浅谈锅炉燃烧调整对氮氧化物排放的影响

韩宝彬

（华夏国际电力发展有限公司，福建 厦门361000）

0 引言

对火力发电厂而言，锅炉在燃烧煤炭的过程中排放的大量烟气会给环境带来严重污染。烟气主要是由硫氧化物和氮氧化物组成，其中的氮氧化物在一定条件下可同碳氢化合物一起形成化学烟雾破坏大气环境；同时，它还是形成酸雨的主要因素。因此，降低烟气中氮氧化物的排放量是当前环保领域亟待解决的首要问题之一。所以，国家对全国火力发电厂单位发电量的氮氧化物、硫氧化物及烟尘平均排放水平做了详细规定。

本文所涉及的电厂采用4×300MW燃煤机组，由于电厂位于国家级旅游风景区，为保护当地环境，4台锅炉均采用低氮氧化物燃烧技术，同时还安装选择性催化还原（以下简称SCR）烟气脱硝装置。SCR采用氨—氮混合法脱硝，虽说SCR装置在设计时保证能在锅炉最低稳燃负荷35%BMCR和100%BMCR工况且烟气温度在280～380℃之间的任何负荷条件下持续、安全运行，即能在最大和最小污染物浓度之间的任何值下运行，并确保净烟气中NOx的含量符合国家标准，但是随着国家对环境保护的日益重视，对锅炉各排放参数有了更高的要求。加之SCR脱硝法工作过程中需要大量的液氨来进行还原反应，如此一来，无形当中就增加了发电企业的成本。为了确保锅炉烟气排放中的氮氧化物含量能够达到国家要求，并降低企业成本，就需要从锅炉燃烧入手，保证在氮氧化物排放符合标准的前提下，减少液氨的使用。鉴于此，笔者根据所在单位脱硝系统从设备调试、投产到通过168h满负荷运行以及经过8年实际运行所积累的经验，做一小结。本文根据NOx生成机理，应用运行燃烧调整的手段来降低锅炉SCR进口NOx含量，以减少锅炉耗氨量、降低企业生产成本，达到减少污染物排放的总体目标。

1 NOx的生成原理

煤炭在燃烧过程中主要产生一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）以及少量的其他种类氮氧化物（NOx），例如N2O。目前，火力发电厂按常规燃烧方式所生成的NOx中，NO占主要成分，高达90%；而NO2和N2O则比例很低，分别仅占5%～10%及1%。因此，要降低NOx的排放量就要从NO入手。根据NOx生成原理，煤炭燃烧过程中产生的氮氧化物量与煤炭燃烧温度、燃烧方式、过量空气系数以及烟气在锅炉内停留时间等因素密切相关。煤炭燃烧产生的NOx主要分为热力型NOx、燃料型NOx、快速型NOx3种。

1.1 热力型NOx

当温度高于1 500℃时，空气中的氮和氧发生氧化反应，生成的氮氧化物被称为热力型NOx。由此可见，温度和氧对热力型NOx的生成起决定因素。

如图1所示，在相同的条件下NOx生成量随温度的升高而增大。试验中我们发现，当温度在1 350℃以下时，几乎不生成热力型NOx；但随着温度的上升，热力型NOx生成量按指数规律迅速增加；当温度达到1 600℃以上时，热力型NOx占NOx生成总量的25%～30%。

图1 温度对NOx生成量的影响

因此我们可以判定，热力型NOx产生的主要条件是高燃烧温度，次要条件是高浓度的氧。

当过量空气系数小于1时，随着氧气浓度的增大，热力型NOx生成量也相应成比例增大，当过量空气系数等于1或稍大于1时达到最大。然而，当氧气浓度继续升高，过量氧会对火焰产生冷却作用，此时热力型NOx也随之降低。所以，可采取以下措施控制热力型NOx的生成：

（1）缩短在高温区域的停留时间；

（2）降低燃烧的峰值温度；

（3）降低燃烧的过量空气系数和局部氧浓度；

（4）使燃烧在远离理论空气比的条件下进行。

1.2 燃料型 NOx

燃料型NOx是指燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解，又接着氧化而成。当燃烧温度在1 200～1 350℃之间时，燃料中的氮70%～90%都是通过挥发分N氧化而成的，由此形成的NOx占燃料型NOx生成量的60%～80%。

所以燃料型NOx的生成量与火焰附近氧浓度密切相关。如图2所示，在过量空气系数小于1.4的条件下，挥发有机氮生成NOx的转化率随O2浓度上升而呈二次方曲线增大。

煤炭中氮化合物向NOx转化过程可由3个阶段组成：

（1）煤炭中的有机氮化合物与挥发分一起析出；

（2）挥发分中氮化物燃烧；

（3）焦炭中有机氮燃烧。

这个过程中，挥发有机氮生成NOx的转化率随燃烧温度上升而增大。燃烧温度较低时，燃料氮的挥发分份额明显下降。所以，燃料中氮并非全部转变为NOx，它存在一个转化率，而这个转化率还与燃料品种和燃烧方式有关。因此，可以从此方面入手采取以下措施控制燃料型NOx的生成：

（1）降低燃烧过程中的过量空气系数；

（2）控制燃料与空气的前期混合；

（3）提高入炉的局部燃料浓度。

图2 过量空气系数对NOx生成量的影响

1.3 快速型NOx

顾名思义，快速型NOx的反应速度比燃料型NOx要快许多，它的生成主要受压力影响较大，与温度关系较小。煤粉燃烧时，产生的CH原子团撞击N2分子，生成HCN类化合物，待其进一步氧化就会生成快速型NOx。它的转化率由过程中空气过剩条件和温度水平决定。快速型NOx的生成量比热力型NOx和燃料型NOx要少得多。

对于大型火力发电厂锅炉而言，在此3种NOx中，燃料型NOx是最主要的，占总生成量的60%以上；当燃料温度足够高时，热力型NOx生成量也可占总量的20%；快速型NOx则是生成量最少的一种。

2 锅炉燃烧调整对NOx排放量的影响

通过对NOx生成机理的分析，可以得出煤燃烧过程中氮氧化物的生成和排放与燃烧方式和燃烧条件密切相关。故此，笔者从运行可调整的角度出发，总结分析以下几点影响NOx排放量的主要因素：

（1）风箱与炉膛压差对NOx排放量的影响；

（2）氧量对NOx排放量的影响；

（3）锅炉配风方式对NOx排放量的影响；

（4）锅炉喷燃器OFA、OFA1、OFA2开度对NOx排放量的影响。

2.1 风箱与炉膛压差对NOx排放量的影响

做该项试验前，首先要保证锅炉的负荷、配风方式、氧量、磨煤机组合方式等均不变。经过试验，发现当二次风箱与炉膛压力的差压（Δp）增大时，锅炉的NOx排放量相对于其他情况都要低。这是因为二次风箱与炉膛压力的差压比较高时，二次风的风速比较高，动量大，刚性强。一次风从喷口出来后不久即被二次风所卷吸，射流轨迹变弯，形成一个转弯的扇形面，对卷吸周围的高温烟气更加有利。由于燃烧温度高，热力型NOx的生成量比较大，从而使总的NOx排放量增大。而二次风箱与炉膛压力的差压增大后燃料燃烧时温度有所降低，便于控制热力型NOx的生成。相反，二次风箱与炉膛压力的差压比较低时，二次风速比较低，动量小，刚性弱，二次风很快就与一次风混合，在煤燃烧初始阶段，大部分的挥发分氮随煤中其他挥发物一起释放出来，形成中间产物，如NHi、CH和HCN等，在氧气存在的条件下，这些中间产物会进一步氧化成NOx，使燃料型NOx的生成量增大，从而使总的NOx排放量增大。

2.2 氧量对NOx排放量的影响

做该项试验前，首先要保证锅炉的负荷、配风方式、风箱与炉膛压差、磨煤机组合方式等均不变。经过试验，发现随着氧的增加，锅炉的NOx排放量也在增加。但是当氧量增加到一定程度以后，NOx排放量的增加渐趋平缓。这是因为随着氧量的增加，炉内燃烧区域的供氧量加大，燃烧强度加强，炉膛火焰温度升高，热力型NOx的生成量增大。加之燃烧区域氧浓度增加，为燃料中氮化合物燃烧时的热分解产物进一步氧化成NOx提供了条件，从而使燃料型NOx的生成量也增加，所以总的NOx排放量增加。然而，氧量继续增大，说明送入锅炉的风量已经过大，就会造成燃烧区域的火焰温度降低，从而使热力型NOx的生成量减少，因此总的NOx排放量的增加趋势平缓；若氧量再继续增大，NOx的生成量还会有下降的趋势。

2.3 锅炉配风方式对NOx排放量的影响

做该项试验前，首先要保证锅炉的负荷、氧量、风箱与炉膛压差、磨煤机组合方式等均不变。试验结果表明：正三角配风方式下NOx排放量最高，而倒三角配风方式下锅炉NOx排放量最低，其他两种配风方式下NOx的排放量居中。之所以会如此，主要是因为：倒三角配风方式运行时，主燃烧区域内炉氧量相对较低，燃烧的火焰温度也要相对低一些，热力型NOx和燃料型NOx的生成量都较少。表1就是通过试验采用不同的制粉系统测量得出的在相同负荷下A、B、C、D制粉与B、C、D、E制粉运行时脱硝装置SCR进口的氮氧化物含量。

表1 负荷、制粉系统对SCR入口NOx排放量的影响

表1中A、B、C、D制粉运行时脱硝装置进口的氮氧化物含量平均为454mg／Nm3，比B、C、D、E制粉运行时的507mg／Nm3减少了10.5%。

机组给煤量在100t左右时，3台磨与4台磨运行的情况下脱硝装置进口的氮氧化物含量偏差较大，如表2所示。

表2 负荷、制粉系统对SCR入口NOx排放量的影响

表2中B、C、D制粉运行时脱硝装置进口的氮氧化物含量平均为420mg／Nm3，比B、C、D、E制粉运行时的471mg／Nm3减少了10.8%。

2.4 锅炉喷燃器 OFA、OFA1、OFA2开度对 NOx排放量的影响

在燃烧器区域上部送入过量的空气，在二期的#3、#4锅炉喷燃器设计上设有OFA、OFA1、OFA2 3层燃烬风，有助于燃料燃烬。通过对近年#3、#4锅炉脱硝系统的运行数据进行分析，我们发现采用倒三角配风方式运行时，飞灰可燃物是最少的。此时，顶部的3层燃烬风全开，由于顶部区域不是锅炉主要燃烧区域，火焰温度较低，就算该区域氧量较大，NOx的生成量也不会增大，因此，总的NOx排放量也较低。这说明OFA、OFA1、OFA2 3层燃烬风的投入确实能减少NOx的生成量。但是由于燃烧区域下部送入风量比较少，对进入炉膛的煤粉顶托能力不够，将致使炉渣可燃物含量比较大。采用正三角配风方式运行时，锅炉的主要风量都从炉膛燃烧区域下部送入，势必造成主燃烧区域氧量较大，加之主燃烧区域的火焰温度也相对较高，从而使热力型NOx和燃料型NOx的生成量增加，总的NOx排放量也就增大。但是这种配风方式下的炉渣可燃物含量会大大降低。表3显示了相同负荷下燃烬风全关与全开时脱硝装置进口的氮氧化物含量，从表中可以看出，燃烬风全开运行时脱硝装置进口的氮氧化物含量平均为413mg／Nm3，比燃烬风全关运行时的498mg／Nm3减少了17.1%。

表3 燃烬风门对SCR入口NOx排放量的影响

从以上数据分析可以看出：制粉组合、摆角位置、燃烬风开度三者对氮氧化物的生成影响也很大。

3 结论

经过对以上内容的分析及对该电厂锅炉（300MW机组）脱硝系统的调试、投产，通过试验及实际验证，笔者总结出了一套行之有效的降低锅炉NOx排放、减少锅炉喷氨量，从而降低机组运行成本的运行燃烧调整方法。该方法总结起来共有以下几点：

（1）采用低氧燃烧法。在保证锅炉燃烧正常的前提下控制过剩空气系数，即根据不同负荷段控制相应的O2，250MW负荷以上控制在1.0%以下，250～200MW时控制在1.2%左右，200MW以下时控制在2.0%左右。

（2）维持较高的风箱与炉膛压差。高负荷（250MW负荷以上）时Δp控制在0.65～0.75kPa之间，低负荷（250MW 负荷及以下）区段Δp保持在0.4～0.55kPa之间。

（3）依据负荷、煤质、气温、设备具体状态等因素，采用最佳摆角位置、制粉组合及配风方式。

（4）负荷允许的前提下，尽量保证顶部二次风（OFA、OFA1、OFA2）等风门的开度。

以上是笔者依据所在单位4×300MW机组锅炉脱硝系统的运行操作实践做出的小结。当然，由于脱硝系统在电站锅炉中的应用在我国还处于推广阶段，如何使降低NOx与优化锅炉燃烧、提高锅炉效率都得到优化与兼顾，还需通过锅炉燃烧效率试验来验证。

［1］李青，潘焰平，宋淑娜.火力发电厂节能减排手册［M］.中国电力出版社，2010

［2］周松，肖友洪，朱元清.内燃机排放与污染控制［M］.北京航空航天大学出版社，2010

［3］Stephen R Turns.燃烧学导论［M］.姚强，李水清，王宇，译.清华大学出版社，2009