降低氮氧化物的运行措施
摘要：随着国家对火力发电行业在环保方面越来越高的要求，火电厂必须做到超低排放，火电厂锅炉燃烧产物烟气中的氮氧化物时其中最主要的排放指标之一，本文通过从运行角度分析如何降低氮氧化物，达到超低排放的要求。
关键词：锅炉；氮氧化物；运行
一、引言
氮氧化物是大气中主要的气态污染物之一，包括多种化合物，如氧化亚氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、三氧化二氮(N2O3)、四氧化二氮(N2O4)和五氧化二氮(N2O5)等。
其中N2O3、N2O4、N2O5很不稳定，常温下很容易转化成NO和NO2。
大气中含量较高的氮氧化物主要包括N2O、NO和NO2，其中NO和NO2是大气中主要的氮氧化物。
自然界中的NOx主要来自雷电，森林草原火灾，氧化大气中的氮和土壤中微生物的消化作用，这些氮氧化物在大气系统中均匀分散,并参加在环境中的氮循环。
人类活动产生的氮氧化物主要来源于燃烧过程，可分为固定源和移动源,是造成大气污染的主要污染源之一。
固定源指来自工业生产的燃料燃烧，还有部分来自硝酸生产、硝化过程、炸药生产和金属表面硝酸处理等过程的排放，移动源指交通运输燃料燃烧的排放。
根据美国环保局(EPA)文献估计，人类产生的NOx有99%来自于燃烧，固定源和移动源各占一半。
从燃烧系统排出的NOx有95%以上是NO，其余主要是NO2。
二、氮氧化物的生成机理有三种：
（1）热力型（也称温度型），是指空气中的氮在超过1500℃的高温下发生氧化反应，温度越高，NOx的生成量越多。
如果局部区域的火焰温度很高，将产生大量NOx，这部分NOx 占NOx总量的10%-20%，要减少温度型NOx，就要求燃烧处于较低的燃烧水平，同时要求燃烧中心各处的火焰温度分布均匀。
（2）燃料型,是指燃料中的氮受热分解和氧化生成NOx。
主要指挥发分中的氮化合物生成NOx，其占NOx总量的80%-90%，这部分NOx在燃烧器出口处的火焰中心生成。
由于大部分煤粒中的挥发分在30～50ms内析出，当煤粉气流的速度为10～15m/s时，挥发分析出的行程小于1m。
要控制该区域中的Nox的生成量，就应控制燃料着火初期的过量空气系数，使煤粉在开始着火阶段处于缺氧状态，挥发分生成的一部分NOx被还原，这样实际生成的NOx数量可以明显减少。
（3）快速型（也称快速温度型）,是指空气中的氮和碳氢燃料先在高温下反应生成中间产物N、NCH、CN等，然后快速与氧反应，生成NOx。
这部分NOx占NOx总量的5%。
因此主要采取有效措施控制燃料型及热力型NOx的生成，从而达到降低NOx排放量。
三、降低NOx的通用措施
1、在燃用挥发分较高的烟煤时，燃料型 NO X含量较多，快速型 NO X极少。
燃料型NO X是空气中的氧与煤中氮元素热解产物发生反应生成 NO X ，燃料中氮并非全部转变为 NO X，它存在一个转换率，降低此转换率控制 NO X 排放总量，可采取：
（1）减少燃烧的过量空气系数；
（2）控制燃料与空气的前期混合；
（3）提高入炉的局部燃料浓度。
2、热力型 NOx ：是燃烧时空气中的 N 2 和 O 2在高温下生成的 NO X，产生的主要条件是高的燃烧温度使氮分子游离增本化学活性；然后是高的氧浓度，要减少热力型 NO X
的生成，可采取：
（1）减少燃烧最高温度区域范围；
（2）降低锅炉燃烧的峰值温度；
（3）降低燃烧的过量空气系数和局部氧浓度。
具体来说，就是在保证锅炉燃烧安全的前提下，采取以下措施来减少氮氧化物的生成：（1）低过量空气燃烧：低氧燃烧，运行中控制氧量3%左右运行
（2）空气分级燃烧：空气分级燃烧是将燃烧过程分阶段完成。
第一阶段：将从主燃烧器供入炉膛的空气量减少到总空气量的70%-80%，相当于理论空气量的80%，此时过量空气系数α＜1，使燃料先在缺氧条件下燃烧，在还原性气氛中降低的Nox的反应速率，抑制了在这一燃烧区中的生成量。
第二阶段：为了完成全部燃烧过程，完全燃烧所需的其余空气则通过布置在主燃烧器上方的专门空气喷口SOFA（over fire air）---称为"燃尽风"（俗称火上风）喷口送入炉膛，与第一级燃烧区在"贫氧燃烧"条件下所产生的烟气混合，在α＞1的条件下完成全部燃烧过程。
燃烧器改造后，燃尽高度为14m，较改造前增加1.6m，火焰中心位置有所提高，烟温，汽温升高。
图1：低氮燃烧器
（3）燃料分级燃烧：所有一次风设计喷口为上下浓淡分离形式，中间加装较大的稳燃钝体形式，浓淡燃烧除可降低NOx外，还可对煤粉稳燃、提前着火有积极作用。
同时钝体能优先增加卷吸的高温烟气量，进一步强化稳燃。
在燃烧中已生成的 NO 遇到烃根 CHi 和未完全燃烧产物CO、H 2、C 和 CnHm 时，会发生 NO 的还原反应，重新还原为N 2。
利用这一原理，将主要燃料送入第一级燃烧区，在α>1条件下，燃烧并生成 NO X，送入一级燃烧区的燃料称为一次燃料，其余 15~20% 的燃料则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区，在α<1 的条件下形成很强的还原性气氛，使得在一级燃烧区中生成的 NO X在二级燃烧区（再燃区）内被还原成氮分子，送入二级燃烧区的燃料又称为二次燃料，或称再燃燃料。
在再燃区中不仅使得已生成的 NO X得到还原，还抑制了新的NO X的生成，可使 NO X的排放浓度进一步降低。
在采用燃料分级燃烧时，为了有效地降低 NO X排放，再燃区是关键。
因此，需要研究在再燃区中影响 NOx 浓度值的因素。
（4）烟气再循环
目前使用较多的还有烟气再循环法，它是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉内，或与一次风或二次风混合后送入炉内，这样不但可降低燃烧温度，而且也降低了氧气浓度，进而降低了 NO X的排放浓度。
但是，在现有设备没再循环就得进行设备改造，还是进行经济性和安全性比较后才能实施。
（5）低Nox燃烧器：本厂采用的双尺度低NOx燃烧技术
四、低Nox燃烧器改造后运行中存在的问题
（1）火焰中心位置提高，汽温，烟温偏高，减温水使用量增大，给水泵长期憋压运行
（2）由于缺氧燃烧，不完全燃烧损失增大，飞灰、炉渣可燃物增大
（3）低负荷运行过程中为保证燃烧氧量6%左右运行，SCR入口氮氧化物偏高400mg/m ³致使喷氨量增大，喷氨单耗升高0.55g/kw.h
（4）由于喷燃器改造后截面积增大，送风风压降低，一二次风刚性差，导致受热面积灰严重，进一步使汽温偏高。
五、降低氮氧化物的运行中的实际措施
煤粒在炉内的燃烧过程可以分成三个阶段：初始阶段，温度低，反应十分缓慢；挥发分析出着火燃烧阶段，温度急剧升高；焦炭燃尽阶段，氧气浓度减少，氧化反应减慢。
三个阶段的NOx的生成或分解反应有所不同：第一阶段，NOx的生成或分解都很少；第二阶段，温度很高，浓度过大，NOx的生成和分解都进行的很快，但NOx的生成反应要快得多，因而NOx 浓度急剧增加，也有部分NOx转变成N2，当炉温达到最高值时，NOx浓度也达到最大值；第三阶段，进人焦炭燃尽阶段，氧浓度减少，这时虽然不断的生成焦炭NOx，但是，已经生成的NOx中有部分被焦炭还原分解生成N，而逐渐减少。
因此减少燃烧初期氧的供入可降低氮氧化物。
而在正常运行中我们发现二次风门倒三角配风方式NOx排放量最低，而正三角配风方式NOx排放量最高。
这种现象可以这样解释：采用倒三角配风方式，在主燃烧区域，锅炉氧量相对较低，因此燃烧的火焰温度也要相对低一些，热力型NOx和燃料型NOx的生成量都减少；在燃烧器上部SOFA燃尽区域送入过量的空气，有助于燃料燃尽，这种配风方式飞灰可燃物是最低的，而且该区域不是主燃烧区域，火焰温度比较低，即使该区域氧量比较大，NOx的生成量也不会增大，因此，总的NOx排放量比较低，这也说明顶部SOFA挡板的投入确实能减少NOx的生成量；由于燃烧区域下部送入风量比较少，对进入炉膛的煤粉顶托能力不够，致使炉渣可燃物含量比较大。
采用正三角配风方式，锅炉的主要风量都从炉膛燃烧区域下部送入，使得主燃烧区域氧量比较大，燃烧的火焰温度也相对较高，从而使热力型NOx和燃料型NOx的生成量增加，总的NOx排放量也就增大。
但是该配风方式下的炉渣可燃物含量会大大降低。
因此可采取以下措施：
（1）低氧燃烧，兼顾汽温，不完全燃烧损失
（2）采用倒三角配风方式，使燃烧初期的氧量尽量降低，即关小下层二次风
（3）关小煤粉层的周界风，可减少燃烧初期氧的供入，但必须保证燃尽风全开保证效率
（4）停运磨煤机后保证较低的氧量，风压可较停磨之前降低0.2Kpa左右，保证入口氮氧化物与停磨前持平
（5）参照总排口NOx值勤调整喷氨量，与脱硫做好联系工作
（6）监视好SCR运行参数，做好定期工作，防止反应层堵或催化剂失效，若参数失灵及时联系检修或第三方人员处理，并做好记录
（7）低负荷（90MW）时在燃烧稳定的情况下送风风压可降至0.8Kpa运行
（8）汽温允许的情况下可稍加大上层转速可降低氮氧化物
参考文献：
1.青海宁北铝电有限责任公司锅炉低NOx燃烧器改造后热态试验报告。