降低燃煤锅炉NOx生成量的方法分析

刘占伟

摘要：本文主要介绍燃煤电厂NOx的生成机理，从生成原理中分析影响NOx生成的因素，并找出在燃烧过程中控制NOx生成量的有效措施。

关键词：氮氧化物 生成机理 影响因素 控制措施

随着国民经济的快速发展，环境问题也日趋突出，一些工业发达地区的大气污染、水污染事件已经严重影响人民的生产、生活，环境问题也反过来开始逐渐制约工业发展步伐。氮氧化物作为电厂排放污染气体的重要组成部分之一，也在逐渐被重视，随着国家环境保护法律法规标准的不断完善，对氮氧化物的排放和控制也必将越来越重视起来。

1 降低氮氧化物排放的两种方法

一种是燃烧过程中脱氮技术，也就是低氮燃烧技术，即通过运行方式的改进、燃烧设备的改造或者对燃烧过程进行特殊控制，抑制NOx的生成反应，从而降低NOx的最终生成量。另一种就是烟气净化技术，也就是通过化学反应把已生成的NOx还原成N，从而脱除烟气中的NOx。

目前，以上两种技术在燃煤发电厂均得到了广泛应用，但烟气净化技术也带来了很多负面影响，其中最严重的问题就是烟气脱硝过程中，逃逸氨腐蚀空预器受热面，造成空预器频繁堵灰，影响机组安全稳定运行。要想满足氮氧化物达标排放，燃烧生成的氮氧化物越多，脱硝喷氨量就越大，相应的逃逸氨越多，空预器堵灰就越严重。所以，在燃烧过程中控制氮氧化物的生成量不仅降低液氨的使用量，降低成本，还能缓解空预器受热面的腐蚀堵灰问题。

2 氮氧化物的生成机理

2.1 热力型NOx 热力型NOx是由于空气中的N在高温下氧化生成的，因为是吸热反应，炉膛温度对其生成量具有绝对性影响。一般当燃烧温度低于1500℃时，热力型NOx生成量极少，在过量空气系数为1.1条件下，炉膛温度达1300-1500℃时，烟气中NOx的体积分数在（500-100）×10-6，在此基础上，每增加100℃，反应速度将增大6-7倍。

2.2 快速型NOx 快速型NOx生成特点是反应速度极快，这种生成的NOx与炉膛压力密切相关，与温度关系不大，生成量较小，一般占NOx总量的5%以下。

2.3 燃料型NOx 燃料型NOx是燃料中的氮化物在燃烧过程中氧化生成的，主要是在燃烧的初始阶段，生成量较大，占NOx生成总量的75%-90%。燃料型NOx的生成机理就相对复杂，它的生成和破坏过程与燃料中的氮受热分解后和焦炭中的比例相关，但是都会随着温度和养分等燃烧条件而变化。

3 影响氮氧化物生成的因素

根据上述分析各类型的氮氧化合物的生成机理，我们不难看出，影响氮氧化合物生成量的因素主要是火焰温度、燃烧器区段氧浓度、燃烧产物在高温区停留时间和煤的特性。但燃烧煤种的选择往往受着多方面条件的制约，自由选择的可能性不大，单从燃烧调整角度分析，降低氮氧化合物生成量的途径主要有两个方面：一是降低火焰温度，防止局部高温；二是降低过量空气系数和氧浓度，避免煤粉在富氧的条件下燃烧。

4 燃烧过程中如何降低氮氧化物的生成

4.1 低氧燃烧 在燃烧过程中，我们要尽可能在接近理论空气量的条件下进行，这也是最简单的降低NOx排放的方法。我们一般能够降低NOx排放15-20%，但是缺氧燃烧就会造成化学不完全燃烧，而导致热损失增加，引起飞灰含碳量的增加，使燃烧效率下降，经济性变差，所以单纯地降低氧量显然是不可取的。

4.2 空气分级燃烧 空气分级燃烧就是将燃料的燃烧过程分阶段完成。降低煤粉着火、燃烧阶段的氧量供给，具体方法就是减小燃烧区域二次风门开度，将从主燃烧器供入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的70%-75%（相当于理论空气量的80%左右），使燃料先在缺氧的燃烧条件下燃烧。这样不仅降低燃烧区内的燃烧速度和温度水平，延迟了燃烧过程，而且在还原性气氛中（不完全燃烧生成的还原性气体CO、H等）降低了生成NOx的反应率，抑制了NOx在这一燃烧中的生成量。为了完成全部燃烧过程，完全燃烧所需的其余空气则送入布置在主燃烧区上方的燃尽风喷嘴，与第一级燃烧区在“贫氧燃烧”条件下产生的混合物接触，在此阶段完成全部燃烧过程。由于整个燃烧过程所需空气是分两级供入炉内，故称为空气分级燃烧法。

4.3 燃料分级燃烧 燃料分级燃烧是将80%左右的燃料送入主燃烧区，在主燃料区通入足量空气进行富氧燃烧生成NOx，被送入这一区域的燃料成为一级燃料，其余燃料也成为二级燃料送入上部燃烧器，并统一与不足的空气进行缺氧燃烧，缺氧燃烧区形成还原性物质，还原性物质不仅使下部生成的NOx得到还原，同时还抑制了新的NOx的生成，使NOx的生成量得到了进一步降低。在二次燃烧区布置燃尽风，在此区域完成燃料的完全燃烧。燃料分级燃烧可降低50%左右的NOx生成量。

目前，燃料分级燃烧在燃煤电厂应用不是很广泛，主要原因在二级燃料的选择上。由于二次燃料在缺氧区燃烧，且在炉膛内停留时间较短，如果仍然使用煤粉作为二级燃料，会大大增加不完全燃烧损失，使锅炉效率大幅度下降，另外不完全燃烧的煤粉、焦炭聚集在锅炉尾部受热面，容易导致尾部烟道二次燃烧事故。但可以适当选择碳氢类气体燃料及液体燃料作为二级燃料。

4.4 烟气再循环 烟气再循环法就是抽出一部分空预器入口的低温烟气，直接送入炉膛或与热一次风、二次风混合后再送入炉膛，这种方法的出发点就是降低炉膛温度，抑制NOx的生成。

烟气再循环法在一定意义上来讲是抑制、推迟了主燃烧区域的燃烧，使得锅炉的排烟损失增加，经济性差，另外如果抽出的低温烟气量过大，尤其在低负荷时易造成锅炉燃烧不稳，灭火停机。一般抽出的空气量控制在总烟气量的15%左右。

4.5 低氮燃烧器的简介 低氮燃烧器就是把一次风分成浓淡两股，浓相在内，比较靠近火焰中心；淡相在外，更加贴近水冷壁。浓相在内着火的时候，火焰温度就会相对高，但是氧气供给却相对较少，故生成的氮氧化物的几率相对减少；淡相在外，氧气比相对较大，但由于距火焰高温区域较远，温度相对较低，故氮氧化物的生成也不会很多。另外，低氮改造时，在燃烧器组燃尽风上增加两层SOFA喷嘴（火上风），降低主燃烧区域供给的空气量，实现空气分级燃烧。

表1是对为某电厂国产300MW燃煤机组低氮燃烧器改造前后燃烧试验，在不同负荷下氮氧化物生成量对比表。从表中不难看出，低氮燃烧器改造后，氮氧化物的生成量得到了明显的控制。

表1 低氮燃烧器改造前后实验数据对比

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表2是满负荷工况下SOFA风门不同开度下的燃烧调整试验，氮氧化物的生成量对比表。实验数据显示，300MW负荷时，随着SOFA风门开度逐渐增大，NOx生成量不断降低，风门开度在80%左右时，NOx生成量最低，再继续开大风门，NOx下降不明显。

表2 300MW负荷SOFA风门不同开度下的燃烧调整对比

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5 结论

综上所述，在燃烧过程中控制氮氧化物的生成量最有效、最容易实现的方法是低氮燃烧器改造和空气分级燃烧技术联合使用。通过改造后的燃烧调整试验，确定不同负荷下SOFA风门的最佳开度。另外，低氮燃烧器的改造及低氮燃烧调整均在不同程度上影响锅炉设计时的空气动力场分布，这样也必然对锅炉飞灰、排烟温度的指标产生了负面影响，所以燃烧调整过程中，在满足氮氧化物达标排放的同时，还要兼顾保证对锅炉指标影响最小。

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