燃煤锅炉NOx排放特性及其燃烧优化
(神华国华国际电力股份有限公司 北京热电分公司，北京 100025)
摘 要： 文章通过对某厂410t/h锅炉NOx排放的试验研究，分析了锅炉运行参数对锅炉效率和NOx排放 量的影响，提出了在现行条件下，通过燃烧优化提高锅炉效率，减少NOx的排放的方法。
关键词：低NOx排放；锅炉效率；燃烧优化；锅炉运行
中图分类号：TM621.2 文献标识码：A 文章编 号：1007—6921(2009)11—0079—04
随着我国经济的增长和电力工业的快速发展,燃煤产生的NOx污染物与日剧增。氮氧化物（N Ox）是大气污染物之一。由于NOx对人类乃至整个生态系统的危害巨大,对其排放量的控制已 引起全球范围内的普遍重视,绝大多数国家和地区都制定了较严格的限制NOx排放的法规和 标准。表1为我国颁布的燃煤锅炉氮氧化物新排放标准，于2004年1月1日开始实施〔1〕。有些地方标准还高于国家标准，如2002年1月7日北京市规定〔2〕，在2005年10月31 日前，锅炉的NOx排放量要小于300mg/m3，2005年11月1日后要小于250mg/m3。2003年1 月国务院颁布了最新的《排污收费管理条例》，规定NOx排放于2004年7月1日起列入缴纳排 污费范围。控制电站锅炉NOx的排放量势在必行。
本文的研究对象为某电厂HG-410/9.8-YM15型锅炉。该锅炉为单汽包、自然循环、四角切 圆燃烧、固态排渣、平衡通风、单炉膛露天Π型布置、热风送粉燃煤锅炉。其制粉系统为中 间储仓式球磨制粉系统。燃烧器由上至下依次为三次风、OFA风、二次风、一次风、二次风 、一次风、二次风、一次风、二次风。
锅炉燃烧优化通常是降低NOx排放的首选方法。燃烧优化是通过锅炉燃烧器运行参数的调整 实现的,采取控制过量空气系数,燃烧器一、二次风量配比的调整,制粉系统优化运行等方法, 从而在现有条件下通过燃烧优化最大限度的降低NOx的生成量。对于已经采用低NOx燃烧技 术的电站锅炉,燃烧优化仍然是降低锅炉NOx排放的重要前提。
煤粉燃烧是NOx排放的主要来源，虽然近年来对煤在燃烧过程中NOx的形成，以及开发应用低 NOx燃烧技术等方向有较多研究〔3〕〔4〕〔5〕，但对在役燃煤锅炉NOx的排放特性 和从运行上通过燃烧优化控制NOx的生成，研究的仍然不多。
1 燃煤锅炉NOx生成机理
煤燃烧生成的氮氧化物主要包括NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等几种， 统称为NOx。在通常的燃烧温度下，煤粉燃烧生成的NOx中，NO占90％以上，NO2占5％～10 ％。其中污染大气的主要是NO和NO2。NOx生成的途径主要有三个，即燃料型NOx（Fuel N Ox）、热力型NOx（thermal NOx）、快速型NOx（Prompt NOx）。
1.1 热力型NOx的生成
热力型NOx是空气中的氧(O2)和氮(N2)在燃料燃烧时所形成的高温环境下生成的NO和NO2的总和，其总反应式为：
N2+O2←→2NO
NO+O2←→NO2
当燃烧区域的温度低于1000K时，NO的生成量很小，而温度在1300～1500℃时，NO的浓度大 约为500～1000ppm，而且随着温度的升高，NOx的生成速度按指数规律增加。因此，温度对 热力型NOx的生成具有决定作用。根据热力型NOx的生成过程，要控制其生成，就需要降低锅 炉炉膛中燃烧温度，并避免产生局部高温区，以降低热力型NOx的生成。
1.2 燃料型NOx的生成
燃料型NOx的生成是燃料中的氮化合物在燃烧过程中氧化反应而生成的NOx，称为燃料型NOx 。燃煤电厂锅炉中产生的NOx中大约75～90%是燃料型NOx，因此燃料型NOx是燃煤电厂锅炉产 生NOx的主要途径。在燃料进入炉膛被加热后，燃料中的氮有机化合物首先被热分解成氰(HC N)、氨(NH3)和CN等中间产物，它们随挥发份一起从燃料中析出，它们被称为挥发份N。挥 发份N析出后仍残留在燃料中的氮化合物，被称为焦炭N。随着炉膛温度的升高及煤粉细度的 减小(煤粉变细)，挥发份N的比例增大，焦炭N的比例减小。挥发份N中的主要氮化合物是HCN 和NH3，它们遇到氧后，HCN首先氧化成NCO，NCO在氧化性环境中会进一步氧化成NO，如在 还原性环境中，NCO则会生成NH，NH在氧化性环境中进一步氧化成NO，同时又能与生成的NO 进行还原反应，使NO还原成N2，成为NO的还原剂。
1.3 快速型NOx的生成
快速型NOx主要是指燃料中的碳氢化合物在燃料浓度较高区域燃烧时所产生的烃与燃烧空气 中的N2分子发生反应，形成的CN、HCN，继续氧化而生成的NOx。因此，快速型NOx主要产 生于碳氢化合物含量较高、氧浓度较低的富燃料区，多发生在内燃机的燃烧过程。而在燃煤 锅炉中，其生成量很小。
根据以上三种NOx的生成机理可知，NOx的生成主要与火焰中的最高温度、氧和氮的浓度以及 气体在高温下停留时间等因素有关。在实际工作中,可采用降低火焰最高温度区域的温度、 减少过量空气等措施,降低NOx的生成量。
2 锅炉参数对NOx排放的影响
NOx浓度测量使用的仪器是Testo-350烟气分析仪，试验期间锅炉负荷等参数保持稳定。文中 所有图表的NOx排放浓度均已折算成氧量为6％条件下的浓度值。
2.1 锅炉负荷对NOx排放的影响
试验煤种为神华准格尔混煤，混合比例为7∶3。锅炉负荷变化范围为180t/h～450t/h(即45 ％～110％负荷)。试验结果如图1所示。NOx排放浓度随锅炉负荷升高而降低。锅炉负荷提高 ，会引起氧量减少，抑制燃料型和热力型N0x的生成。同时锅炉负荷提高，意味着炉内燃烧 温度水平的提高，将促进燃料型和热力型NOx生成。但显然温度提高引起的NOx增加量不抵氧 量减少引起的NOx的减少量，所以总的趋势仍是减少的。
2.2 过量空气系数对NOx排放的影响
燃烧过程中氧量增加，即过量空气系数增大，对燃料型NOx和热力型NOx的生成有促进作用。 燃料型NOx排放浓度随氧量增加而增加，热力型NOx排放浓度同样是随氧量的增加而增加。因 此综合效果是促进了NOx生成，使NOx排放浓度增加。
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2.3 制粉系统对NOx排放的影响
制粉系统主要是通过三次风的不同配风运行方式影响NOx排放。双磨运行即三次风全投，单 磨运行即三次风投对角。图3为制粉系统不同运行方式对NOx排放浓度的影响试验结果。由图 可见，双磨运行比单磨运行，NOx排放浓度降低了10％以上。三次风中较细煤粉，起到燃料 再燃的效果，且因使主燃区氧量减少，同时三次风温度相对较低（65℃左右），降低了该区 域的温度水平，这些都有利于降低NOx排放。
3 燃煤锅炉低NOx燃烧优化
3.1 氧量控制优化燃烧
过量空气系数的调整与控制是降低NOx排放浓度的有效措施。低氧燃烧能降低炉内燃烧温度 ，抑制并还原N0x，降低N0x排放。而从燃烧角度讲，增加氧量有利于飞灰燃尽，降低固体不 完全燃烧热损失，但到一定值后，再增加氧量对降低未完全燃烧损失没有效果。而氧量增加 会使排烟损失明显增加，造成锅炉效率降低。如图4、图5所示。
考虑该锅炉燃用神华准格尔混煤的实际情况，我们认为，将氧量控制在小于3％范围内较合 理，此时NOx排放较低，锅炉效率也比较高。
3.2 制粉系统优化运行
三次风能有效降低NOx的生成量（图1、图2中，NOx排放浓度最低的工况点即为双磨运行工况 ），但不会影响锅炉燃烧效率。由于三次风处于炉膛较高位置，低氧双磨运行时，会使固体 不完全燃烧热损失增加，如图6所示。同时由于采用低氧燃烧，使排烟量减少，排烟热损失 减少，锅炉效率较高，如图7所示。因此，为减少NOx排放，运行人员应根据负荷要求，在适 当的时候采用双磨运行，既利于降低NOx排放，也利于锅炉效率的提高。
4 结论
①对现役燃煤锅炉，通过燃烧优化调整，能够减少NOx的生成，降低NOx排放浓度； ②试验表明，燃煤锅炉N0x排放量随锅炉负荷降低而增加；③随着氧量增加，N0x排放浓度提高。对燃用烟煤（神华准格尔混煤）的锅炉，氧量控制 在小于3％的水平是比较理想的运行工况，既有利于NOx排放浓度的降低，也有利于提高锅炉 效率；④制粉系统投运，即三次风投运有利于降低NOx的排放。
［参考文献］
［1］ GB13223-2003.火电厂大气污染物排放标准［S］.
［2］ DB11/139-2002.锅炉污染物综合排放标准［S］.
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［4］ 胡光，等.四角切圆锅炉浓淡燃烧器的应用研究［J］.华北电力技术,2002,12: 32－34.
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