煤粉鍋爐的NOx排放控制優(yōu)化運行

吳軍

摘要：如何在煤粉鍋爐燃燒過程中通過燃燒調(diào)整，合理的燃燒方式控制NOx的生成

關(guān)鍵詞：優(yōu)化;節(jié)能，控制;調(diào)整;措施

燃煤NOx的控制主要在兩個階段，第一階段是在燃燒過程中通過燃燒調(diào)整、先進的燃燒方式和低氮燃燒器控制NOx生成;第二階段就是對煤燃燒產(chǎn)生的煙氣進行處理。本鍋爐采用可調(diào)水平濃淡直流式燃燒器及均等配風(fēng)的燃燒方式，如何在煤粉鍋爐燃燒過程中通過燃燒調(diào)整，合理的燃燒方式控制NOx的生成是擺在我們面前的課題。經(jīng)過長期運行積累下來的經(jīng)驗，鍋爐在燃燒過程中合理的通過燃燒調(diào)整能控制NOx生成，降低脫硝SCR進口NOx的濃度。

一、煤粉燃燒NOx產(chǎn)生的原理和因素

煤粉燃燒產(chǎn)生的氮氧化物主要來之兩部分：一部分是燃燒時空氣帶進來的氮，在高溫下與氧反應(yīng)所生成的NOx，稱為“熱力NOx”;另一部分是燃料中固有的氮化物經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)所生成的，稱為“燃料NOx”。這兩部分氮氧化物的形成的機理是不同的。除此之外，還有一部分是分子氮在火焰前沿的早期階段，在碳烴化合物的參與影響下，通過中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成的NOx，稱為“瞬態(tài)型NOx”，這部分?jǐn)?shù)量很少，一般不予考慮。

空氣中的氮在燃燒室的高溫下被氧化成的機理是相當(dāng)復(fù)雜的，一般認(rèn)為是在高溫爐膛環(huán)境下空氣中的氧分子被離解成自由原子，所產(chǎn)生的氧原子在高溫下（t>1538℃）與空氣中的氮反應(yīng)生成NOx，同時釋放出氮原子。釋放出的氮原子又與空氣中的氧反應(yīng)生成NO。“熱力NOx”產(chǎn)生量與反應(yīng)區(qū)的溫度、反應(yīng)區(qū)的氧、氮的濃度，以及燃燒氣體在反應(yīng)區(qū)的停留時間成正比，其中溫度影響尤為顯著。如果溫度相當(dāng)?shù)停杂苫难踉訑?shù)量又不夠多，則熱力NOx的產(chǎn)生就會被抑制。

“燃料NOx”的形成更為復(fù)雜，目前尚未透徹了解。根據(jù)大量試驗研究表明，其形成機理的可能是：燃料進入爐膛后，由于高溫分解釋放出N、NH或CN等各種可能形式的自由基，這些自由基隨即被氧化成NO或再結(jié)合成N2，取決于局部地區(qū)的氧濃度。一般來說，燃料中氮氧化物含量越高或爐膛中氧濃度越大，則形成“燃料NOx”就越多。“燃料NOx”即使在溫度較低的情況下也能生成。

綜合上述，影響燃料燃燒時NOx生成的主要因素有以下幾方面：

燃料中氮氧化物含量。氮氧化物含量越高，“燃料NOx”生成就越多。例如氣體燃料中氮氧化物含量極少，因此燃燒時生成的NOx幾乎是空氣中的氮轉(zhuǎn)化來的;相反，燃燒固體

1. 燃料煤，特別是燃燒煤粉時，煙氣中的氮氧化物絕大部分（90%）是由燃料中固體氮化物轉(zhuǎn)化而來。

2. 火焰溫度（或燃燒區(qū)的溫度）和高溫下的燃燒時間（或滯留時間）。溫度越高，NOx越易生成，特別是“熱力NOx”。在2000℃以上時NO幾乎可以在瞬間氧化而成;在1600～2000℃范圍時，如果持續(xù)時間較長，也易生成NOx，若時間較短，則NOx生成速度就慢些;在1500℃以下時，“熱力NOx”的生成速度顯著減慢，但“燃料NOx”的生成速度不變。

3. 燃燒區(qū)中的氧的濃度。燃燒區(qū)中的氧濃度增大，則不論“熱力NOx”還是“燃料NOx”，其生成量都增大。此外，當(dāng)氧量供應(yīng)適中時，燃燒溫度較高，更易生成NOx。若空氣供應(yīng)不足，氧量減少，此時燃燒不完全，燃燒溫度下降，這樣雖然生成量減少，但會增多炭黑及CO等。如果空氣大量過剩，燃燒區(qū)中氧量與氮量雖然明顯增加，但由于此時燃燒溫度下降反而會導(dǎo)致NOx生成減少，同時NOx濃度也被大量空氣所稀釋而下降。

二、減少NOx排放的措施

由煤粉燃燒NOx產(chǎn)生的原理和因素可見，高溫和高的氧濃度是產(chǎn)生NOx的根源。因此減少NOx可采取以下措施：

1. 減少燃燒最高溫度區(qū)域范圍。

2. 降低燃燒峰值溫度。

3. 降低燃燒的過量空氣系數(shù)和局部氧氣濃度。

4. 控制燃料與空氣的前期混合。

5. 提高入爐的局部燃燒濃度。

6. 利用中間生成物反應(yīng)降低NOx

根據(jù)NOx的形成特點，可把NOx的控制措施分成燃燒前、燃燒中和燃燒后處理三類。

1. 燃燒前脫氮主要講燃料轉(zhuǎn)化為低氮燃料。

2. 燃燒中脫氮主要是指各種降低NOx技術(shù)。

3. 燃燒后的脫氮主要是指煙氣脫硝技術(shù)

三、 控制NOx排放優(yōu)化燃燒的方式實施

我廠目前燃燒后的脫氮是采用選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，這里不做具體介紹，這里具體介紹一下在我廠原有的燃燒設(shè)備情況下，如何通過優(yōu)化燃燒的方式來減低NOx的濃度。

本鍋爐采用可調(diào)水平濃淡直流式均等配風(fēng)燃燒器， 燃燒器布置在爐膛的正四角。爐內(nèi)假想切圓直徑φ500mm 。煤粉經(jīng)一次風(fēng)管中濃縮管及扭曲板的作用后被分成濃相及淡相，而且分別引射到爐膛內(nèi)向火側(cè)和背火側(cè)，確保燃燒穩(wěn)定和防止結(jié)焦。煤粉燃燒器有二層一次風(fēng)噴嘴、上上、上、中、下四層二次風(fēng)噴嘴以及一層三次風(fēng)噴口，其中上兩層二次風(fēng)提供煤粉后期燃燒所需空氣量，強化風(fēng)粉混合和煤粉燃燼。在每個一次風(fēng)噴口上加裝偏置周界風(fēng)（在背火側(cè)周界風(fēng)更多一些）。制粉系統(tǒng)：采用鋼球磨煤機儲倉制、溫風(fēng)送粉、制粉系統(tǒng)乏氣作三次風(fēng)入爐參加燃燒。

大量基礎(chǔ)研究認(rèn)為決定氮氧化物最終排放的有四個關(guān)鍵的區(qū)域，分別是熱解著火區(qū)、

主燃燒區(qū)、NOx還原區(qū)和燃盡區(qū).根據(jù)我廠的煤種和爐型，結(jié)合實際的運行狀況，在爐內(nèi)燃燒的不同燃燒區(qū)域采取了針對性措施，降低NOx生成的同時，確保燃燒穩(wěn)定和鍋爐效率。

主要是主燃燒區(qū)在保證一次風(fēng)射流的剛性和煤粉燃燒所需的氧氣同時，控制較低的一次風(fēng)及周界風(fēng)率，并相應(yīng)開大上排燃盡二次風(fēng)門開度，關(guān)小上、中、下排二次風(fēng)門開度，在不影響煤粉燃盡的情況下，減小該區(qū)域的供氧。煤粉氣流在“貧氧”條件下燃燒速率得到一定程度控制，以降低NOx生成量。在鍋爐負(fù)荷相對較低及鍋爐氧濃度較高情況下，采取停用部分火嘴關(guān)閉一次風(fēng)門及提高運行給粉機的轉(zhuǎn)速來滿足鍋爐燃燒需要，這樣能提高鍋爐局部的燃燒濃度，減少過量空氣系數(shù)控制燃料NOx的生成。鍋爐運行中盡量保留一臺制粉系統(tǒng)運行，或制粉系統(tǒng)停用時，保留排粉機運行，以控制主燃燒區(qū)的氧濃度，也減少降低NOx生成量。

通過上述的燃燒調(diào)整，脫硝SCR進口NOx由初期的800-900mg/Nm3下降至500-600mg/Nm3，有效的控制NOx生成，在不增加噴氨量情況下大大降低了NOx排放量，并大量節(jié)約了尿素用量，從節(jié)能減排效果上得到了充分的提高。

四、結(jié)語

從上述分析來看，鍋爐燃燒煙氣NOx的生成量的高低關(guān)鍵在于根據(jù)現(xiàn)場實際運行情況采取的燃燒調(diào)整及優(yōu)化的燃燒方式合理安排，從試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)分析和運行經(jīng)驗的積累來最終確定方案的執(zhí)行，并以制度的形式來進行推廣。

參考文獻：

[1]《火電廠SCR煙氣脫硝技術(shù)》，西安熱工研究院著，北京：中國電力出版社，2013.1.

[2]《鍋爐設(shè)備及運行》，姜錫倫、屈衛(wèi)東著，北京：中國電力出版社，2010.

（作者單位：上海上電電力運營有限公司）