低氮燃燒技術的分析及應用

吳光躍

摘要：隨著我國的經濟建設的不斷發展，對于能源的需求在不斷地加大。在工業上，火電廠作為重要的能源來源，對生產的發展起到了重要的作用。但是在生產中，由于氮氧化物的排放，嚴重的影響了生態環境的建設與人們的生命健康。因此，需要加強其技術的改進。文章通過對低氮燃燒技術進行綜合的分析，并對其改造技術進行了闡述，以期能夠提供一個借鑒。

關鍵詞：低氮燃燒；技術；分析；應用

導言：

氮氧化物（NOx）是造成大氣污染的主要污染物之一，也是“十三五”期間需要重點治理的主要污染物之一。NOx的排放會給自然界和人類活動帶來嚴重危害，包括對人體的制毒作用、對植物的損害作用、形成酸雨或酸霧、與碳氫化合物可形成光化學煙霧、破壞臭氧層等[1]。我國NOx污染范圍和程度已相當嚴重，其中電廠的NOx排放是主要源頭之一，煙氣脫氮技術已經成為大氣污染防治的重要課題。

1低氮燃燒技術產生原理

在火力發電廠鍋爐燃燒產生的氮氧化物中通常包含著2種成分，一中是NO2，含量大概在5%-10%左右，剩下的大量的是NO，含量在90%左右，占大部分。氮氧化物中的NO在氧氣的作用下就會生成NO2，在鍋爐中NO的形成通常分為如下三種方式：

1.1熱力類型的NO

熱力類型的NO，通常是由于空氣中的氮氣和氧氣在高溫下產生，在鍋爐中經過燃燒生成NOX，而在該類型下影響空氣中氮轉化為為當氧化物的各種影響因子中，溫度占了相當大的一個因素，據一項研究表明，當鍋爐中的燃燒溫度高于1500攝氏度的時候NO生成量會成指數規律性的速效增加，其他的幾個因素，包括在高溫下停留的時間，氧氣的濃度大小都與NO的形成成正比，如果減少在高溫下的停留的時間，降低氧氣的濃度的時候就可以在一定范圍內降低NOX產生的數量。

1.2快速類型的NO

快速類型的NO產生的原理是氮分子在鍋爐內火焰的邊緣燃燒的時候快速的形成的，通常需要在碳氫化合物的參與中完成，影響因子同樣為氧氣的含量還有鍋爐內溫度的含量，在溫度升高的時候，轉化率逐漸提高，但是通過實驗發現快速類型產生的NO在鍋爐中所有氮氧化物中的比例只有不到5%，所以一般可以忽略不做考慮。

1.3燃料類型的NO

燃料型類型的NO產生的方式是以化合物形式存在于燃料中的氮原子，在鍋爐燃燒過程中被氧化而生成的。其生成溫度為600～700攝氏度，化石燃料中的氮通常是煤炭燃燒過程中產生的NOX的最主要的來源，通常燃料類型的NO相比其他類型的NO更加容易的生成。通常在鍋爐中的NOX的60%～80%是由于燃料燃燒形成的，燃料中的氮比空氣中的氮容易生NO，在實際生產中由于燃煤種類的不同，燃燒產生氣體中的含氮量有所不同。

2低氮燃燒技術在燃氣電廠中的應用

2.1福建某燃氣電廠

2.1.1企業概況

電廠建設4套350MW級（9F級）單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組。每套機組包括1臺干式低氮燃氣輪機、1臺蒸汽輪機、1臺無補燃三壓再熱型余熱鍋爐、1臺發電機以及相關的附屬和輔助設備。

2.1.2廢氣處理系統簡介

該廠一期4套350MW級單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組以天然氣為燃料，采用日本三菱生產的干式低氮燃燒器，煙氣通過65米高煙囪排放。煙氣在線監測裝置為廈門格瑞斯特環保科技有限公司生產，布置在余熱鍋爐附屬樓，可實時測量NOx、SO2、CO、CO2、O2等組分。

2.1.3廢氣抽樣監測結果及評價

選取一天中的兩個時段進行抽樣監測，該廠1#、2#和3#機組煙囪廢氣監測結果及評價如下：

2.2深圳某燃氣電廠

2.2.1企業概況

該廠擁有美國GE公司生產的PG9171E型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組兩套。總裝機容量59.5萬千瓦，年生產發電能力約20億度，是深圳最大的燃機調峰電廠之一。

2.2.2廢氣處理系統簡介

兩套發電機組以天然氣為燃料，采用低氮燃燒技術。兩套機組煙氣在線自動監測裝置由深圳世紀天源環保公司生產，目前運行正常。

3技術改造方案

在低氮燃燒技術階段，某公司熱電廠4號鍋爐需改造或更換現有低氮燃燒器LNB，降低燃燒過程中NOx的生成量；增設一套燃盡風SOFA系統，進一步降低燃燒過程中生成的NOx。本次改造主要包括三部分內容：

3.1一次風改造內容

（1）移除全部濃淡分離器；（2）減小噴嘴面積，保持高寬比；（3）保持內部鈍體不變；（4）增加兩塊內部水平隔板；（5）同時減小連接風管接口尺寸；（6）周界風出口保持不變，周界風寬度變為25。

3.2二次風改造內容

（1）減小OFA層噴嘴尺寸；（2）減小CC層噴嘴尺寸；（3）減小AB層噴嘴尺寸；（4）OFA、CC、AB增加兩塊內部垂直隔板夾角為10°和15°，以保證風向。

3.3燃燒器改造

低氮燃燒器用于控制每一個燃燒器的燃料和空氣的混合，燃料和空氣分級送入燃燒設備，其特點在于降低初始燃燒區域內的氧濃度，從而也相應的降低火焰峰值溫度，達到了較少NOx的形成目的。在噴口水平中線裝有傾斜裝置，增加燃燒的傾斜區域來實現深度分級，燃燒器噴口四周的平衡周界風，延遲一二次風的混合，這些區域可以進一步阻止燃料中的N形成NOx。富燃料區域的存在使火焰最高溫度被降低，從而減少了熱力型NO的形成。為了在較低的飛灰含碳量下獲得較低的NOx濃度，煤粉分布盤布置在煤粉噴嘴入口至燃燒器之間的彎頭位置的下游。煤粉分布盤對煤粉流有很好的濃縮作用，使來流煤粉更集中于燃燒器的中軸線形成一個特殊的風包粉狀態，這樣的煤粉流噴入爐膛內，從煤粉流中心形成一個較大欠氧燃燒的火焰，使初始燃燒的NOx生成率更低，同時風包粉的煤粉流使切圓燃燒的煤粉遠離爐膛四壁避免結渣。

3.4新加裝SOFA噴嘴及風道

被燃燒器導向的燃燒空氣在爐膛下部形成富燃料區，煤在低氧區揮發，迫使燃料里的氮形成N2而不是NO。在進入鍋爐對流區之前，缺氧燃燒產生的煙氣再與燃盡風系統產生的高動量的氣流在爐膛上部混合，使燃料完全燃燒。

結束語

隨著我國NOX排放總量的逐年上升，由此造成的環境污染也不斷加劇，對NOX的控制迫在眉睫。低NOX燃燒技術投資低，且有較好的效果與運行經驗，特別是低氮氧化物燃燒器與空氣分級燃燒的聯合使用，效果更佳；煙氣脫硝技術中SCR和SNCR具有較多的商業化運行業績，且脫硝效率較高。我國NOX控制起步較晚，低NOX燃燒系統是在進口燃燒器的基礎上進行開發研制的，煙氣脫硝技術也是剛剛起步。我國應在廣泛采用低NOX燃燒器與空氣分級燃燒聯合使用等低NOX燃燒的基礎上，加快煙氣脫硝示范工程的建設，廣泛開展國際合作，在引進消化國外煙氣脫硝技術的基礎上，盡快實現煙氣脫硝國產化，降低煙氣脫硝的投資與運行費用，從而有效控制NOX的排放，推動國民經濟和環境保護的協調發展。

參考文獻：

[1]王廣盛，趙顯坤，桂永亮.工業鍋爐NOx污染及防治[J].石油化工環境保護，2017，26（2）：52-54.

[2]董計鑫.鍋爐低氮燃燒技術分析及應用[J].能源與節約，2016，8：98-99.

[3]環境保護部科技標準司.GB13223-2011火電廠大氣污染物排放標準[S].北京：中國環境科學出版社，2018.