锅炉燃烧过程中氮氧化物生成特点的研究
锅炉燃烧过程中氮氧化物生成特点的研究
唐志俊
（安徽池州九华发电公司 安徽
2471000）
摘要：环境污染问题是当前全球关注的焦点，保护环境不仅涉及到人与自然和谐相处，更关系到人类自身生存与发展。电厂燃煤锅炉对环境污染主要是NOx、SO2和粉尘污染，其中，NOx因为对人类生态环境和人体健康的危害极大，所以成为重点控制排放的污染物之一
。减少燃煤电厂污染物的排放，特别是NOx的排放具有积极意义。降低NOx的排放应降低成本，从源头控制。
关键词
氮氧化物 热负荷 氧量 环境保护
引言
降低NOx排放的方法主要有两种：一是燃烧中脱硝；二是燃烧后脱硝。以某台最大出力320MW燃煤锅炉为研究对象，通过对燃烧过程中NOx生成特点的讨论，分析不同工况下影响NOx生成的主要因素，总结燃烧过程中控制NOx的方法，降低脱硝成本。该锅炉采用美国燃烧工程公司的引进技术，采用平衡通风、直流燃烧器、四角切圆燃烧，采用中储仓式热风送粉系统，配4台钢球磨煤机。脱硝采用选择性催化还原（SCR）、分级燃烧技术。机组控制方式为CCBF，230MW以上为定压运行，230MW以下为滑压运行。
一、氮氧化物的危害
氮氧化物分为一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。一氧化氮无色无味，与血红蛋白结合能力强，吸入后易造成人体缺氧。二氧化氮毒性比一氧化氮高4～5倍，对人体心脏、肝脏、肾脏和血液组织有强烈损害。
锅炉炉膛燃烧过程中形成的NO在排向大气过程中氧化成NO2，NO2在阳光照射下分解成NO和O。氧原子进一步与大气中污染物生成O3、PAN和H2SO4为主要成分的光化学烟雾。NO还与O3反应，使O3变成O2，导致臭氧层越来越薄。当NOx与SOx和粉尘共存时，可生成毒性更大的硝酸或硝酸盐气溶液，形成酸雨。
二、NOx的生成机理
在NOx中NO占90%以上，NO2占5～10%，煤燃烧过程中产生的NOx有三种类型，即热力型、燃料型和快速型。
热力型NOx是燃烧空气中的氮在高温下氧化而成，随着反应温度的升高而增加。主要影响因素有燃烧反应的温度、氧气浓度和反应时间。
燃料型NOx是燃料中的氮化物在燃烧过程中发生热分解，并进一步氧化而生成，氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600～800℃就会生成燃料型NOx，它在煤粉燃烧NOx生成量占60～80%。同时还存在NO的还原反应，NOx的生成和还原与燃烧温度、氧的浓度有关外还与煤的特性、煤中氮化物的存在状态等相关；
快速型NOx的生成是通过燃料产生的CH原子团撞击N2分子，生成HCN类化合物，再进一步氧化生成。
三、不同工况下NOx生成特点
煤粉锅炉燃烧过程中NOx的生成在不同工况（煤种为神华煤与贫瘦参配）下都有较为明显的差别，如负荷、过量空气系数、制粉系统运行方式等。
1. 负荷分为高负荷、低负荷、升负荷和降负荷等
1）高负荷以320MW运行工况为研究对象
图 1
表1
|
参数 负荷（MW） |
240 |
240～320 |
320 |
320～180 |
180 |
|
总风量（t/h） |
620～720 |
620～940 |
850～970 |
950～530 |
460～510 |
|
氧量（%) |
2～3.7 |
|
2～2.7 |
|
2.2～3.7 |
|
一次风温（℃） |
280 |
|
295 |
|
270 |
|
二次风温（℃） |
295 |
|
312 |
|
274 |
|
风箱差压（KPa） |
0.12～0.32 |
0.13～0.52 |
0.52～0.76 |
0.7～0.1 |
0.1 |
|
SCR入口NOx（mg/Nm3） |
280～300 |
260～320 |
270～450 |
310～620 |
310～350 |
|
制粉系统运行方式 |
ABC |
ABC |
ABC |
BC |
BC |
|
平均浓度 |
0.497 |
|
0.627 |
|
0.385 |
|
一次风率（%） |
0.416 |
|
0.286 |
|
0.408 |
|
一次风速m/s |
28.7 |
|
28.7 |
|
25.5 |
由图1知负荷320MW时NOx 高于240MW时，主要影响因素有：
a.炉膛热负荷
炉膛热负荷的高低不仅影响热力型也影响燃料型NOx 的生成，从表1中可以看出高负荷时煤粉浓度大，燃料风、辅助风温度高，炉膛热负荷显然高与低负荷。
炉膛热负荷的均匀性也影响NOx的生成，从图1中的汽压曲线变化来看高负荷时汽压不稳将增加炉膛局部热负荷的不均匀性，增加了NOx的生成。
b.过量空气系数
氧量是影响NOx生成的最主要因素之一，高负荷时对总风量进行控制，因为炉膛热负荷高SCR入口NOx过大将增加喷氨量，如不及时调节极易造成NOx超标排放，所以从图1可见总风量有个下降的过程，NOx明显下降。但是风量不能过低，因为风量过低不仅增加不完全燃烧热损失，降低锅炉效率，还影响炉膛燃烧稳定，甚至引起灭火。图1中总风量下调后随即上升。
2）低负荷以180MW运行工况为研究对象
从表1中可知，低负荷磨煤机运行台数少、煤粉浓度低、风温低，炉膛热负荷明显低于高负荷，故NOx低于高负荷，但低不太多，甚至还高于240MW时，主要影响因素：
a.过量空气系数
低负荷时为了稳定燃烧，氧量不能太低。
b.炉膛热负荷
上层燃烧器停运，火焰中心下移，实际上延长煤粉在在炉内燃烧时间，见表1，低负荷时的风速明显低，也延长了燃尽区的比例，炉膛温度低抑制了NOx的生成。
c.风箱差压
低负荷时总风量低，为防止锅炉效率降低，需保证燃尽风量，二次风箱差压低，关小下层辅助风、燃料风以提高二次风的刚性，这样减少了挥发分着火区段的氧浓度。
由此可见，低负荷时煤粉燃烧过程中NOx的生成是复杂的、多种因素综合作用的过程。
3）变负荷工况以240MW加至320MW和320MW减至180MW过程为研究对象
加负荷过程是先加风后加煤的过程，减负荷时先减煤后减风，所以变负荷过程初始阶段氧量都是变大的，因而NOx呈上升趋势（图1）。
在变负荷过程中除了氧量外炉膛热惯性是影响NOx生成的主要因素，在减负荷时尤为明显。从图1中减负荷曲线来看NOx曲线升的很快，而且负荷减得越快NOx升的越快。这是因为减负荷时部分燃烧器停运，煤粉浓度下降，但炉膛温度在短时间内下降不多，致NOx生成量上升较多。
2. 制粉系统运行方式对NOx的影响
以机组负荷300MW不变时制粉系统运行方式改变为研究对象
试验概况见表2和图2
表2
|
制粉系统运行方式 |
ABC |
AC |
ABC |
|
总风量（t/h） |
840 |
820 |
820 |
|
氧量（%） |
≥2.7 |
≥2.7 |
2.3 |
|
一氧化碳（mg/Nm3） |
≤11 |
≥11 |
28 |
|
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