大型燃煤電站鍋爐低NOx燃燒及其排放特性的研究

馮劍鋒

（廣西桂能科技發(fā)展有限公司 廣西南寧 530000）

大型燃煤電站鍋爐低NOx燃燒及其排放特性的研究

馮劍鋒

（廣西桂能科技發(fā)展有限公司 廣西南寧 530000）

通過(guò)對(duì)不同要求的鍋爐效率以及燃煤電站NOx燃燒排放濃度分析，優(yōu)化變權(quán)重，來(lái)提高燃煤電站鍋爐低NOx燃燒效率和排放濃度，綜合權(quán)衡燃煤電站鍋爐低NOx燃燒和排放濃度之間的平衡點(diǎn)。根據(jù)工況特點(diǎn)確定雙目標(biāo)最優(yōu)參數(shù)后，可以指導(dǎo)大型燃煤電站鍋爐優(yōu)化運(yùn)行。本文將對(duì)大型燃煤電站鍋爐低NOx燃燒運(yùn)行進(jìn)行分析綜述，并在此基礎(chǔ)上就其排放特性影響因素談一下個(gè)人的觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)，僅供參考。

NOx；燃燒；排放；大型燃煤電站；鍋爐；研究

對(duì)于大型燃煤電站而言，鍋爐中的NOx燃燒率與排放是一對(duì)矛盾體，二者之間存在著一定的關(guān)聯(lián)性。如何進(jìn)行低NOx燃燒、減少排放，是一個(gè)非常重要的研究課題，關(guān)系著我國(guó)大型燃煤電站以及工業(yè)建設(shè)事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 低NOx燃燒運(yùn)行概述

1.1 煤燃燒過(guò)程中NOx生成原理

實(shí)踐中，若想研究煤燃燒時(shí)生成的NOx和影響因素，就必須對(duì)NOx的多種反應(yīng)進(jìn)行考慮，有學(xué)者通過(guò)均相模型分析了超過(guò)二百種基元反應(yīng)。雖然研究的均相反應(yīng)能夠有效模擬如何生成NOx，但是在應(yīng)用實(shí)踐中，僅有反應(yīng)方程是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。比如，固、液燃料在燃燒過(guò)程中，涉及到很多種反應(yīng)類型；氣體燃料在燃燒過(guò)程中，可能會(huì)與其它燃料的燃燒反應(yīng)相關(guān)。然而，方程的計(jì)算一般都比較復(fù)雜，研究時(shí)很難準(zhǔn)確闡明各組對(duì)生成NOx產(chǎn)生的影響。實(shí)踐中，通常將NOx生成分為快速、熱力以及燃料類等幾種NOx。就熱力型NOx而言，實(shí)際上就是空氣中的氮?dú)猓诟邷貤l件下氧化成氮氧化物。根據(jù)該反應(yīng)機(jī)理，氮?dú)庠诟邷貤l件下被氧化，其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)如下：

2N+O→NO+N①

2N+O→NO+O②

N+OH→NO+H③

氮分子在分解過(guò)程中，需要較大的活化能，該反應(yīng)需在高溫條件下進(jìn)行。從這一層面來(lái)講，上述反應(yīng)的速率主要決定于①。

1.2 煤燃燒過(guò)程中生產(chǎn)NOx的基本原理

在煤燃燒過(guò)程中，生成NOx時(shí)，包括了均相燃燒、殘焦燃燒等。在富氧條件下，氮化合物在火中持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，則氧化就越充分，生成的NOx量就越高。

焦炭燃燒過(guò)程中生成的NOx，主要決定于以下因素，即焦炭燃燒時(shí)轉(zhuǎn)化的NOx、NOx與一氧化碳和焦炭發(fā)生還原反應(yīng)。其中，前者主要決定于焦炭含氮量、含氧量以及燃燒時(shí)的溫度，轉(zhuǎn)化的NOx量隨著氮、氧的含量增加而不斷增加。隨著溫度的不斷升高，逐漸增加了焦炭燃盡率，生成的NOx量也隨之增加。一氧化碳、焦炭表面，會(huì)對(duì)NOx還原分解，從而減少NOx，反應(yīng)方程式如下：

2NO+α（-C）→0.5N+（2α-1）CO+（1-α）CO

上式中的α與碳粒類型、溫度關(guān)系密切，其反應(yīng)機(jī)理是在吸附在碳原子上的兩個(gè)NO分子發(fā)生反應(yīng)。其中一個(gè)碳原子與氧原子結(jié)合，生成-C-O；另一個(gè)則吸附氮原子，生成-C-N。從上述機(jī)理來(lái)看，焦炭燃燒過(guò)程中生成的NOx，是氮析出時(shí)與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的NOx向外、向內(nèi)擴(kuò)散。其中，向內(nèi)擴(kuò)散者因在缺氧而在焦炭?jī)?nèi)表明、外表面被還原成氮?dú)狻Ｔ谠摲磻?yīng)中，焦炭孔隙的大小，起到了非常重要的作用。

1.3 爐內(nèi)燃燒過(guò)程中的NOx生成原理

在爐內(nèi)燃燒時(shí)，生成NOx的過(guò)程主要包括三個(gè)部分，即快速、熱力以及燃料型NOx，各部分比例不盡相同。對(duì)于快速型NOx而言，即便是在α＞1工況下，局部區(qū)域因混合不均而造成富燃料區(qū)域。在此區(qū)域范圍內(nèi)，還會(huì)生成快速型NOx。實(shí)踐中可以看到，因其生成的時(shí)間非常的短，生成量不超過(guò)總量的5%，所以完全可以忽略之。實(shí)踐中可以看到，在很多情況也會(huì)對(duì)生成熱力型NOx產(chǎn)生影響。比如，如爐內(nèi)溫度、氧含量以及煤炭類型和爐內(nèi)混合狀況等。通常情況下，在煤粉燃燒火焰中，熱力型NOx占比約20%，溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響比較大。NO（x燃料）在NOx總排放量中約占75%，其又可以分為揮發(fā)分、焦炭?jī)刹糠諲Ox，以前者為重。在初始燃燒階段，工況條件對(duì)其產(chǎn)生的影響比較大；對(duì)于焦炭型NOx而言，受工況條件的影響相對(duì)較小。煤粉燃燒過(guò)程中，其基本機(jī)理如圖1所示。

圖1 煤粉燃燒過(guò)程中的NOx生成基本原理示意圖

基于圖1，煤粉爐中沿火焰向生成的NOx分三個(gè)流程，各流程對(duì)應(yīng)爐內(nèi)燃燒的各個(gè)階段，即初始、揮發(fā)分以及焦炭三個(gè)燃燒階段。其中，第一個(gè)階段中氧含量比較高，溫度卻非常的低，此區(qū)域生成的NOx量也比較少；第二個(gè)階段中爐內(nèi)的溫度非常的高，而且氧含量也非常的高，生成NOx的反應(yīng)速度也比較快，生成量急增。隨著爐溫不斷升高，接近最高值時(shí)，生成量達(dá)到極限；第三個(gè)階段中的溫度、氧量明顯下降，雖然焦炭燃燒過(guò)程中不斷生成NOx，但因存在著NOx而被還原分解，NOx的總量基本持衡或有減少。

2 影響NOx排放特性的因素分析

在大型燃煤電站鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，影響NOx生成情況的因素比較多，比如鍋爐設(shè)計(jì)、運(yùn)行因素和煤質(zhì)特點(diǎn)及屬性等。對(duì)于鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這一影響因素而言，其又可以細(xì)分成燃燒方式（比如前墻式、對(duì)沖式以及切向燃燒式等）、鍋爐本身的容量、燃燒器結(jié)構(gòu)以及區(qū)熱負(fù)荷等。從運(yùn)行參數(shù)來(lái)看，又有負(fù)荷、二次風(fēng)配風(fēng)、過(guò)氧量以及一次風(fēng)率等因素。同時(shí)，煤質(zhì)也是一個(gè)非常重要的影響因素，其中包含了揮發(fā)分含量、燃料比以及氮含量和碳?xì)浔鹊取?shí)踐中可以看到，鍋爐設(shè)計(jì)因素具有固定性，所以本文僅探討鍋爐運(yùn)行參數(shù)、煤質(zhì)燃料的特性等因素，對(duì)NOx產(chǎn)生及排放量產(chǎn)生的影響。

2.1 燃料特性

對(duì)于燃煤鍋爐中的NOx排放而言，主要來(lái)自于燃料含氮。從整體上來(lái)看，燃料中的氮含量高，NOx排放量就會(huì)越大，燃料中的含氮形式不同，其生成量也會(huì)發(fā)生改變。隨著燃煤揮發(fā)分不斷增加，因著火提早、平均值和溫度峰值提高，增加了熱力型NOx，并且燃料型NOx也呈上升之勢(shì)，NOx的總量增加。煤揮發(fā)成分中元素比會(huì)對(duì)NOx的實(shí)際生成量產(chǎn)生影響，煤中的氧、氮之比越大，在排放的NOx量就越高。氮之比相同時(shí)，轉(zhuǎn)化率、過(guò)量空氣系數(shù)之間存在這一定的關(guān)系，系數(shù)越大，轉(zhuǎn)化率越高，排放的NOx量也會(huì)增加。

2.2 “三項(xiàng)指標(biāo)”對(duì)NOx量產(chǎn)生的影響

這里所講的三項(xiàng)指標(biāo)，即過(guò)量空氣系數(shù)、過(guò)氧量以及總空氣量，三者對(duì)生成的NOx量產(chǎn)生的影響非常的顯著。其中，過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)熱力型、燃料型NOx均會(huì)產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)（α）在0.8～1.1之間時(shí)，隨著α的不斷增加，煤炭燃料的燃燒就越充分，煤爐中的溫度也會(huì)隨之升高，燃料型、熱力型NOx增加；當(dāng)α大于1.1時(shí)，隨著α的不斷增加，空氣總量也隨之增加，爐中的溫度就會(huì)逐漸降低，此時(shí)熱力型NOx生成量減少，而燃料型NOx不斷增加。整體而言，隨著α的不斷增加，NOx排放量先增后緩。在沒(méi)有分級(jí)燃燒情況下，過(guò)量空氣系數(shù)的降低，可使NOx的排放量降低20%。然而，這樣會(huì)因不完全燃燒而造成損失，或者導(dǎo)致水冷壁高溫腐蝕。在過(guò)量空氣系數(shù)選擇過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)綜合考慮各方面的因素。

2.3 一、二次風(fēng)率對(duì)生成NOx量的影響

對(duì)于一次風(fēng)量而言，主要是為了有效滿足前期燃燒，而且與煤質(zhì)揮發(fā)份之間存在著非常密切的關(guān)系。如果一次風(fēng)率太大，則二次風(fēng)旋流就會(huì)減弱，無(wú)法形成良好的風(fēng)包火燃燒，而且對(duì)水冷壁難以起到很好的保護(hù)作用，甚至導(dǎo)致火炬刷墻。需要強(qiáng)調(diào)的是，一次風(fēng)率太小，風(fēng)速就會(huì)降低，此時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致煤粉管堵粉或者著火點(diǎn)提前，對(duì)噴口的安全產(chǎn)生威脅；同時(shí)，一次風(fēng)的剛性變?nèi)酰物L(fēng)強(qiáng)大旋流引射后會(huì)提前混合，以致于燃燒混亂、溫度降低，無(wú)法進(jìn)行分級(jí)燃燒，而且灰渣的燃燼度非常的差。

2.4 燃盡風(fēng)產(chǎn)生的影響

從實(shí)踐來(lái)看，燃盡風(fēng)通常對(duì)NOx的實(shí)際排放量會(huì)產(chǎn)生較大的影響。燃盡風(fēng)量不斷增加，會(huì)導(dǎo)致燃燒器（下層）風(fēng)量變小，煤粉前期的燃燒就會(huì)處于貧氧狀態(tài)。同時(shí)，分級(jí)燃燒非常的明顯，NOx實(shí)際排放量明顯減少。研究發(fā)現(xiàn)，保持穩(wěn)定的總二次風(fēng)量、提高燃盡風(fēng)率，就會(huì)降低主燃區(qū)的氧濃度，抑制了NOx的生成。然而，燃盡風(fēng)率的不斷增加，會(huì)降低主燃區(qū)的二次風(fēng)量，導(dǎo)致二次風(fēng)旋流剛性變差、強(qiáng)度減弱，無(wú)法形成理想的風(fēng)包火燃燒狀態(tài)。

2.5 負(fù)荷產(chǎn)生的影響

鍋爐負(fù)荷的不斷增加，會(huì)降低爐中的過(guò)量空氣系數(shù)，對(duì)NOx生成燃料的用量減少有幫助。同時(shí)，隨著爐中用煤量的不斷增加，溫度不斷升高，NO（x熱力型）排放量明顯有所增加。NOx總排放量隨著負(fù)荷的不斷增加而增加，鍋爐的熱效率在正常運(yùn)行狀態(tài)下隨著負(fù)荷的不斷增大而增大，然而變化并不明顯。

2.6 煤粉細(xì)度產(chǎn)生的影響

實(shí)踐中可以看到，煤粉越細(xì)，加熱、燃燒就越快，爐中溫度越高，從而使NO（x熱力型）量增加。煤粉加熱比較快，而且溫度峰值比較高，煤粉燃盡度非常的高，與空氣容易混合，NO（x燃料型）增加。隨著煤粉細(xì)度的不斷增加，燃盡度、燃燒穩(wěn)定性越好，NOx生成總量增加，磨煤機(jī)耗能增大。利用細(xì)煤粉進(jìn)行低氧燃燒，NOx的生成量就會(huì)減少。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了優(yōu)化低NOx燃燒一般方法，在外來(lái)發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)編制功能齊全、界面完善的低NOx燃燒控制系統(tǒng)，結(jié)合DCS系統(tǒng)，對(duì)大型燃煤電站鍋爐低NOx燃燒閉環(huán)控制。

[1]劉海峰.電站燃煤鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)研究[D].華北電力大學(xué)，2012.

[2]張清福.電廠鍋爐低NOx燃燒系統(tǒng)技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2013.

X701.3

A

1004-7344（2016）26-0235-02

2016-8-29

馮劍鋒（1988-），男，漢族，廣西南寧人，助理工程師，本科，主要研究方向?yàn)闊崮茈娏ο到y(tǒng)試驗(yàn)及調(diào)試。