关于燃煤锅炉低氮燃烧与脱硝系统优化运行的探讨

许明旭

摘 要：随着全球化的环境问题越来越明显，社会各界也在高度的关注着生态环境保护工作，而为了有效地降低燃煤锅炉烟气中的氮氧化物，其主要手段就是采用锅炉内的低氮燃烧和烟气脱硝技术，我们应全面的掌握燃料燃烧过程中NOx的生成原理和控制方法，以具体的电厂为例，深入的研究燃煤锅炉低氮燃烧和脱硝系统的优化改造技术，分析能够有效减少NOx排放的技术特点和工艺流程，从而真正地实现燃煤锅炉的经济运行。文章针对低氮燃烧系统和SCR脱硝系统的应用以及应用低氮燃烧和SCR脱硝技术的总体效果两个方面的内容进行了详细的分析和探析，从而详细的论述了如何实现燃煤锅炉低氮燃烧和脱硝系统的优化运行。

关键词：燃煤锅炉；低氮燃烧和脱硝技术；经济运行

1 低氮燃烧系统和SCR脱硝系统的应用

1.1 NOx的生成机理

在燃煤锅炉的运行过程中，NOx主要有三种不同的生成机理，它们分别为燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx。（1）燃料型NOx。其就是指由燃料本身自带的含氮化合物转化而生成的，其产生的温度大概在600-800摄氏度左右，作为燃煤锅炉运行过程中产生NOx的重要原因，燃烧煤粉时几乎都是燃料型NOx的，并且燃料型的NOx具有更简单的形成条件。燃料型NOx的生成和分解过程主要与燃煤的结构、特性、燃料中焦炭的成分和比例等因素有关，同时燃烧时的氧气、温度和各类成分的浓度等燃烧条件对其也是有重要影响的；（2）热力型NOx。这类NOx是指空气中的氮在高温条件下氧化而成的，温度对其生成速度有着最为直接的影响，温度的上升速度越快，那么NOx的生成速度也就越快，当温度超过了1500摄氏度时，热力型NOx就是非常容易产生的，而如果温度小于这一数值，是几乎不会生成热力型NOx的；（3）快速型NOx。如果碳氢化合物燃料存在着过浓燃烧的情况，快速型的NOx往往就会生成在在反应区的附近。在所有的NOx中，快速型NOx的含量通常都是很低的，对其也是可以忽略不计的。

1.2 NOx的控制方法

要想有效地控制NOx，我们一般都会采取燃烧前处理、燃烧中处理和燃烧后处理这三种方法。（1）燃烧前处理。其控制的原理就是在还是燃料时就采取相应的方法将燃料转化成为低氮燃料，其实现难度较大，并且会耗费大量的成本。因此，在我国燃烧前处理仍处于研究阶段；（2）燃烧中处理。应用这一方法时应重点做好燃烧过程中抑制NOx的产生以及还原已经生成的NOx这两项内容，我们已经掌握的NOx的生成机理，我们知道降低NOx生成的有效对策就是缩短燃料在高温区域的停留时间、降低反应区内氧的浓度以及控制燃料区的温度等，那么我們就应以此为技术原理来制定各类低氮燃烧技术；（3）燃烧后处理。这种方法就是指烟气脱硝技术，主要有选择性非催化还原法和选择性催化还原法两种，其工作原理为将含氮的还原剂加入到烟气中，NOx会发生相应的还原反应，反应的产物为没有危害的水和氮气，在此过程中是要具备催化剂的，其能够大幅度的降低反应温度，并且也提升了反应的效率。

1.3 降氮脱硝系统的选型

控制NOx排放的两种最有效的技术就是低氮燃烧技术和烟气脱硝技术，前者的原理是在工艺上来减少NOx的生成，用较低的成本来实现对NOx的减排。因此，在我们最初开始对NOx采取减排措施时，通常都应采用低氮燃烧技术的，常见的低氮燃烧方法有烟气再循环、低氧燃烧、燃料分级燃烧和空气分级燃烧，低燃燃烧技术的投资和运行成本较低，并且操作简单方便，然而其能够减少的NOx的排放量也是有限的，现阶段只能减排NOx大概40%左右，还达不到降氮脱硝的目标值200mg/Nm3（备注：此数值为天津市环保局标准，我厂天津石化热电部要求在100 mg/Nm3以内）。要想进一步的降低NOx的排放量，就应采用烟气脱硝技术。我们通常将烟气脱硝技术分为选择性催化还原法和选择性非催化还原法以及综合法三种，其中，第一种方法的是不需要催化剂并且成本较低的，但其对反应温度有着严格的要求，脱硝的实际效率约为40%，而选择性催化还原法的脱硝效率则能够达到80%以上。所以，为了最大限度地保证燃煤锅炉的经济运行，取得理想的降氮脱硝的效果，就应采用低氮燃烧和SCR相结合的技术方法。

1.4 低氮燃烧技术的改造方案

此次改造工程采用的为空气分级燃烧的燃烧技术，这是一种广泛的、性能比较稳定且投资和运行成本较低的低氮燃烧技术，其能够很好完成锅炉的防渣工作，具备更宽的煤种适应性，并能够进一步提升锅炉的运行效率。由于煤粉炉燃烧温度不超过1500℃，热力型NOx的生成量很少，所以可以忽略氮气的氧化。燃料型NOx的快速形成主要集中于燃料的着火阶段，这时煤粉热解产生大量的挥发分。如果氧气充足，它们将迅速生成NO；如果氧气不足，则氮气的形成得到强化，NO的形成受到抑制。炉内空气分级燃烧就是根据这一原理，通过改变送风方式，控制炉内空气的分布，使煤在着火阶段缺氧，即在燃烧器出口和燃烧中心区域造成还原性气氛，从而降低NOx的生成量，未燃尽的炭粒将在炉膛上部的燃尽区与燃尽风混合并完全燃烧，其中燃尽风由主燃空气分流而来，并通过炉膛上部燃尽风喷口喷入燃尽区。炉内空气分级燃烧的实现形式主要有两种，即轴向空气分级燃烧和径向空气分级燃烧。

1.4.1 轴向空气分级燃烧（OFA方式）。将燃烧所需的空气分两部分送入炉膛：一部分为主二次风，约占总二次风量的70%～85%；另一部分为燃尽风（OFA，Over Fire Air），约占总二次风量的15%～30%。因此，炉膛内的燃烧分成三个区域，即热解区、贫氧区和富氧区（见图1）。上部燃尽风送入炉膛时，已经避开了高温火焰区，对未燃尽产物起完全燃烧的作用。

1.4.2 径向空气分级燃烧。径向空气分级燃烧是在与烟气流垂直的炉膛断面上组织分级燃烧，它是通过将二次风射流部分偏向炉墙来实现的（见图2）。径向分级燃烧不仅可以使主燃区处于还原性气氛从而降低NOx的排放量，还可使炉墙附近处于氧化性气氛，从而可以避免水冷壁的高温腐蚀以及因还原性气氛使灰熔点下降而导致的燃烧器附近的结渣。

对燃烧系统进行整体改造，对燃烧器应采用纵向的布置方式，从下到上分别为下二次风、下一次风、中下二次风、中一次风、中二次风、中上二次风、上一次风、三次风、上二次风、下燃尽风和上燃尽风。经过上述的改造，炉膛出口的NOx含量被降低超过了40%，取得了良好的改造效果。

1.5 SCR脱硝技术的应用

在应用了低氮燃烧技术的基础上，采用SCR脱硝技术能够进一步的降低NOx的排放量，将其浓度控制在100mg/Nm3以内，这一技术具有较强的适应性，也能够满足机组负荷变动频繁的要求。改造时应科学的选择催化剂的数量，从而控制投入的成本。（1）技术指标。SCR装置能够处理各种工况下的全部烟气量，为保证其稳定、持续并且安全的运行，应将烟气的温度控制在320-420摄氏度的条件下，同时应保证NOx在脱硫塔入口位置处的浓度是≤100mg/Nm3。（2）SCR系统的构成。系统的核心构成主要分为四个部分，分别为尿素热解反应器、尿素水解制氨系统、反应器系统和氨喷射器。（3）SCR工艺流程。先制成浓度50%的尿素溶液，在加入并搅拌均匀后将其存放到尿素溶液储存罐中。之后将其送到水解反应器中热解成氨气，之后其与热风会充分的混合稀释喷入反應区，在SCR反应器中催化剂的作用下，与烟气发生反应，从而取得去除NOx的目的。（4）SCR投入运行的效果。采用SCR脱硝技术系统改造后，锅炉NOx浓度被控制在≤100mg/Nm3，NH3逃逸的浓度为≤2.5mg/Nm3，脱硝率接近达到55%，与设计指标相比，各项指标都是更为优异的。

2 应用低氮燃烧和SCR脱硝技术的总体效果

从上述的各个锅炉的实际运行情况来看，低氮燃烧与SCR脱硝技术的联合应用取得了非常优益的效果，其综合的脱硝率已经超过了70%，NOx的排放浓度全部低于100mg/Nm3，保证了燃煤锅炉的经济运行，同时也符合环保工作的各项要求。

对于普通的燃煤锅炉来说，采用空气分级燃烧技术可以大大的降低NOx的排放量，对其的减排超过了40%，而采用SCR脱硝技术也可实现NOx减排超过50%，其综合的脱硝率超过了81%，最终NOx的排放浓度是要低于100mg/Nm3。

参考文献

[1]陈爱萍.火电厂燃煤脱硝技术及其分析[J].江苏电机工程，2010.

[2]马永杰.低氮燃烧与SCR脱硝技术相结合的改造[J].电力安全技术，2014.

[3]于钟丹.燃煤电厂低氮燃烧与烟气脱硝SCR技术联用研究[J].科技与企业，2013.

[4]张文斌.燃煤锅炉低氮燃烧改造联合SNCR脱硝技术应用[J].广东化工，2014.

[5]张燕.煤粉锅炉降氮脱硝技术比选及应用[J].石油化工节能，2011.