降低電站鍋爐NOX排放的燃燒技術分析
隨著我國經濟的增長和電力工業的快速發展，燃煤產生的NOX污染物與日劇增。1985年在中國各主要城市中測定的大氣污染物，燒煤產生的NOX占65％，而發電廠燃煤又占較大的比例，因此降低發電廠排煙中NOX是減輕大氣污染的重要任務。1985年中國發電及供熱煤耗約2.7億ｔ，推算排入大氣的NOX可達150萬ｔ；1993年煤耗量已達4億ｔ，NOX排放量已超過200萬ｔ。
由于NOX在煤的燃燒產物中生成復雜，且其對人類乃至整個生態系統的危害大，對其排放量的控制已引起全球范圍內的普遍重視，絕大多數國家和地區都制定了較嚴格的限制NOX排放的法規和標準，中國也于1996年8月開始實施650 mg／Nm３的排放指標規定。近二、三十年來，歐美日等發達國家一直在致力于研究降低NOX的燃煤技術。如前蘇聯的高濃度給粉技術、日本三菱重工的PM型燃燒器、美國B＆W公司的PAX燃燒器和DRB-XCL雙調風旋流燃燒器及德國SM公司SM型旋流燃燒器等都處于世界領先地位。這些技術措施和硬件設備有一個共同特點，改變燃燒器結構和配風，組織濃淡燃燒和分級燃燒。中國近十幾年也開始注重研究適合國情的低NOX控制技術，各科研院所及高校在借鑒國外先進技術經驗時，經過大量基礎性試驗研究，形成了自己的技術特色。
近幾年，江蘇省部分電廠進行了鍋爐燃燒器改造，以提高低負荷穩燃能力，但改造后出現了燃燒器易燒損、鍋爐水冷壁高溫腐蝕、爐渣可燃物含量偏高等問題。在結合解決鍋爐存在的問題時，考慮采用低NOX燃燒技術，既能降低鍋爐NOX的排放量，又能提高鍋爐運行的經濟性和安全性。
1 電站鍋爐NOX的成因
1.1 NOX的種類及生成
煤燃燒過程中形成的NOX有燃料型NOX（fuel NOX）、熱力型NOX（Thermal NOX）和快速型NOX（Prompt NOX）3種，其中快速型NOX所占比例很小，燃料型NOX約占75％，熱力型NOX約占25％。對于燃燒粉煤的鍋爐，NOX的排放主要取決于燃料型NOX的生成量，原因主要有以下兩點：
(1)大多數煤粉火焰溫度不太高，尤其是固態排渣鍋爐，受排渣溫度的限制，爐膛溫度不可能太高，而熱力型NOX的生成主要取決于火焰溫度和風煤比。熱力型NOX只在燃料富氧燃燒時生成，而且溫度超過1 800 Ｋ時才能大量地生成。當α＜0.95和Ｔ＜1 800 Ｋ時熱力型NOX可以忽略不計。因此，在煤粉鍋爐中熱力型NOX在總NOX排放量中所占的比例較小；
(2)快速型NOX只在富燃料的烴類火焰中有較大量的生成，但據估算，如果煤中含有1％的燃料氮，且其50％轉為NOX，快速型NOX的生成量仍將小于總NOX的5％，而通常的煤含有1％～2％的母氮。所以快速型NOX差不多被燃料型NOX所遮掩。
1.2 燃料型NOX
煤粉燃燒過程中燃料型NOX包括由揮發份中均相生成的NOX和由殘炭中異相生成的NOX兩部分。揮發份的析出包括兩個階段：第一階段發生在較低的溫度條件下，此時分子量較低的揮發份從煤顆粒中釋出；第二階段發生在較高的溫度條件下，此時放出分子量較大的烴類和芳香族化合物。煤中的母氮大部分在揮發份析出階段以HCN和NH3的形式從顆粒中釋放出來，隨后氧化生成NOX。揮發份析出后剩下的煤焦主要由碳和礦物質（灰）組成，還有少量的氧、氫、硫和氮。留在煤焦中剩余的母氮可以通過異相反應氧化生成NOX。熱力型NOX主要與煙氣溫度和風煤比有關系，化學當量比對它影響很小。燃料型NOX主要與氧濃度（化學當量比）有關，在很大的范圍內幾乎與溫度無關。由揮發份燃料氮轉化而成的燃料型NOX（簡稱揮發份燃料型NOX）約占60％～80％，由焦炭燃料氮轉化而成的NOX（簡稱焦炭燃料型NOX）約占20％～40％。因而，減少氮氧化物排放的主要措施是降低燃料型NOX的形成，即降低氧濃度，使燃料氮的相對濃度提高，增強還原性氣氛，延長燃料氮在還原性氣氛中的停留時間，從而降低燃料氮向燃料型NOX的轉變率。
2 降低NOX排放的燃燒技術
2.1 采用分級燃燒
燃料分級燃燒是降低NOX排放的有效方法之一。它的優點在于既可降低火焰最高溫度，減小熱力型NOX的形成，也可減小局部氧氣濃度，抑制燃料型NOX的形成。因此分級燃燒被廣泛地應用于鍋爐的設計中。但是研究表明，在許多情況下分級燃燒會導致快速型NOX的明顯增大。如果不對分級燃燒進行優化，很難使鍋爐的NOX排放總量達到最小。以便使沿爐內火焰行程快速型、燃料型和熱力型NOX的形成量達到最小。
空氣分級燃燒是把燃料完全燃燒所需要的空氣沿火焰長度分段送入，使燃燒過程分成空氣過剩系數明顯不同的幾個階段。目前２級和３級燃燒方式用較多。分級燃燒既可以在單一燃燒器上實現，也可以在多排布置燃燒器的爐膛內整體實現。前者通過分級配風燃燒器的結構，后者通過組織氧氣濃度和溫度不同的燃燒區來達到目的。兩種實現分級燃燒方法的系統是有區別的。沿爐膛垂直方向分級燃燒的實現是關閉上層燃燒器的燃料，或在主燃燒器的上方布置專門的空氣噴嘴；在水平方向分級燃燒的實現是在對沖布置的燃燒器中，使一面墻的燃燒器具有富燃料，另一面墻的燃燒器具有富氧。但是，無論是那一種方法實現的分級燃燒，其實質都是使第一燃燒區的空氣過剩系數α小于1.0（２級燃燒的第一級空氣過剩系數通常選α＝0.85～0.95），結果降低了火焰的最高溫度以及火焰核心區氧氣的濃度，從而降低了NOX的形成；而在第二區，由于燃燒產物和過量空氣的稀釋，實際上NOX不再形成。日本三菱重工研制和應用出兩級和三級燃料燃燒系統。其主要的技術是在主燃燒器的上方布置有輔助燃燒器，以采用不同細度的煤粉，采用這種燃燒方式，可使NOX排放量降低到328～600 mg/Nm3。
某電廠鍋爐采用分級燃燒技術，對均等配風的煙煤型直流燃燒器進行改造，在上部增開燃盡風噴口，為防止主燃燒器區缺氧而可能出現的結渣和腐蝕，使用了水平偏轉二次風，借以增加水冷壁附近的氧濃度。改造后實測數據表明：NOX排放量明顯降低，由改造前的744 mg/Nm3降至556 m*g/Nm3。
2.2 采用濃淡燃燒
濃淡燃燒可降低NOX的排放。濃淡燃燒就是把煤粉分成濃淡兩股送入爐膛。濃側煤粉由于煤粉濃縮，著火溫度下降，穩燃性提高，淡側煤粉利用濃側煤粉火焰引燃和助燃。濃側煤粉濃度高，氧濃度低，由于著火性能好，局部溫度水平較高，熱力型NOX的排放量稍有增加，而燃料型NOX卻大為減少；淡側過量空氣系數大，溫度水平較低，熱力型NOX的排放量是降低的，燃料型NOX略有增加，總NOX的排放量是降低的。華能石洞口二廠600 MW機組鍋爐采用了ABB-CE公司開發的WR型濃淡燃燒器，在滿負荷下，NOX的排放量為630 mg/Nm3。
2.3 采用煙氣再循環
在主燃燒器的上方加裝煙氣噴口，抽取低溫煙氣送入燃燒區，可在非常短的時間里，促使各反應物橫向混合，使最初生成的NOX迅速地混入其它在主燃燒器區現成的能夠使NOX還原的各組分之中，NOX還原成N2，降低最后NOX的生成量。日本三菱公司的PM燃燒器就采用了這種技術。
2.4 鍋爐燃燒優化
鍋爐燃燒優化通常是降低NOX排放的首選方法。燃燒優化是通過鍋爐燃燒器運行參數的調整實現的，采取控制過剩空氣量、燃燒器一、二次風量配比的調整、平衡送入每只燃燒器的風粉量等方法，從而在燃燒過程中把NOX的生成量降到最低。從對某廠SG406型400 t/h鍋爐進行的燃燒調整試驗結果看出：在機組負荷為125 MW下，燃燒調整試驗前，在空預器出口測得NOX含量為1 029 mg/Nm3，而鍋爐燃燒優化工況下測得NOX含量為725 mg/Nm3。 對于已經采用低NOX 燃燒技術的電站鍋爐，燃燒優化仍然是降低NOX排放的重要前提。
2.5 選擇合適的低NOX燃燒技術
對于鍋爐NOX排放水平較高的一些電廠，應結合電廠鍋爐的具體特點，選擇合適的低NOX燃燒技術，著手對鍋爐燃燒系統進行重新設計計算。在解決電廠存在的鍋爐燃燒效率低、燃燒器易燒損或水冷壁高溫腐蝕等問題的同時，采用低NOX燃燒技術。可以在原有的濃淡燃燒技術的基礎上，繼續優化設計新型的濃淡燃燒器。
3 結論
3.1 采用低NOX燃燒技術，降低電站鍋爐NOX的排放，對于保護環境具有重大意義,社會效益顯著。
3.2 在解決電站鍋爐出現的如燃燒器易燒損、鍋爐水冷壁高溫腐蝕、爐渣可燃物含量偏高等問題的同時，考慮采用低NOX燃燒技術，既能達到降低NOX排放目的，又提高鍋爐運行的經濟性和安全性。
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