燃煤锅炉低氮燃烧控制分析

滕翔宇 胡崇

摘 要：在我国工业生产中，燃煤锅炉是重要的能量转换设备，在其运行中燃烧燃料会产生大量氮氧化物，如果未经有效处理，就会严重影响到环境质量。文章分析了燃煤锅炉运行中氮氧化物生成机理，以及当前对氮氧化物的治理现状，探讨低氮燃烧技术方案的应用，综合多方面因素设计研发，保证实际成效。

关键词：燃煤锅炉;氮氧化物;生成机理;低氮燃烧

1 氮氧化物生成机理

1.1 燃料型氮氧化物

人为排放氮氧化物中，燃料型氮氧化物是重要组成部分，根据统计显示此类型氮氧化物在氮氧化物总排放量中占比达到了75%。具体存在多项因素会影响到燃料型氮氧化物的生成，与空气系数过量、燃烧温度、煤种特性相关。还会受到燃料中氮受热分解挥发分、焦炭比例和成分等因素影响。

1.2 热力型氮氧化物

热力型氮氧化物的主要来源就是空气，在高温下与氧气反应生成氮氧化物。在氮氧化物中，热力型氮氧化物的占比较小，大约占比为20%，主要是温度因素和氧量影响热力型氮氧化物的生成。

1.3 快速型氮氧化物

在总氮氧化物中，快速型氮氧化物生成量占比低于5%，在富燃条件下表燃料中CH基团、空气中氮气反应而产生。其反应速度快因而称之为快速型氮氧化物，主要受氧气浓度影响，温度因素影响较少[1]。总的来讲，影响燃烧过程中氮氧化物形成的因素主要就是空气-燃料比、燃烧空气预热温度、燃烧区冷却程度和燃烧器形状。可以通过减少送入燃烧器过剩空气、降低火焰温度和燃烧室热强度、采用二段燃烧、烟气再循环等方式来降低氮氧化物浓度。

2 氮氧化物治理现状

当前国内外进行了氮氧化物危害性、燃煤发电燃烧中氮氧化物生成机理和降低控制技术的研究，氮氧化物的控制方法主要是燃烧前、燃烧中和燃烧后处理。在燃烧前，将燃料转化为低氮燃料来脱氮，此类型技术比较复杂、操作难度高、成本大，因此实际应用并不广。燃烧中脱氮方法，一方面是抑制燃烧中形成氮氧化物，另一方面是对已形成的氮氧化物还原处理。燃烧后脱氮主要指的是烟气脱硝，具体方法有选择性催化还原法、选择性非催化還原法。当前在燃煤锅炉中将氮氧化物方法的应用相对广泛，主要是燃烧中低氮燃烧技术、燃烧后烟气脱硝技术。燃烧中依据氮氧化物生机理采取相关低氮控制技术脱氮，包括低氧燃烧技术、空气分级燃烧技术和烟气再循环技术等。燃烧器需纵向布置，还原、主还原和燃尽三区形成。同时，布置四角切圆燃烧锅炉时采用横向双区形式，分为近壁区和中心区，炉膛中燃料和配风燃烧得以分区、分级、低温、低氧进行，此时燃煤锅炉运行中不会生成大量氮氧化物。

低氮燃烧技术工艺发展成熟，且实际投资和运行费用较低，使用低氮燃烧器可以有效降低氮氧化物形成，之后进行烟气脱硝处理，进一步降低脱硝设施入口氮氧化物浓度，保证其运行经济性。在当前降低氮氧化物排放的技术中，应用最广、操作简单、经济有效的技术就是低氮燃烧技术，但其局限之处就在于降低氮氧化物排放的程度有效，且需降低燃烧温度和降低烟气中氧浓度等，这些措施都不利于实现稳定燃烧，甚至会使得受热面受到还原性气氛的腐蚀，不合理增加飞灰含碳量的情况下还会影响到锅炉运行效率[2]。

3 燃煤锅炉低氮燃烧控制分析

3.1 空气分级燃烧技术

应用空气分级燃烧技术实现低氮燃烧控制下，要在炉内送入充足的空气，使燃料在其中可以分级分段燃烧，该技术在低氮控制运行中应用广泛。实际应用中，需要分两级将燃烧用空气送入，在第一级燃烧区将总燃烧空气70%～90%的量从主燃烧器供入炉膛，确保在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧，此时过量空气系数低于1，因此其燃烧速度、温度水平也进一步降低。由于燃烧条件为缺氧的富燃料燃烧，因此其燃烧过程被延迟，燃料在还原性气氛中燃烧进而生成一氧化碳，分解燃料中有机氮为HCN和-CN等，其相互符合、还原分解已有氮氧化物，燃料生成被抑制，同时降低了火焰峰值温度和热力型氮氧化物的生成。

各种类型氮氧化物的生成量会在很大程度受到燃烧区氧浓度的影响，过量空气系数在1以上时，燃烧区处于贫氧燃烧状态下，可以显著抑制氮氧化物的生产。根据该原理，减少供给燃烧区的空气量，使其在燃烧总空气用量的70%左右，以降低燃烧区氧浓度和温度水平。第一级燃烧区中可以使燃烧过程被推迟，进而有效抑制燃烧中生成氮氧化物。在通过燃烧器燃烬风喷口送入炉膛后，燃烧剩余空气会混合与第一级产生烟气，从而完成全过程燃烧。

共有两种炉内空气分级燃烧方式，分别是轴向和径向空气分级燃烧。轴向空气分级分两部分将燃烧需要空气送入炉膛，包含主二次风站总风量70%～85%，以及展总二次风量15%～30%的燃烬风。炉内分为热解区、贫氧区和富氧区三个燃烧区。径向空气分级燃烧是在垂直于烟气流的炉膛截面上进行的，通过二次风射流部分向炉墙偏向实现的。应用空气分级燃烧技术的过程中，需注意其存在二段空气量过大的问题，会产生较大的完全燃烧损失，煤粉炉在还原性气氛因素作用下则容易结渣和腐蚀。

3.2 燃料分级燃烧技术

可以将燃烧区域分为主燃烧区、还原区和燃尽区三个区域。主燃烧区也是一次燃烧区，将部分二次风管堵住后，可以降低主燃烧区氧浓度，同时保持其弱还原性和氧化性气氛。氮氧化物的生成机理表面，高温条件下容易生成氮氧化物。氧含量高的区域采取桑树措施，会使得主燃烧区在氧量不足的情况下，降低温度、燃烧速度，从而抑制生成热力型氮氧化物，在低含氧量下会加强氮气的形成。其中氧气含量不断降低的情况下，也会减弱锅炉出力，需将需要的部分空气、煤粉从锅炉上部投入以保证有足够出力，控制好燃烧火焰中心区助燃空气量，高氧浓度和高温情况则不会同时产生。

还原区也被称为再燃烧区，将再燃燃料送入还原区，其过量空气系数在1以下，因此此区域为还原性气氛，分解燃料中N生产NH和HCN等中心活性产物，还原部分NO、生成N2，以抑制氮氧化物形成。还原区温度越高，其燃料停留时间也会相应延长，同时实现愈加充分的还原反应，从而减少生成的氮氧化物量。但在实际应用中，受条件限制影响，其停留时间不可过长，需要多次实验以确定合理的燃料送入位置和停留时间。还原区上方为燃尽区，此区域作用是燃尽之前的再燃燃料，需通入一定量空气，燃尽再燃区燃料。燃烧中仍会产生氮氧化物，但经过此前两个环节其含量大幅度降低。

3.3 优化调整摆角、燃尽风和煤粉细度

燃煤锅炉运行中，通过优化调整摆角和燃尽风也可有效控制低氮燃烧，适当上倾调整燃尽风倾角则炉膛两侧不会出现温差。在锅炉总风量温度的情况下，结合实际运行，负荷提升下合理加大燃尽风挡板，以降低排放的氮氧化物和飞灰。对燃尽风的控制可以降低含氧量，在低氧燃烧状态下锅炉炉膛上部燃烧加强，火焰中心随之上移，有效抑制氮氧化物生成，实际锅炉运行中低氮燃烧效率提高。

煤粉细度也是影响低氮燃烧的重要因素，其中空气分级燃烧中尤为显著。在一次风喷口安装钝体稳燃器，在分级程度高的情况下，排放的细煤粉浓度高于粗煤粉，煤粉细度越大，更容易释出其中挥发成分，加大与空气接触表面积，而提前着火、温度升高。此状态下，焦炭可以更墙里还原NO，使排放的氮氧化物排放浓度降低。

4 结束语

在工业生产燃煤锅炉运行中，需采用合理的低氮燃烧方式控制氮氧化物排放，依据其生成机理改进脱氮技术，不断研发新型低氮燃烧技术和新型燃烧器，有效控制其排放和污染问题。

参考文献：

[1]陈俊峰，赵利岗.燃煤锅炉污染物控制新工艺的研究和试验[J].百科论坛电子杂志，2019（16）：459-464.

[2]孟志国.燃煤锅炉低氮燃烧优化策略分析[J].建筑工程技术与设计，2020（11）：4050.