燃煤鍋爐低氮燃燒控制分析

滕翔宇 胡崇

摘 要：在我國工業生產中，燃煤鍋爐是重要的能量轉換設備，在其運行中燃燒燃料會產生大量氮氧化物，如果未經有效處理，就會嚴重影響到環境質量。文章分析了燃煤鍋爐運行中氮氧化物生成機理，以及當前對氮氧化物的治理現狀，探討低氮燃燒技術方案的應用，綜合多方面因素設計研發，保證實際成效。

關鍵詞：燃煤鍋爐;氮氧化物;生成機理;低氮燃燒

1 氮氧化物生成機理

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，根據統計顯示此類型氮氧化物在氮氧化物總排放量中占比達到了75%。具體存在多項因素會影響到燃料型氮氧化物的生成，與空氣系數過量、燃燒溫度、煤種特性相關。還會受到燃料中氮受熱分解揮發分、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源就是空氣，在高溫下與氧氣反應生成氮氧化物。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、空氣中氮氣反應而產生。其反應速度快因而稱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]。總的來講，影響燃燒過程中氮氧化物形成的因素主要就是空氣-燃料比、燃燒空氣預熱溫度、燃燒區冷卻程度和燃燒器形狀。可以通過減少送入燃燒器過剩空氣、降低火焰溫度和燃燒室熱強度、采用二段燃燒、煙氣再循環等方式來降低氮氧化物濃度。

2 氮氧化物治理現狀

當前國內外進行了氮氧化物危害性、燃煤發電燃燒中氮氧化物生成機理和降低控制技術的研究，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，將燃料轉化為低氮燃料來脫氮，此類型技術比較復雜、操作難度高、成本大，因此實際應用并不廣。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。當前在燃煤鍋爐中將氮氧化物方法的應用相對廣泛，主要是燃燒中低氮燃燒技術、燃燒后煙氣脫硝技術。燃燒中依據氮氧化物生機理采取相關低氮控制技術脫氮，包括低氧燃燒技術、空氣分級燃燒技術和煙氣再循環技術等。燃燒器需縱向布置，還原、主還原和燃盡三區形成。同時，布置四角切圓燃燒鍋爐時采用橫向雙區形式，分為近壁區和中心區，爐膛中燃料和配風燃燒得以分區、分級、低溫、低氧進行，此時燃煤鍋爐運行中不會生成大量氮氧化物。

低氮燃燒技術工藝發展成熟，且實際投資和運行費用較低，使用低氮燃燒器可以有效降低氮氧化物形成，之后進行煙氣脫硝處理，進一步降低脫硝設施入口氮氧化物濃度，保證其運行經濟性。在當前降低氮氧化物排放的技術中，應用最廣、操作簡單、經濟有效的技術就是低氮燃燒技術，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現穩定燃燒，甚至會使得受熱面受到還原性氣氛的腐蝕，不合理增加飛灰含碳量的情況下還會影響到鍋爐運行效率[2]。

3 燃煤鍋爐低氮燃燒控制分析

3.1 空氣分級燃燒技術

應用空氣分級燃燒技術實現低氮燃燒控制下，要在爐內送入充足的空氣，使燃料在其中可以分級分段燃燒，該技術在低氮控制運行中應用廣泛。實際應用中，需要分兩級將燃燒用空氣送入，在第一級燃燒區將總燃燒空氣70%～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，此時過量空氣系數低于1，因此其燃燒速度、溫度水平也進一步降低。由于燃燒條件為缺氧的富燃料燃燒，因此其燃燒過程被延遲，燃料在還原性氣氛中燃燒進而生成一氧化碳，分解燃料中有機氮為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，同時降低了火焰峰值溫度和熱力型氮氧化物的生成。

各種類型氮氧化物的生成量會在很大程度受到燃燒區氧濃度的影響，過量空氣系數在1以上時，燃燒區處于貧氧燃燒狀態下，可以顯著抑制氮氧化物的生產。根據該原理，減少供給燃燒區的空氣量，使其在燃燒總空氣用量的70%左右，以降低燃燒區氧濃度和溫度水平。第一級燃燒區中可以使燃燒過程被推遲，進而有效抑制燃燒中生成氮氧化物。在通過燃燒器燃燼風噴口送入爐膛后，燃燒剩余空氣會混合與第一級產生煙氣，從而完成全過程燃燒。

共有兩種爐內空氣分級燃燒方式，分別是軸向和徑向空氣分級燃燒。軸向空氣分級分兩部分將燃燒需要空氣送入爐膛，包含主二次風站總風量70%～85%，以及展總二次風量15%～30%的燃燼風。爐內分為熱解區、貧氧區和富氧區三個燃燒區。徑向空氣分級燃燒是在垂直于煙氣流的爐膛截面上進行的，通過二次風射流部分向爐墻偏向實現的。應用空氣分級燃燒技術的過程中，需注意其存在二段空氣量過大的問題，會產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渣和腐蝕。

3.2 燃料分級燃燒技術

可以將燃燒區域分為主燃燒區、還原區和燃盡區三個區域。主燃燒區也是一次燃燒區，將部分二次風管堵住后，可以降低主燃燒區氧濃度，同時保持其弱還原性和氧化性氣氛。氮氧化物的生成機理表面，高溫條件下容易生成氮氧化物。氧含量高的區域采取桑樹措施，會使得主燃燒區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，在低含氧量下會加強氮氣的形成。其中氧氣含量不斷降低的情況下，也會減弱鍋爐出力，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助燃空氣量，高氧濃度和高溫情況則不會同時產生。

還原區也被稱為再燃燒區，將再燃燃料送入還原區，其過量空氣系數在1以下，因此此區域為還原性氣氛，分解燃料中N生產NH和HCN等中心活性產物，還原部分NO、生成N2，以抑制氮氧化物形成。還原區溫度越高，其燃料停留時間也會相應延長，同時實現愈加充分的還原反應，從而減少生成的氮氧化物量。但在實際應用中，受條件限制影響，其停留時間不可過長，需要多次實驗以確定合理的燃料送入位置和停留時間。還原區上方為燃盡區，此區域作用是燃盡之前的再燃燃料，需通入一定量空氣，燃盡再燃區燃料。燃燒中仍會產生氮氧化物，但經過此前兩個環節其含量大幅度降低。

3.3 優化調整擺角、燃盡風和煤粉細度

燃煤鍋爐運行中，通過優化調整擺角和燃盡風也可有效控制低氮燃燒，適當上傾調整燃盡風傾角則爐膛兩側不會出現溫差。在鍋爐總風量溫度的情況下，結合實際運行，負荷提升下合理加大燃盡風擋板，以降低排放的氮氧化物和飛灰。對燃盡風的控制可以降低含氧量，在低氧燃燒狀態下鍋爐爐膛上部燃燒加強，火焰中心隨之上移，有效抑制氮氧化物生成，實際鍋爐運行中低氮燃燒效率提高。

煤粉細度也是影響低氮燃燒的重要因素，其中空氣分級燃燒中尤為顯著。在一次風噴口安裝鈍體穩燃器，在分級程度高的情況下，排放的細煤粉濃度高于粗煤粉，煤粉細度越大，更容易釋出其中揮發成分，加大與空氣接觸表面積，而提前著火、溫度升高。此狀態下，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 結束語

在工業生產燃煤鍋爐運行中，需采用合理的低氮燃燒方式控制氮氧化物排放，依據其生成機理改進脫氮技術，不斷研發新型低氮燃燒技術和新型燃燒器，有效控制其排放和污染問題。

參考文獻：

[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[J].百科論壇電子雜志，2019（16）：459-464.

[2]孟志國.燃煤鍋爐低氮燃燒優化策略分析[J].建筑工程技術與設計，2020（11）：4050.