＊何修年 宗珂

（華電鄒縣發(fā)電有限公司 山東 273513）

1.引言

國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)電力能源提出了更高的需求，燃煤電廠裝機(jī)容量應(yīng)勢(shì)增加。中國的氮氧化物排放中，67%來自于煤炭燃燒，大型燃煤電站作為主要NOx（氮氧化物）排放源，實(shí)施煙氣脫硝，降低氮氧化物排放刻不容緩。

氮氧化物（NOx）對(duì)環(huán)境有著重大危害。首先，NOx是溫室氣體之一，大氣中的氮氧化物可導(dǎo)致全球氣溫上升。其次，氮氧化物會(huì)參與酸雨的形成，而酸雨對(duì)植被的破壞力量很大。第三，氮氧化物會(huì)破壞臭氧層。另外，NO2參與光化學(xué)煙霧形成，可致癌、導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病。氮氧化合物還易和空氣中的水反應(yīng)生成硝酸和硝酸鹽，對(duì)人的身體健康和生態(tài)居住環(huán)境等都會(huì)造成危害[1]。

火電廠是氮氧化物排放的重要源頭。目前，火電廠采取了多種措施來降低氮氧化物排放。我國的主流火電機(jī)組中，包括超臨界和超超臨界機(jī)組，鍋爐主要采用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)和催化劑還原技術(shù)。相比催化劑還原技術(shù)，空氣分級(jí)燃燒技術(shù)費(fèi)用較低?？諝夥旨?jí)燃燒技術(shù)中，燃盡風(fēng)會(huì)對(duì)NOx排放產(chǎn)生比較關(guān)鍵的影響。

2.爐內(nèi)NOx生成類型和基理

電廠煤炭燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生一氧化氮和二氧化氮，其中一氧化氮占了95%左右。氮氧化物的化學(xué)式用NOx表示，主要包括一氧化氮和二氧化氮。根據(jù)生成的途徑，爐內(nèi)NOx可以分為熱力型氮氧化物，快速型氮氧化物和燃料型氮氧化物。

熱力型NOx（Thermal NOx）。熱力型NOx是由前蘇聯(lián)的科學(xué)家捷里道維奇首次提出。在爐膛溫度高于1500℃時(shí)，空氣中的氮?dú)獗谎趸傻趸?。這種方式生成氮氧化物的反應(yīng)時(shí)間十分迅速，大概需要微秒的十分之一。生成量跟氧氣濃度、溫度以及停留時(shí)間有關(guān)。溫度在1500℃以下時(shí)，此種氮氧化物生成量非常少。當(dāng)溫度在1500℃以上時(shí)，此種氮氧化物的生成速度會(huì)隨溫度增加快速增加，溫度每升高100℃，生成速度增加六到七倍。因此，降低熱力型NOx的措施為：（1）降低溫度，避免局部溫度過高；（2）減少過量空氣系數(shù)；（3）減少燃料在高溫區(qū)域的滯留時(shí)間。熱力型NOx的生成量約占煤粉燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物總量的15%～25%。

快速型NOx（Prompt NOx）。煤炭中的碳?xì)浠衔镌谌紵^程時(shí)分解成為碳?xì)湓咏Y(jié)構(gòu)和碳原子，這些原子結(jié)構(gòu)和空氣中的氮?dú)饨Y(jié)合生成氰化物，該氰化物與氧原子結(jié)合生成氮氧化物。由于反應(yīng)速度快，大約需要60ms，被稱為快速型NOx。此種氮氧化物的生成受溫度影響較小，與爐膛壓力有關(guān)，且在富燃料的火焰中生成量多。在煤炭燃燒過程中，生成量較少。

燃料型NOx（Fuel NOx）。煤炭中含有氮的化合物，燃燒中被氧化生成NOx，因此而產(chǎn)生燃料型NOx。燃料氮包括焦炭氮和揮發(fā)份氮。煤炭燃燒時(shí)候，揮發(fā)份在析出前，其中的氮化合物熱分解為小分子的氮化合物，繼而被氧化成NO。在一定的燃燒條件下，生成的NO也可被還原成N2。焦炭氮在燃盡的過程中，也會(huì)發(fā)生此類反應(yīng)，只是速度比揮發(fā)份氮要滯后一些。燃料型NOx占總氮氧化物生成的80%左右，相比熱力型NOx更易產(chǎn)生，約占燃煤過程中生成氮氧化物的75%～95%。燃料型NOx的生成與燃料的成分有關(guān)，此外，還和燃燒條件有關(guān)。燃燒條件包括氧氣濃度，燃燒溫度，燃料與空氣的混合情況等。降低燃料型NOx的措施有：（1）降低主燃燒區(qū)氧氣濃度，這樣燃料氮會(huì)最終轉(zhuǎn)換成氮?dú)舛前吹趸衔铩＃?）降低局部燃燒溫度，因?yàn)樵跍囟容^低的條件下，燃料氮較難產(chǎn)生。（3）減少煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間[2]。

3.低NOx排放措施

目前，火電廠普遍采用空氣分級(jí)燃燒與選擇性催化還原聯(lián)用技術(shù)，先通過空氣分級(jí)降低部分氮氧化合物，再使用SCR進(jìn)一步脫除，既能滿足環(huán)保要求，又比獨(dú)立使用SCR節(jié)約成本?？諝夥旨?jí)燃燒技術(shù)，是把二次風(fēng)分為兩級(jí)送入爐膛，減少主燃燒區(qū)氧量，主燃燒區(qū)缺氧會(huì)抑制NOx生成。分級(jí)送風(fēng)還會(huì)降低燃盡區(qū)溫度，因此生成NOx有限?？諝夥旨?jí)燃燒技術(shù)可降低氮氧化物20%～40%左右。

最初，空氣分級(jí)燃燒技術(shù)（見圖1）是在燃燒器的頂部安裝燃盡風(fēng)噴嘴（OFA），燃盡風(fēng)約占總風(fēng)量的15%～20%，該措施會(huì)降低下部燃燒器的氧量，以減少NOx生成。隨著科技的進(jìn)步，產(chǎn)生了新的技術(shù)，即將分離式燃盡風(fēng)噴嘴分多層布置在距離燃燒器頂部一定距離的位置，叫做分離式燃盡風(fēng)。分離式燃盡風(fēng)（SOFA）技術(shù)降低NOx的效果更好，得到更廣泛應(yīng)用。

圖1 空氣分級(jí)然燃燒技術(shù)

空氣分級(jí)燃燒技術(shù)優(yōu)點(diǎn)明顯，它安裝設(shè)備簡單、改造工作量小、初期投入和運(yùn)行成本小。同時(shí)，它適用的爐型廣泛。缺點(diǎn)是可能引起結(jié)渣、高溫腐蝕、增加飛灰含碳量等問題，但是可以通過運(yùn)行手段調(diào)整，如合理配風(fēng)，減低煤粉細(xì)度等。

燃盡風(fēng)的風(fēng)率、高度和布置方式都會(huì)對(duì)脫硝效果產(chǎn)生一定的影響，下文分析此三種因素對(duì)脫硝的影響。

4.燃盡風(fēng)率對(duì)NOx生成的影響

燃盡風(fēng)率的變化對(duì)揮發(fā)分的析出影響較小。高燃盡風(fēng)率使得主燃區(qū)缺氧程度加深，焦炭的燃盡會(huì)被推遲，主燃區(qū)還原性氣氛得到增強(qiáng)，該區(qū)域內(nèi)的燃料型和熱力型NOx的生成速度會(huì)減少，NOx濃度得以降低。但主燃區(qū)剩余未完全燃燒物質(zhì)及焦炭推遲燃盡使得在燃盡區(qū)有更多HCN被氧化產(chǎn)生燃料型NOx，使得最高燃盡風(fēng)率下爐膛出口的NOx濃度不一定達(dá)到最低。若燃盡風(fēng)風(fēng)率過高，主燃區(qū)氧量相對(duì)減少，燃料在主燃燒區(qū)燃燒不完全。在燃盡區(qū)，未完全燃燒的燃料在此劇烈燃燒并產(chǎn)生大量的焦炭氮。而燃盡風(fēng)率高導(dǎo)致此區(qū)域氧量高，焦炭氮不容易被還原，因而產(chǎn)生大量氮氧化物。因此，燃盡風(fēng)率越高，氮氧化物不一定會(huì)一直降低?？刂瞥隹贜Ox的濃度主要是根據(jù)煤質(zhì)合理選擇燃盡風(fēng)率，控制主燃區(qū)燃料型NOx的生成和燃盡區(qū)燃料型NOx的反彈[3]。

5.燃盡風(fēng)高度對(duì)NOx生成的影響

燃盡風(fēng)高度對(duì)氮氧化物的影響和燃盡風(fēng)率對(duì)氮氧化物排放量的影響有相似之處，即一定程度上提高燃盡風(fēng)高度可以降低氮氧化物排放，但是過高的燃盡風(fēng)高度會(huì)導(dǎo)致氮氧化物不降反升。原因在于，燃盡風(fēng)高度一定程度上升高，會(huì)拉長還原區(qū)，使得含氮基團(tuán)發(fā)生還原反應(yīng)減少氮氧化物。然而，若燃盡風(fēng)高度過高，燃料會(huì)在較高的位置發(fā)生燃燒，導(dǎo)致燃燒時(shí)間較短就被排出爐膛，氮氧化物也因此不容易被還原。不僅如此，過高的燃盡風(fēng)高度會(huì)造成燃盡位置偏高，爐膛出口煙溫偏高，燃盡率降低。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常適當(dāng)降低燃盡風(fēng)位置，增大燃盡風(fēng)風(fēng)率[4]。

6.燃盡風(fēng)布置方式對(duì)NOx生成的影響

燃盡風(fēng)可以分為單層布置和多層布置（見圖2）。多層布置方式，燃盡率相對(duì)較高，若減少布置層數(shù)，則飛灰含碳量相對(duì)會(huì)升高。同時(shí)，射流的剛性增強(qiáng)，氣流和煤粉能夠充分混合。另外，燃盡風(fēng)還分為墻式集中布置和分散布置。模擬實(shí)驗(yàn)表明，燃盡風(fēng)分散布置時(shí)，氣流的剛性相對(duì)集中布置較弱，而且容易出現(xiàn)局部高溫。集中布置和分散布置的氮氧化物排放以及飛灰含碳量差別不大[5]。

圖2 燃盡風(fēng)多層布置形式

7.結(jié)束語

燃盡風(fēng)的風(fēng)率、高度和布置位置對(duì)脫硝的影響要兼顧煤粉的燃盡，煤粉是否燃盡同樣會(huì)影響氮氧化物的排放，因此燃盡風(fēng)率、高度存在一個(gè)適度的數(shù)值，同樣，燃盡的位置存在一個(gè)適度的位置，以便使氮氧化物的排放最小，而以上因素若不在最佳數(shù)值和位置區(qū)間，氮氧化物的排放則會(huì)增加。