燃燒器需縱向布置，還原、主還原和燃盡三區(qū)形成。同時(shí)，布置四角切圓燃燒鍋爐時(shí)采用橫向雙區(qū)形式，分為近壁區(qū)和中心區(qū)，爐膛中燃料和配風(fēng)燃燒得以分區(qū)、分級(jí)、低溫、低氧進(jìn)行，此時(shí)燃煤鍋爐運(yùn)行中不會(huì)生成大量氮氧化物。

低氮燃燒技術(shù)工藝發(fā)展成熟，且實(shí)際投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，使用低氮燃燒器可以有效降低氮氧化物形成，之后進(jìn)行煙氣脫硝處理，進(jìn)一步降低脫硝設(shè)施入口氮氧化物濃度，保證其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。在當(dāng)前降低氮氧化物排放的技術(shù)中，應(yīng)用最廣、操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)就是低氮燃燒技術(shù)，但其局限之處就在于降低氮氧化物排放的程度有效，且需降低燃燒溫度和降低煙氣中氧濃度等，這些措施都不利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，甚至?xí)沟檬軣崦媸艿竭€原性氣氛的腐蝕，不合理增加飛灰含碳量的情況下還會(huì)影響到鍋爐運(yùn)行效率[2]。

3 燃煤鍋爐低氮燃燒控制分析

3.1 空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

應(yīng)用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)低氮燃燒控制下，要在爐內(nèi)送入充足的空氣，使燃料在其中可以分級(jí)分段燃燒，該技術(shù)在低氮控制運(yùn)行中應(yīng)用廣泛。實(shí)際應(yīng)用中，需要分兩級(jí)將燃燒用空氣送入，在第一級(jí)燃燒區(qū)將總?cè)紵諝?0%～90%的量從主燃燒器供入爐膛，確保在缺氧的富燃料燃燒條件下燃燒，此時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)低于1，因此其燃燒速度、溫度水平也進(jìn)一步降低。由于燃燒條件為缺氧的富燃料燃燒，因此其燃燒過(guò)程被延遲，燃料在還原性氣氛中燃燒進(jìn)而生成一氧化碳，分解燃料中有機(jī)氮為HCN和-CN等，其相互符合、還原分解已有氮氧化物，燃料生成被抑制，同時(shí)降低了火焰峰值溫度和熱力型氮氧化物的生成。

各種類(lèi)型氮氧化物的生成量會(huì)在很大程度受到燃燒區(qū)氧濃度的影響，過(guò)量空氣系數(shù)在1以上時(shí)，燃燒區(qū)處于貧氧燃燒狀態(tài)下，可以顯著抑制氮氧化物的生產(chǎn)。根據(jù)該原理，減少供給燃燒區(qū)的空氣量，使其在燃燒總空氣用量的70%左右，以降低燃燒區(qū)氧濃度和溫度水平。第一級(jí)燃燒區(qū)中可以使燃燒過(guò)程被推遲，進(jìn)而有效抑制燃燒中生成氮氧化物。在通過(guò)燃燒器燃燼風(fēng)噴口送入爐膛后，燃燒剩余空氣會(huì)混合與第一級(jí)產(chǎn)生煙氣，從而完成全過(guò)程燃燒。

共有兩種爐內(nèi)空氣分級(jí)燃燒方式，分別是軸向和徑向空氣分級(jí)燃燒。軸向空氣分級(jí)分兩部分將燃燒需要空氣送入爐膛，包含主二次風(fēng)站總風(fēng)量70%～85%，以及展總二次風(fēng)量15%～30%的燃燼風(fēng)。爐內(nèi)分為熱解區(qū)、貧氧區(qū)和富氧區(qū)三個(gè)燃燒區(qū)。徑向空氣分級(jí)燃燒是在垂直于煙氣流的爐膛截面上進(jìn)行的，通過(guò)二次風(fēng)射流部分向爐墻偏向?qū)崿F(xiàn)的。應(yīng)用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)的過(guò)程中，需注意其存在二段空氣量過(guò)大的問(wèn)題，會(huì)產(chǎn)生較大的完全燃燒損失，煤粉爐在還原性氣氛因素作用下則容易結(jié)渣和腐蝕。

3.2 燃料分級(jí)燃燒技術(shù)

可以將燃燒區(qū)域分為主燃燒區(qū)、還原區(qū)和燃盡區(qū)三個(gè)區(qū)域。主燃燒區(qū)也是一次燃燒區(qū)，將部分二次風(fēng)管堵住后，可以降低主燃燒區(qū)氧濃度，同時(shí)保持其弱還原性和氧化性氣氛。氮氧化物的生成機(jī)理表面，高溫條件下容易生成氮氧化物。氧含量高的區(qū)域采取桑樹(shù)措施，會(huì)使得主燃燒區(qū)在氧量不足的情況下，降低溫度、燃燒速度，從而抑制生成熱力型氮氧化物，在低含氧量下會(huì)加強(qiáng)氮?dú)獾男纬伞Ｆ渲醒鯕夂坎粩嘟档偷那闆r下，也會(huì)減弱鍋爐出力，需將需要的部分空氣、煤粉從鍋爐上部投入以保證有足夠出力，控制好燃燒火焰中心區(qū)助燃空氣量，高氧濃度和高溫情況則不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生。

還原區(qū)也被稱(chēng)為再燃燒區(qū)，將再燃燃料送入還原區(qū)，其過(guò)量空氣系數(shù)在1以下，因此此區(qū)域?yàn)檫€原性氣氛，分解燃料中N生產(chǎn)NH和HCN等中心活性產(chǎn)物，還原部分NO、生成N2，以抑制氮氧化物形成。還原區(qū)溫度越高，其燃料停留時(shí)間也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)愈加充分的還原反應(yīng)，從而減少生成的氮氧化物量。但在實(shí)際應(yīng)用中，受條件限制影響，其停留時(shí)間不可過(guò)長(zhǎng)，需要多次實(shí)驗(yàn)以確定合理的燃料送入位置和停留時(shí)間。還原區(qū)上方為燃盡區(qū)，此區(qū)域作用是燃盡之前的再燃燃料，需通入一定量空氣，燃盡再燃區(qū)燃料。燃燒中仍會(huì)產(chǎn)生氮氧化物，但經(jīng)過(guò)此前兩個(gè)環(huán)節(jié)其含量大幅度降低。

3.3 優(yōu)化調(diào)整擺角、燃盡風(fēng)和煤粉細(xì)度

燃煤鍋爐運(yùn)行中，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整擺角和燃盡風(fēng)也可有效控制低氮燃燒，適當(dāng)上傾調(diào)整燃盡風(fēng)傾角則爐膛兩側(cè)不會(huì)出現(xiàn)溫差。在鍋爐總風(fēng)量溫度的情況下，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行，負(fù)荷提升下合理加大燃盡風(fēng)擋板，以降低排放的氮氧化物和飛灰。對(duì)燃盡風(fēng)的控制可以降低含氧量，在低氧燃燒狀態(tài)下鍋爐爐膛上部燃燒加強(qiáng)，火焰中心隨之上移，有效抑制氮氧化物生成，實(shí)際鍋爐運(yùn)行中低氮燃燒效率提高。

煤粉細(xì)度也是影響低氮燃燒的重要因素，其中空氣分級(jí)燃燒中尤為顯著。在一次風(fēng)噴口安裝鈍體穩(wěn)燃器，在分級(jí)程度高的情況下，排放的細(xì)煤粉濃度高于粗煤粉，煤粉細(xì)度越大，更容易釋出其中揮發(fā)成分，加大與空氣接觸表面積，而提前著火、溫度升高。此狀態(tài)下，焦炭可以更墻里還原NO，使排放的氮氧化物排放濃度降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

在工業(yè)生產(chǎn)燃煤鍋爐運(yùn)行中，需采用合理的低氮燃燒方式控制氮氧化物排放，依據(jù)其生成機(jī)理改進(jìn)脫氮技術(shù)，不斷研發(fā)新型低氮燃燒技術(shù)和新型燃燒器，有效控制其排放和污染問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳俊峰，趙利崗.燃煤鍋爐污染物控制新工藝的研究和試驗(yàn)[J].百科論壇電子雜志，2019（16）：459-464.

[2]孟志國(guó).燃煤鍋爐低氮燃燒優(yōu)化策略分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2020（11）：4050.