降低电站锅炉NOX排放的燃烧技术分析
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。1985年在中国各主要城市中测定的大气污染物，烧煤产生的NOX占65％，而发电厂燃煤又占较大的比例，因此降低发电厂排烟中NOX是减轻大气污染的重要任务。1985年中国发电及供热煤耗约2.7亿ｔ，推算排入大气的NOX可达150万ｔ；1993年煤耗量已达4亿ｔ，NOX排放量已超过200万ｔ。
由于NOX在煤的燃烧产物中生成复杂，且其对人类乃至整个生态系统的危害大，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，中国也于1996年8月开始实施650 mg／Nm３的排放指标规定。近二、三十年来，欧美日等发达国家一直在致力于研究降低NOX的燃煤技术。如前苏联的高浓度给粉技术、日本三菱重工的PM型燃烧器、美国B＆W公司的PAX燃烧器和DRB-XCL双调风旋流燃烧器及德国SM公司SM型旋流燃烧器等都处于世界领先地位。这些技术措施和硬件设备有一个共同特点，改变燃烧器结构和配风，组织浓淡燃烧和分级燃烧。中国近十几年也开始注重研究适合国情的低NOX控制技术，各科研院所及高校在借鉴国外先进技术经验时，经过大量基础性试验研究，形成了自己的技术特色。
近几年，江苏省部分电厂进行了锅炉燃烧器改造，以提高低负荷稳燃能力，但改造后出现了燃烧器易烧损、锅炉水冷壁高温腐蚀、炉渣可燃物含量偏高等问题。在结合解决锅炉存在的问题时，考虑采用低NOX燃烧技术，既能降低锅炉NOX的排放量，又能提高锅炉运行的经济性和安全性。
1 电站锅炉NOX的成因
1.1 NOX的种类及生成
煤燃烧过程中形成的NOX有燃料型NOX（fuel NOX）、热力型NOX（Thermal NOX）和快速型NOX（Prompt NOX）3种，其中快速型NOX所占比例很小，燃料型NOX约占75％，热力型NOX约占25％。对于燃烧粉煤的锅炉，NOX的排放主要取决于燃料型NOX的生成量，原因主要有以下两点：
(1)大多数煤粉火焰温度不太高，尤其是固态排渣锅炉，受排渣温度的限制，炉膛温度不可能太高，而热力型NOX的生成主要取决于火焰温度和风煤比。热力型NOX只在燃料富氧燃烧时生成，而且温度超过1 800 Ｋ时才能大量地生成。当α＜0.95和Ｔ＜1 800 Ｋ时热力型NOX可以忽略不计。因此，在煤粉锅炉中热力型NOX在总NOX排放量中所占的比例较小；
(2)快速型NOX只在富燃料的烃类火焰中有较大量的生成，但据估算，如果煤中含有1％的燃料氮，且其50％转为NOX，快速型NOX的生成量仍将小于总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
煤粉燃烧过程中燃料型NOX包括由挥发份中均相生成的NOX和由残炭中异相生成的NOX两部分。挥发份的析出包括两个阶段：第一阶段发生在较低的温度条件下，此时分子量较低的挥发份从煤颗粒中释出；第二阶段发生在较高的温度条件下，此时放出分子量较大的烃类和芳香族化合物。煤中的母氮大部分在挥发份析出阶段以HCN和NH3的形式从颗粒中释放出来，随后氧化生成NOX。挥发份析出后剩下的煤焦主要由碳和矿物质（灰）组成，还有少量的氧、氢、硫和氮。留在煤焦中剩余的母氮可以通过异相反应氧化生成NOX。热力型NOX主要与烟气温度和风煤比有关系，化学当量比对它影响很小。燃料型NOX主要与氧浓度（化学当量比）有关，在很大的范围内几乎与温度无关。由挥发份燃料氮转化而成的燃料型NOX（简称挥发份燃料型NOX）约占60％～80％，由焦炭燃料氮转化而成的NOX（简称焦炭燃料型NOX）约占20％～40％。因而，减少氮氧化物排放的主要措施是降低燃料型NOX的形成，即降低氧浓度，使燃料氮的相对浓度提高，增强还原性气氛，延长燃料氮在还原性气氛中的停留时间，从而降低燃料氮向燃料型NOX的转变率。
2 降低NOX排放的燃烧技术
2.1 采用分级燃烧
燃料分级燃烧是降低NOX排放的有效方法之一。它的优点在于既可降低火焰最高温度，减小热力型NOX的形成，也可减小局部氧气浓度，抑制燃料型NOX的形成。因此分级燃烧被广泛地应用于锅炉的设计中。但是研究表明，在许多情况下分级燃烧会导致快速型NOX的明显增大。如果不对分级燃烧进行优化，很难使锅炉的NOX排放总量达到最小。以便使沿炉内火焰行程快速型、燃料型和热力型NOX的形成量达到最小。
空气分级燃烧是把燃料完全燃烧所需要的空气沿火焰长度分段送入，使燃烧过程分成空气过剩系数明显不同的几个阶段。目前２级和３级燃烧方式用较多。分级燃烧既可以在单一燃烧器上实现，也可以在多排布置燃烧器的炉膛内整体实现。前者通过分级配风燃烧器的结构，后者通过组织氧气浓度和温度不同的燃烧区来达到目的。两种实现分级燃烧方法的系统是有区别的。沿炉膛垂直方向分级燃烧的实现是关闭上层燃烧器的燃料，或在主燃烧器的上方布置专门的空气喷嘴；在水平方向分级燃烧的实现是在对冲布置的燃烧器中，使一面墙的燃烧器具有富燃料，另一面墙的燃烧器具有富氧。但是，无论是那一种方法实现的分级燃烧，其实质都是使第一燃烧区的空气过剩系数α小于1.0（２级燃烧的第一级空气过剩系数通常选α＝0.85～0.95），结果降低了火焰的最高温度以及火焰核心区氧气的浓度，从而降低了NOX的形成；而在第二区，由于燃烧产物和过量空气的稀释，实际上NOX不再形成。日本三菱重工研制和应用出两级和三级燃料燃烧系统。其主要的技术是在主燃烧器的上方布置有辅助燃烧器，以采用不同细度的煤粉，采用这种燃烧方式，可使NOX排放量降低到328～600 mg/Nm3。
某电厂锅炉采用分级燃烧技术，对均等配风的烟煤型直流燃烧器进行改造，在上部增开燃尽风喷口，为防止主燃烧器区缺氧而可能出现的结渣和腐蚀，使用了水平偏转二次风，借以增加水冷壁附近的氧浓度。改造后实测数据表明：NOX排放量明显降低，由改造前的744 mg/Nm3降至556 m*g/Nm3。
2.2 采用浓淡燃烧
浓淡燃烧可降低NOX的排放。浓淡燃烧就是把煤粉分成浓淡两股送入炉膛。浓侧煤粉由于煤粉浓缩，着火温度下降，稳燃性提高，淡侧煤粉利用浓侧煤粉火焰引燃和助燃。浓侧煤粉浓度高，氧浓度低，由于着火性能好，局部温度水平较高，热力型NOX的排放量稍有增加，而燃料型NOX却大为减少；淡侧过量空气系数大，温度水平较低，热力型NOX的排放量是降低的，燃料型NOX略有增加，总NOX的排放量是降低的。华能石洞口二厂600 MW机组锅炉采用了ABB-CE公司开发的WR型浓淡燃烧器，在满负荷下，NOX的排放量为630 mg/Nm3。
2.3 采用烟气再循环
在主燃烧器的上方加装烟气喷口，抽取低温烟气送入燃烧区，可在非常短的时间里，促使各反应物横向混合，使最初生成的NOX迅速地混入其它在主燃烧器区现成的能够使NOX还原的各组分之中，NOX还原成N2，降低最后NOX的生成量。日本三菱公司的PM燃烧器就采用了这种技术。
2.4 锅炉燃烧优化
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，采取控制过剩空气量、燃烧器一、二次风量配比的调整、平衡送入每只燃烧器的风粉量等方法，从而在燃烧过程中把NOX的生成量降到最低。从对某厂SG406型400 t/h锅炉进行的燃烧调整试验结果看出：在机组负荷为125 MW下，燃烧调整试验前，在空预器出口测得NOX含量为1 029 mg/Nm3，而锅炉燃烧优化工况下测得NOX含量为725 mg/Nm3。 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NOX排放的重要前提。
2.5 选择合适的低NOX燃烧技术
对于锅炉NOX排放水平较高的一些电厂，应结合电厂锅炉的具体特点，选择合适的低NOX燃烧技术，着手对锅炉燃烧系统进行重新设计计算。在解决电厂存在的锅炉燃烧效率低、燃烧器易烧损或水冷壁高温腐蚀等问题的同时，采用低NOX燃烧技术。可以在原有的浓淡燃烧技术的基础上，继续优化设计新型的浓淡燃烧器。
3 结论
3.1 采用低NOX燃烧技术，降低电站锅炉NOX的排放，对于保护环境具有重大意义,社会效益显著。
3.2 在解决电站锅炉出现的如燃烧器易烧损、锅炉水冷壁高温腐蚀、炉渣可燃物含量偏高等问题的同时，考虑采用低NOX燃烧技术，既能达到降低NOX排放目的，又提高锅炉运行的经济性和安全性。
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