鍋爐燃燒過程中氮氧化物（NOX）生成特點的研究

　　引言 
　　降低NOx排放的方法主要有兩種：一是燃燒中脫硝；二是燃燒后脫硝。以某臺最大出力320MW燃煤鍋爐為研究對象，通過對燃燒過程中NOx生成特點的討論，分析不同工況下影響NOx生成的主要因素，總結燃燒過程中控制NOx的方法，降低脫硝成本。該鍋爐采用美國燃燒工程公司的引進技術，采用平衡通風、直流燃燒器、四角切圓燃燒，采用中儲倉式熱風送粉系統，配4臺鋼球磨煤機。脫硝采用選擇性催化還原（SCR）、分級燃燒技術。機組控制方式為CCBF，230MW以上為定壓運行，230MW以下為滑壓運行。 
　　一、氮氧化物的危害 
　　氮氧化物分為一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）。一氧化氮無色無味，與血紅蛋白結合能力強，吸入后易造成人體缺氧。二氧化氮毒性比一氧化氮高4～5倍，對人體心臟、肝臟、腎臟和血液組織有強烈損害。 
　　鍋爐爐膛燃燒過程中形成的NO在排向大氣過程中氧化成NO2，NO2在陽光照射下分解成NO和O。氧原子進一步與大氣中污染物生成O3、PAN和H2SO4為主要成分的光化學煙霧。NO還與O3反應，使O3變成O2，導致臭氧層越來越薄。當NOx與SOx和粉塵共存時，可生成毒性更大的硝酸或硝酸鹽氣溶液，形成酸雨。 
　　二、NOx的生成機理 
　　在NOx中NO占90%以上，NO2占5～10%，煤燃燒過程中產生的NOx有三種類型，即熱力型、燃料型和快速型。 
　　熱力型NOx是燃燒空氣中的氮在高溫下氧化而成，隨著反應溫度的升高而增加。主要影響因素有燃燒反應的溫度、氧氣濃度和反應時間。 
　　燃料型NOx是燃料中的氮化物在燃燒過程中發生熱分解，并進一步氧化而生成，氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600～800℃就會生成燃料型NOx，它在煤粉燃燒NOx生成量占60～80%。同時還存在NO的還原反應，NOx的生成和還原與燃燒溫度、氧的濃度有關外還與煤的特性、煤中氮化物的存在狀態等相關； 
　　快速型NOx的生成是通過燃料產生的CH原子團撞擊N2分子，生成HCN類化合物，再進一步氧化生成。 
　　三、不同工況下NOx生成特點 
　　煤粉鍋爐燃燒過程中NOx的生成在不同工況（煤種為神華煤與貧瘦參配）下都有較為明顯的差別，如負荷、過量空氣系數、制粉系統運行方式等。 
　　1.負荷分為高負荷、低負荷、升負荷和降負荷等 
　　1）高負荷以320MW運行工況為研究對象 
　　由圖1知負荷320MW時NOx 高于240MW時，主要影響因素有： 
　　a.爐膛熱負荷 
　　爐膛熱負荷的高低不僅影響熱力型也影響燃料型NOx 的生成，從表1中可以看出高負荷時煤粉濃度大，燃料風、輔助風溫度高，爐膛熱負荷顯然高與低負荷。 
　　爐膛熱負荷的均勻性也影響NOx的生成，從圖1中的汽壓曲線變化來看高負荷時汽壓不穩將增加爐膛局部熱負荷的不均勻性，增加了NOx的生成。 
　　b.過量空氣系數 
　　氧量是影響NOx生成的最主要因素之一，高負荷時對總風量進行控制，因為爐膛熱負荷高SCR入口NOx過大將增加噴氨量，如不及時調節極易造成NOx超標排放，所以從圖1可見總風量有個下降的過程，NOx明顯下降。但是風量不能過低，因為風量過低不僅增加不完全燃燒熱損失，降低鍋爐效率，還影響爐膛燃燒穩定，甚至引起滅火。圖1中總風量下調后隨即上升。 
　　2）低負荷以180MW運行工況為研究對象 
　　從表1中可知，低負荷磨煤機運行臺數少、煤粉濃度低、風溫低，爐膛熱負荷明顯低于高負荷，故NOx低于高負荷，但低不太多，甚至還高于240MW時，主要影響因素： 
　　a.過量空氣系數 
　　低負荷時為了穩定燃燒，氧量不能太低。 
　　b.爐膛熱負荷 
　　上層燃燒器停運，火焰中心下移，實際上延長煤粉在在爐內燃燒時間，見表1，低負荷時的風速明顯低，也延長了燃盡區的比例，爐膛溫度低抑制了NOx的生成。 
　　c.風箱差壓 
　　低負荷時總風量低，為防止鍋爐效率降低，需保證燃盡風量，二次風箱差壓低，關小下層輔助風、燃料風以提高二次風的剛性，這樣減少了揮發分著火區段的氧濃度。 
　　由此可見，低負荷時煤粉燃燒過程中NOx的生成是復雜的、多種因素綜合作用的過程。 
　　3） 變負荷工況以240MW加至320MW和320MW減至180MW過程為研究對象加負荷過程是先加風后加煤的過程，減負荷時先減煤后減風，所以變負荷過程初始階段氧量都是變大的，因而NOx呈上升趨勢（圖1）。 
　　在變負荷過程中除了氧量外爐膛熱慣性是影響NOx生成的主要因素，在減負荷時尤為明顯。從圖1中減負荷曲線來看NOx曲線升的很快，而且負荷減得越快NOx升的越快。這是因為減負荷時部分燃燒器停運，煤粉濃度下降，但爐膛溫度在短時間內下降不多，致NOx生成量上升較多。 
　　2.制粉系統運行方式對NOx的影響 
　　以機組負荷300MW不變時制粉系統運行方式改變為研究對象 
　　試驗概況見表2和圖2 
　　除DD層輔助風由67%關至59%之外，其它風門都不變 
　　由圖2知，負荷300MW穩定，ABC三套制粉系統運行，期間（A點到B點）B制粉系統停運，B點后啟動。 
　　ABC運行期間的總風量明顯高于AC運行期間，E點之前大于EF之間，B制粉系統停運后減少了進入爐膛的總風量，使SCR入口NOx明顯下降，由400mg/Nm3以上降至400mg/Nm3一下（圖2C點前后）。 
　　再次投運B制粉系統，NOx又上升到400mg/Nm3以上，主要是因為三次風的投入促進了未燃盡煤粉的燃盡以及三次風中細煤粉的燃燒，同時富氧燃燒將使NOx的生成量有所增加，煙氣中剩余氣態含N物質以及焦炭中N被氧化生成NOx。 
　　四、結論 
　　通過對不同工況下（煤種不變）NOx生成特點的研究，探索并采用降低鍋爐燃燒過程中NOx生成量的技術將節約噴氨量，保證NOx達標排放，取得良好的安全、經濟效益。控制燃燒過程中NOx生成應關注下列幾點： 
　　1.過量空氣系數大，NOx生成多。運行過程中注意對SCR入口氧量的監視，采用低氧燃燒，但要保證燃盡風量，注意一氧化碳的監視，防止過量缺氧，增加不完全燃燒熱損失，導致鍋爐效率下降。負荷變動大、啟停制粉系統過程中注意風量的調節，主燃燒區隨負荷升降而加減二次風，減少著火區段的氧濃度。采用空氣分級燃燒可降低NOx的生成。 
　　2.爐膛熱負荷越高，NOx生成越多。適當降低熱風溫度，采用燃料分級燃燒，有利于減少NOx的生成。 
　　3.爐膛熱負荷不均，NOx生成變多。采用均等配粉，維持汽壓、爐膛壓力的穩定，穩定爐膛火焰中心，保證二次風的剛性，防止火焰偏斜。 
　　4.制粉系統運行數量越多，則NOx生成越多。運行中加強制粉系統的運行維護，保證制粉出力，加強輸煤、加倉管理。 
　　5.如果煤種變化大，爐膛燃燒將更加復雜，影響NOx生成的環境和條件更加多變，建議電廠盡量燃用設計煤種或者盡量保持煤種穩定。