煤粉炉氮氧化物排放控制优化研究景海鹏

煤粉炉氮氧化物排放控制优化研究景海鹏

景海鹏

（国家电投宁夏能源铝业临河发电分公司宁夏银川市750000）

摘要：我国能源结构是富煤少油，近年我国积极调整产业结构，使煤炭消费比重缓慢下降，优质能源的消费比重逐步上升。但完全依靠优质能源比较难，要保证我国经济发展对能源的需求，煤炭的主体地位不会改变，煤炭仍然是发电的主力军，火电厂作为电力供应的主要方式在很长一段时间内不会改变。

关键词：粉煤炉；氮氧化物；排放控制；优化；分析

1导言

为了防治大气污染，提高空气质量，我国“限煤”、“控煤”政策也相继出台，在《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中，对氮氧化物的排放进行了明确的规定，到“十二五”末排放量削减10%，下行的空间压力非常的巨大，因此GB13223-2011大大收严了火电厂的氮氧化物排放浓度限值。GB13223-2011的颁布实施，将极大推动我国火电厂的烟气脱硝，不仅电力行业的NOx排放量会下降，而且全国的NOx排放总量也将下降。

2煤粉炉主要脱硝技术方案

《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)规定，火电厂烟气中氮氧化物排放浓度限值为100mg/m3。降低氮氧化物排放浓度，主要通过炉内燃烧控制及炉外烟气脱硝来实现。目前，我国对于煤粉发电锅炉，最普遍的技术路线是采用低氮燃烧技术和烟气脱硝相结合的方式，烟气脱硝主要是采用选择性催化还原法（SCR）。

3低氮燃烧技术

3.1低氮燃烧基本原理

低氮燃烧技术基本原理主要是通过合理控制燃料及氧气在炉膛内的空间分配来实现的，主要包含如下两点：一是有效控制燃料富集区的氧气含量，使该区域处于贫氧燃烧状态，尽量抑制该区域煤粉燃烧产生的NOx量；二是在非燃料富集区（主要是炉墙附近及炉膛上部）增大氧气供量，使这些区域达到富氧燃烧状态，以使煤粉得到彻底燃烧。锅炉燃烧产生的NOx主要有三种：热力型NOx、燃料型NOx和快速型氮氧化物。其中以热力型和燃料型NOx为主，约占95%。在低氮燃烧过程中，燃料富集区处于贫氧燃烧状态，燃烧温度较低，有效减小热力型NOx的生成；同时，在燃料富集区，处于富燃料状态，燃料释放的含氮中间产物HCN、NH3等会将NOx还原分解成N2，可抑制燃料型NOx生成。

3.2低氮燃烧技术

3.2.1分级燃烧技术

煤粉锅炉分级燃烧技术主要有两种：空气分级燃烧和燃料分级燃烧。空气分级燃烧技术主要通过分级配风供给锅炉来实现，首先降低主燃烧区的空气供给量，主燃烧区处于贫氧燃烧状态，降低该区域氧含量及温度，进而降低NOx的产生量。由于主燃烧区氧气量不足，会导致其未完全燃烧，燃烧器上面适当位置设置燃尽风喷口，补充燃烧所需空气量，该部分空气再与主燃烧区上来的贫氧烟气混合，以完成整个燃烧过程。燃料分级燃烧主要是通过合理设置燃料喷入口，使燃料达到分级供给锅炉来实现。主燃烧器喷口附近形成初始燃烧区，然后再在主燃烧器的的上方喷入二次燃料，该区域将形成富燃料状态，在初始燃烧区形成的NOx将在该区域还原生成氮气，以达到降低NOx总体产生量的目的。当然，为了保证锅炉内燃料完全燃烧，炉膛内还设置燃尽风喷口，以保证二次燃料的彻底燃烧。

3.2.2低氮燃烧器

燃烧器是炉膛一个重要组成部分，燃料和空气主要都是通过燃烧器喷入炉膛进行燃烧的。根据NOx产生机理以及控制途径，可以通过合理设计燃烧器结构，使风煤比例达到合理空间分配，使燃烧过程同时达到空气分级和燃料分级的效果，最大限度地抑制炉膛内NOx生成量，使锅炉既能达到充分燃烧，又能达到低NOx排放水平。目前，主要的低氮燃烧器有空气分级低氮旋流燃烧器、空气/燃料分级低氮燃烧器和角置直流低氮燃烧器。

4某厂低氮氧化物排放的优化改造

某厂锅炉的型号为DGJ480/10.2-Ⅱ煤粉锅炉。锅炉原设计为Ⅱ型布置、高压自然循环汽包炉、单炉膛、燃烧器四角布置、切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、全钢结构。

4.1低氮燃烧器改造

某厂原燃烧设备每角布置11层喷口，从下至上依次为AA、A、AB、B、BC、C、CD、D、DE、EE、OFA层。其中A、B、C、D四层为一次风喷嘴，OFA层顶层燃尽风，其余六层为二次风喷嘴。一次风喷口布置有周界风，所有二次风及周界风风门由气动执行器驱动，能满足自动调节的要求。燃烧器各层风室的风量分配是通过调节各层风室的风门挡板的开度来实现的，锅炉设有大风箱，固定在两侧墙水冷壁上，随水冷壁一同膨胀。针对某厂煤质的特点，根据氮氧化物生成的原理，从燃烧机理上采用低氮燃烧器来控制燃烧过程中NOx的生成，可以在一定程度上减少NOx排放。火焰的温度，燃烧区氧气浓度，燃烧产物在高温区停留的时间，煤的特性这些因素共同决定了氮氧化物的生成总量。我们从以下方面来降低氮氧化物的生成总量。一是防止局部出现高温的情况要降低火焰的温度；二是降低燃烧区域过剩空气系数。某厂低氮燃烧器改造采用百叶窗浓淡分离技术和低NOx燃烧技术。即煤粉颗粒在通过百叶窗后分成浓淡两股气流进入炉膛，浓相靠近火焰中心，提高了燃烧区域的煤粉浓度，有利于低负荷稳燃，尽管靠近火焰有较高的温度，由于氧气不足，产生不完全燃烧生成的氮氧化物较少。淡相贴近水冷外壁富氧燃烧，由于远离高温区域，温度水平相对较低，所以氮氧化物的生成量较少。

4.2SCR脱硝原理与工艺

利用氧化还原的方法脱除NOx减少生成物的排放，该方法是指还原剂在催化剂作用下，有选择性的与烟气中的NOx反应，将锅炉烟气中的NOx还原成无毒无害的氮气和水。脱硝装置主要分为反应区和氨区两个区域，氨区系统是提供氨气供脱硝反应使用。主要设备包括液氨卸料压缩机、储氨罐、液氨蒸发罐、氨气缓冲罐、混合器、氨气吸收罐、废水泵、废水池等。由于液氨和氨气均是危险的化学制品，无水氨和空气混合后的浓度在16-25%遇火源容易发生燃烧和爆炸。人体如果与氨直接接触，会刺激皮肤，灼伤眼睛，并导致头痛、恶心、呕吐等，严重的话还会中毒死亡。因此如果出现氨泄漏极易引起事故。在氨卸载和存储系统、注氨系统均配置一些安全辅助设施。液氨储罐、液氨蒸发罐、卸氨压缩机、氨气稀释罐区均设有氨气检测报警仪，如果氨气泄漏就会及时发送警报，并自动开启相应位置的消防水喷淋稀释系统。废水池内的废水达到一定的数值或者液位后，经由虹吸式废水泵送至厂区处理站。另外，为了避免与空气混合达到爆炸范围，在蒸发器、液气储存、缓冲槽及整个管路系统上都设有氮气吹扫接口，主要作用于系统检修或重新启用前，通过氮气将管路内的空气置换出来达到安全等级。

5结论

通过对低氮燃烧器改造后运行情况的在线监测，省煤器出口氮氧化物排放量大幅低于改造前氮氧化物排放量，大大减少了进入SCR脱硝反应器氮氧化物的量；对烟囱出口NOx排放量在线监测，测得排放量在50mg/m3左右，环保指标优于国家100mg/m3的标准；将氨逃逸控制在设计范围内，对各工况实测脱硝效率曲线、氨氮摩尔比与设计值对比，结果满足设计要求。

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