淺析燃盡風對脫硝運行的影響

＊何修年 宗珂

（華電鄒縣發電有限公司 山東 273513）

1.引言

國家經濟的發展對電力能源提出了更高的需求，燃煤電廠裝機容量應勢增加。中國的氮氧化物排放中，67%來自于煤炭燃燒，大型燃煤電站作為主要NOx（氮氧化物）排放源，實施煙氣脫硝，降低氮氧化物排放刻不容緩。

氮氧化物（NOx）對環境有著重大危害。首先，NOx是溫室氣體之一，大氣中的氮氧化物可導致全球氣溫上升。其次，氮氧化物會參與酸雨的形成，而酸雨對植被的破壞力量很大。第三，氮氧化物會破壞臭氧層。另外，NO2參與光化學煙霧形成，可致癌、導致呼吸系統疾病。氮氧化合物還易和空氣中的水反應生成硝酸和硝酸鹽，對人的身體健康和生態居住環境等都會造成危害[1]。

火電廠是氮氧化物排放的重要源頭。目前，火電廠采取了多種措施來降低氮氧化物排放。我國的主流火電機組中，包括超臨界和超超臨界機組，鍋爐主要采用空氣分級燃燒技術和催化劑還原技術。相比催化劑還原技術，空氣分級燃燒技術費用較低。空氣分級燃燒技術中，燃盡風會對NOx排放產生比較關鍵的影響。

2.爐內NOx生成類型和基理

電廠煤炭燃燒過程中會產生一氧化氮和二氧化氮，其中一氧化氮占了95%左右。氮氧化物的化學式用NOx表示，主要包括一氧化氮和二氧化氮。根據生成的途徑，爐內NOx可以分為熱力型氮氧化物，快速型氮氧化物和燃料型氮氧化物。

熱力型NOx（Thermal NOx）。熱力型NOx是由前蘇聯的科學家捷里道維奇首次提出。在爐膛溫度高于1500℃時，空氣中的氮氣被氧化成氮氧化物。這種方式生成氮氧化物的反應時間十分迅速，大概需要微秒的十分之一。生成量跟氧氣濃度、溫度以及停留時間有關。溫度在1500℃以下時，此種氮氧化物生成量非常少。當溫度在1500℃以上時，此種氮氧化物的生成速度會隨溫度增加快速增加，溫度每升高100℃，生成速度增加六到七倍。因此，降低熱力型NOx的措施為：（1）降低溫度，避免局部溫度過高；（2）減少過量空氣系數；（3）減少燃料在高溫區域的滯留時間。熱力型NOx的生成量約占煤粉燃燒過程中產生的氮氧化物總量的15%～25%。

快速型NOx（Prompt NOx）。煤炭中的碳氫化合物在燃燒過程時分解成為碳氫原子結構和碳原子，這些原子結構和空氣中的氮氣結合生成氰化物，該氰化物與氧原子結合生成氮氧化物。由于反應速度快，大約需要60ms，被稱為快速型NOx。此種氮氧化物的生成受溫度影響較小，與爐膛壓力有關，且在富燃料的火焰中生成量多。在煤炭燃燒過程中，生成量較少。

燃料型NOx（Fuel NOx）。煤炭中含有氮的化合物，燃燒中被氧化生成NOx，因此而產生燃料型NOx。燃料氮包括焦炭氮和揮發份氮。煤炭燃燒時候，揮發份在析出前，其中的氮化合物熱分解為小分子的氮化合物，繼而被氧化成NO。在一定的燃燒條件下，生成的NO也可被還原成N2。焦炭氮在燃盡的過程中，也會發生此類反應，只是速度比揮發份氮要滯后一些。燃料型NOx占總氮氧化物生成的80%左右，相比熱力型NOx更易產生，約占燃煤過程中生成氮氧化物的75%～95%。燃料型NOx的生成與燃料的成分有關，此外，還和燃燒條件有關。燃燒條件包括氧氣濃度，燃燒溫度，燃料與空氣的混合情況等。降低燃料型NOx的措施有：（1）降低主燃燒區氧氣濃度，這樣燃料氮會最終轉換成氮氣而非按氮氧化合物。（2）降低局部燃燒溫度，因為在溫度較低的條件下，燃料氮較難產生。（3）減少煙氣在高溫區的停留時間[2]。

3.低NOx排放措施

目前，火電廠普遍采用空氣分級燃燒與選擇性催化還原聯用技術，先通過空氣分級降低部分氮氧化合物，再使用SCR進一步脫除，既能滿足環保要求，又比獨立使用SCR節約成本。空氣分級燃燒技術，是把二次風分為兩級送入爐膛，減少主燃燒區氧量，主燃燒區缺氧會抑制NOx生成。分級送風還會降低燃盡區溫度，因此生成NOx有限。空氣分級燃燒技術可降低氮氧化物20%～40%左右。

最初，空氣分級燃燒技術（見圖1）是在燃燒器的頂部安裝燃盡風噴嘴（OFA），燃盡風約占總風量的15%～20%，該措施會降低下部燃燒器的氧量，以減少NOx生成。隨著科技的進步，產生了新的技術，即將分離式燃盡風噴嘴分多層布置在距離燃燒器頂部一定距離的位置，叫做分離式燃盡風。分離式燃盡風（SOFA）技術降低NOx的效果更好，得到更廣泛應用。

圖1 空氣分級然燃燒技術

空氣分級燃燒技術優點明顯，它安裝設備簡單、改造工作量小、初期投入和運行成本小。同時，它適用的爐型廣泛。缺點是可能引起結渣、高溫腐蝕、增加飛灰含碳量等問題，但是可以通過運行手段調整，如合理配風，減低煤粉細度等。

燃盡風的風率、高度和布置方式都會對脫硝效果產生一定的影響，下文分析此三種因素對脫硝的影響。

4.燃盡風率對NOx生成的影響

燃盡風率的變化對揮發分的析出影響較小。高燃盡風率使得主燃區缺氧程度加深，焦炭的燃盡會被推遲，主燃區還原性氣氛得到增強，該區域內的燃料型和熱力型NOx的生成速度會減少，NOx濃度得以降低。但主燃區剩余未完全燃燒物質及焦炭推遲燃盡使得在燃盡區有更多HCN被氧化產生燃料型NOx，使得最高燃盡風率下爐膛出口的NOx濃度不一定達到最低。若燃盡風風率過高，主燃區氧量相對減少，燃料在主燃燒區燃燒不完全。在燃盡區，未完全燃燒的燃料在此劇烈燃燒并產生大量的焦炭氮。而燃盡風率高導致此區域氧量高，焦炭氮不容易被還原，因而產生大量氮氧化物。因此，燃盡風率越高，氮氧化物不一定會一直降低。控制出口NOx的濃度主要是根據煤質合理選擇燃盡風率，控制主燃區燃料型NOx的生成和燃盡區燃料型NOx的反彈[3]。

5.燃盡風高度對NOx生成的影響

燃盡風高度對氮氧化物的影響和燃盡風率對氮氧化物排放量的影響有相似之處，即一定程度上提高燃盡風高度可以降低氮氧化物排放，但是過高的燃盡風高度會導致氮氧化物不降反升。原因在于，燃盡風高度一定程度上升高，會拉長還原區，使得含氮基團發生還原反應減少氮氧化物。然而，若燃盡風高度過高，燃料會在較高的位置發生燃燒，導致燃燒時間較短就被排出爐膛，氮氧化物也因此不容易被還原。不僅如此，過高的燃盡風高度會造成燃盡位置偏高，爐膛出口煙溫偏高，燃盡率降低。在實際生產中，通常適當降低燃盡風位置，增大燃盡風風率[4]。

6.燃盡風布置方式對NOx生成的影響

燃盡風可以分為單層布置和多層布置（見圖2）。多層布置方式，燃盡率相對較高，若減少布置層數，則飛灰含碳量相對會升高。同時，射流的剛性增強，氣流和煤粉能夠充分混合。另外，燃盡風還分為墻式集中布置和分散布置。模擬實驗表明，燃盡風分散布置時，氣流的剛性相對集中布置較弱，而且容易出現局部高溫。集中布置和分散布置的氮氧化物排放以及飛灰含碳量差別不大[5]。

圖2 燃盡風多層布置形式

7.結束語

燃盡風的風率、高度和布置位置對脫硝的影響要兼顧煤粉的燃盡，煤粉是否燃盡同樣會影響氮氧化物的排放，因此燃盡風率、高度存在一個適度的數值，同樣，燃盡的位置存在一個適度的位置，以便使氮氧化物的排放最小，而以上因素若不在最佳數值和位置區間，氮氧化物的排放則會增加。