大型燃煤电站锅炉低NOx燃烧及其排放特性的研究

冯剑锋

（广西桂能科技发展有限公司 广西南宁 530000）

大型燃煤电站锅炉低NOx燃烧及其排放特性的研究

冯剑锋

（广西桂能科技发展有限公司 广西南宁 530000）

通过对不同要求的锅炉效率以及燃煤电站NOx燃烧排放浓度分析，优化变权重，来提高燃煤电站锅炉低NOx燃烧效率和排放浓度，综合权衡燃煤电站锅炉低NOx燃烧和排放浓度之间的平衡点。根据工况特点确定双目标最优参数后，可以指导大型燃煤电站锅炉优化运行。本文将对大型燃煤电站锅炉低NOx燃烧运行进行分析综述，并在此基础上就其排放特性影响因素谈一下个人的观点和认识，仅供参考。

NOx；燃烧；排放；大型燃煤电站；锅炉；研究

对于大型燃煤电站而言，锅炉中的NOx燃烧率与排放是一对矛盾体，二者之间存在着一定的关联性。如何进行低NOx燃烧、减少排放，是一个非常重要的研究课题，关系着我国大型燃煤电站以及工业建设事业的可持续发展。

1 低NOx燃烧运行概述

1.1 煤燃烧过程中NOx生成原理

实践中，若想研究煤燃烧时生成的NOx和影响因素，就必须对NOx的多种反应进行考虑，有学者通过均相模型分析了超过二百种基元反应。虽然研究的均相反应能够有效模拟如何生成NOx，但是在应用实践中，仅有反应方程是远远不够的。比如，固、液燃料在燃烧过程中，涉及到很多种反应类型；气体燃料在燃烧过程中，可能会与其它燃料的燃烧反应相关。然而，方程的计算一般都比较复杂，研究时很难准确阐明各组对生成NOx产生的影响。实践中，通常将NOx生成分为快速、热力以及燃料类等几种NOx。就热力型NOx而言，实际上就是空气中的氮气，在高温条件下氧化成氮氧化物。根据该反应机理，氮气在高温条件下被氧化，其链式反应如下：

2N+O→NO+N①

2N+O→NO+O②

N+OH→NO+H③

氮分子在分解过程中，需要较大的活化能，该反应需在高温条件下进行。从这一层面来讲，上述反应的速率主要决定于①。

1.2 煤燃烧过程中生产NOx的基本原理

在煤燃烧过程中，生成NOx时，包括了均相燃烧、残焦燃烧等。在富氧条件下，氮化合物在火中持续的时间越长，则氧化就越充分，生成的NOx量就越高。

焦炭燃烧过程中生成的NOx，主要决定于以下因素，即焦炭燃烧时转化的NOx、NOx与一氧化碳和焦炭发生还原反应。其中，前者主要决定于焦炭含氮量、含氧量以及燃烧时的温度，转化的NOx量随着氮、氧的含量增加而不断增加。随着温度的不断升高，逐渐增加了焦炭燃尽率，生成的NOx量也随之增加。一氧化碳、焦炭表面，会对NOx还原分解，从而减少NOx，反应方程式如下：

2NO+α（-C）→0.5N+（2α-1）CO+（1-α）CO

上式中的α与碳粒类型、温度关系密切，其反应机理是在吸附在碳原子上的两个NO分子发生反应。其中一个碳原子与氧原子结合，生成-C-O；另一个则吸附氮原子，生成-C-N。从上述机理来看，焦炭燃烧过程中生成的NOx，是氮析出时与氧气发生化学反应，生成的NOx向外、向内扩散。其中，向内扩散者因在缺氧而在焦炭内表明、外表面被还原成氮气。在该反应中，焦炭孔隙的大小，起到了非常重要的作用。

1.3 炉内燃烧过程中的NOx生成原理

在炉内燃烧时，生成NOx的过程主要包括三个部分，即快速、热力以及燃料型NOx，各部分比例不尽相同。对于快速型NOx而言，即便是在α＞1工况下，局部区域因混合不均而造成富燃料区域。在此区域范围内，还会生成快速型NOx。实践中可以看到，因其生成的时间非常的短，生成量不超过总量的5%，所以完全可以忽略之。实践中可以看到，在很多情况也会对生成热力型NOx产生影响。比如，如炉内温度、氧含量以及煤炭类型和炉内混合状况等。通常情况下，在煤粉燃烧火焰中，热力型NOx占比约20%，温度对其产生的影响比较大。NO（x燃料）在NOx总排放量中约占75%，其又可以分为挥发分、焦炭两部分NOx，以前者为重。在初始燃烧阶段，工况条件对其产生的影响比较大；对于焦炭型NOx而言，受工况条件的影响相对较小。煤粉燃烧过程中，其基本机理如图1所示。

图1 煤粉燃烧过程中的NOx生成基本原理示意图

基于图1，煤粉炉中沿火焰向生成的NOx分三个流程，各流程对应炉内燃烧的各个阶段，即初始、挥发分以及焦炭三个燃烧阶段。其中，第一个阶段中氧含量比较高，温度却非常的低，此区域生成的NOx量也比较少；第二个阶段中炉内的温度非常的高，而且氧含量也非常的高，生成NOx的反应速度也比较快，生成量急增。随着炉温不断升高，接近最高值时，生成量达到极限；第三个阶段中的温度、氧量明显下降，虽然焦炭燃烧过程中不断生成NOx，但因存在着NOx而被还原分解，NOx的总量基本持衡或有减少。

2 影响NOx排放特性的因素分析

在大型燃煤电站锅炉运行过程中，影响NOx生成情况的因素比较多，比如锅炉设计、运行因素和煤质特点及属性等。对于锅炉结构设计这一影响因素而言，其又可以细分成燃烧方式（比如前墙式、对冲式以及切向燃烧式等）、锅炉本身的容量、燃烧器结构以及区热负荷等。从运行参数来看，又有负荷、二次风配风、过氧量以及一次风率等因素。同时，煤质也是一个非常重要的影响因素，其中包含了挥发分含量、燃料比以及氮含量和碳氢比等。实践中可以看到，锅炉设计因素具有固定性，所以本文仅探讨锅炉运行参数、煤质燃料的特性等因素，对NOx产生及排放量产生的影响。

2.1 燃料特性

对于燃煤锅炉中的NOx排放而言，主要来自于燃料含氮。从整体上来看，燃料中的氮含量高，NOx排放量就会越大，燃料中的含氮形式不同，其生成量也会发生改变。随着燃煤挥发分不断增加，因着火提早、平均值和温度峰值提高，增加了热力型NOx，并且燃料型NOx也呈上升之势，NOx的总量增加。煤挥发成分中元素比会对NOx的实际生成量产生影响，煤中的氧、氮之比越大，在排放的NOx量就越高。氮之比相同时，转化率、过量空气系数之间存在这一定的关系，系数越大，转化率越高，排放的NOx量也会增加。

2.2 “三项指标”对NOx量产生的影响

这里所讲的三项指标，即过量空气系数、过氧量以及总空气量，三者对生成的NOx量产生的影响非常的显著。其中，过量空气系数对热力型、燃料型NOx均会产生一定的影响，当过量空气系数（α）在0.8～1.1之间时，随着α的不断增加，煤炭燃料的燃烧就越充分，煤炉中的温度也会随之升高，燃料型、热力型NOx增加；当α大于1.1时，随着α的不断增加，空气总量也随之增加，炉中的温度就会逐渐降低，此时热力型NOx生成量减少，而燃料型NOx不断增加。整体而言，随着α的不断增加，NOx排放量先增后缓。在没有分级燃烧情况下，过量空气系数的降低，可使NOx的排放量降低20%。然而，这样会因不完全燃烧而造成损失，或者导致水冷壁高温腐蚀。在过量空气系数选择过程中，应当综合考虑各方面的因素。

2.3 一、二次风率对生成NOx量的影响

对于一次风量而言，主要是为了有效满足前期燃烧，而且与煤质挥发份之间存在着非常密切的关系。如果一次风率太大，则二次风旋流就会减弱，无法形成良好的风包火燃烧，而且对水冷壁难以起到很好的保护作用，甚至导致火炬刷墙。需要强调的是，一次风率太小，风速就会降低，此时可能会导致煤粉管堵粉或者着火点提前，对喷口的安全产生威胁；同时，一次风的刚性变弱，二次风强大旋流引射后会提前混合，以致于燃烧混乱、温度降低，无法进行分级燃烧，而且灰渣的燃烬度非常的差。

2.4 燃尽风产生的影响

从实践来看，燃尽风通常对NOx的实际排放量会产生较大的影响。燃尽风量不断增加，会导致燃烧器（下层）风量变小，煤粉前期的燃烧就会处于贫氧状态。同时，分级燃烧非常的明显，NOx实际排放量明显减少。研究发现，保持稳定的总二次风量、提高燃尽风率，就会降低主燃区的氧浓度，抑制了NOx的生成。然而，燃尽风率的不断增加，会降低主燃区的二次风量，导致二次风旋流刚性变差、强度减弱，无法形成理想的风包火燃烧状态。

2.5 负荷产生的影响

锅炉负荷的不断增加，会降低炉中的过量空气系数，对NOx生成燃料的用量减少有帮助。同时，随着炉中用煤量的不断增加，温度不断升高，NO（x热力型）排放量明显有所增加。NOx总排放量随着负荷的不断增加而增加，锅炉的热效率在正常运行状态下随着负荷的不断增大而增大，然而变化并不明显。

2.6 煤粉细度产生的影响

实践中可以看到，煤粉越细，加热、燃烧就越快，炉中温度越高，从而使NO（x热力型）量增加。煤粉加热比较快，而且温度峰值比较高，煤粉燃尽度非常的高，与空气容易混合，NO（x燃料型）增加。随着煤粉细度的不断增加，燃尽度、燃烧稳定性越好，NOx生成总量增加，磨煤机耗能增大。利用细煤粉进行低氧燃烧，NOx的生成量就会减少。

3 结束语

本文研究了优化低NOx燃烧一般方法，在外来发展过程中，应当编制功能齐全、界面完善的低NOx燃烧控制系统，结合DCS系统，对大型燃煤电站锅炉低NOx燃烧闭环控制。

[1]刘海峰.电站燃煤锅炉燃烧优化系统研究[D].华北电力大学，2012.

[2]张清福.电厂锅炉低NOx燃烧系统技术研究[D].浙江大学，2013.

X701.3

A

1004-7344（2016）26-0235-02

2016-8-29

冯剑锋（1988-），男，汉族，广西南宁人，助理工程师，本科，主要研究方向为热能电力系统试验及调试。