摘要：由于火电厂锅炉燃烧运行中产生的NOx容易形成酸雨和光化学烟雾，还会对O3造成消耗而破坏臭氧层，为了对NOx的排放量进行控制，就需要对火电厂锅炉燃烧过程中生成NOx的机理以及NOx的生成特点进行研究，并在此基础上分析1000MW锅炉燃烧结构对NOx生成的影响，为火电厂运行中NOx排放的控制提供依据。
关键词：1000MW锅炉；燃烧结构；NOx生成；影响
1引言
在目前我国经济快速发展以及社会用电负荷在不断增加的形式下，火力发电作为目前我国主要的发电形式，其发电量也在不断增加，而且装机容量以及机组参数也在随之增长。但是目前世界各国对环境保护的重视程度在不断增加，针对火电厂提出的环保标准也在不断提高，我国也针对火电厂提出了超低排放的要求。针对目前1000MW锅炉燃烧过程中生成的对环境损害比较大的NOx来说，就需要分析其生产机理以及特点，并对锅炉燃烧结果对NOx生成的影响进行分析，为锅炉燃烧结构调整提供依据。
2 NOx生产机理
锅炉燃烧过程中产生的NOx中的热力型NOx，主要就是N在高温环境下氧化而成的，而且其反应过程属于一个不分支连锁反应，并且随着温度的升高其反应速率也会随之升高。而快速型NOx则主要是在谈情化合物燃料浓度过高时在反应区域附近快速生成的，而且其生成量与炉膛压力的0.5次方成正比。而对于火电厂中主要的燃料性NOx，则是在锅炉炉膛中进行燃料燃烧时，氮化合物经过热力分解之后被氧化而成的，并且主要是由气相氮的氧化以及焦炭中氮氧化组成的，而且其反应过程可以以下列反应过程式来表示：
在上述反应过程中，如果炉膛内的燃料比较丰富，其中氧原子则会相对比较少，此时则主要发生以下反应： 
或 
，而且上述过程则直接决定NOx的生成量。而且因为燃料中的N会在温度比较低时就会发生热分解反应而生成NOx，所以与燃烧区域中的温度关系不大，则主要就是与燃烧环境中的氧化或者还原性气氛有关系。
3 NOx生成特点
从上述介绍可知，影响燃料型NOx的生成量的主要因素有以下几点：一是燃料在锅炉中的燃烧方式以及燃烧状况，通过缺氧燃烧可以有效控制NOx的生成量。二是煤种特性。这是决定NOx生成量的主要因素，煤种中的N含量越高则会产生越多的NOx。三是炉膛内反应区的烟气气氛，而且主要就是指烟气内的氧气以及氮气的含量多少。四是燃料和燃烧产物在高温火焰区域以及炉膛内的停留时间，通常在氧化性气氛中停留时间越长就会生成越多的NOx，而在还原性气氛中的停留时间越长就会生产越少的NOx。
4炉膛燃烧结构对NOx生成的影响
以本电厂1000MW锅炉为例，锅炉燃烧方式为前后墙煤粉燃烧器对冲燃烧，整台锅炉共设有48只旋流煤粉燃烧器。燃烧器前后墙共分为3 层，前后墙从下到上依次为ABC和DEF 磨煤机，前后墙每层设8 只燃烧器，前后墙每层燃烧器由同一台磨煤机供给煤粉，采用PM 型主燃烧器、上部两层燃烬风（OFA）和还原风燃烧配风系统。省煤器与空预器之间安装SCR脱硝装置，降低烟气中NOx含量，最终使得吸收塔出口烟气中折氧后NOx达到排放标准（小于100mg/Nm3）。
4.1磨煤机运行方式的影响
在此电厂锅炉燃烧结构中，由于最上层为C、F磨煤机，其在运行过程中总会将高温燃烧区域拉升，使得燃料在炉膛内的停留时间适当延长，而且由于二次风分级配风效果比较差，这就会导致NOx的生产量急剧增加。因此在锅炉运行中尽量将C或F磨煤机作为备用，而且在运行此磨煤机时需要对SCR出口NOx设定值进行提前调低，而且对风量进行调节来使其降低，以及对最上层的二次风门开度进行调大来对NOx生成量进行控制
4.2二次风配风结构
在锅炉燃烧过程中如果调大燃烧器下部的二次风门开度并且调小上层的二次风门开度，这就会导致烟道总风量没有发生变化，但是会增加主燃烧器区域中的氧量而使得NOx的生成量增加。这就需要在确保二次风压满足要求的前提下，可以采用缩腰式或者倒宝塔式的配风方式，尽量开大上层二次风门。
4.3氧量的影响
氧量会对锅炉炉膛内燃料的燃烧过程产生直接且非常大的影响，而且对氧量进行控制则可以直接对燃烧产物的类型进行控制，而氧量的调节则主要是通过控制进入炉膛的总风量来实现对省煤器出口氧量进行控制的。如果锅炉燃烧区域中的氧量过大，就会对NOx向N2进行还原的反应产生抑制而导致NOx生成量的增加。因此就需要在锅炉燃烧中，在确保燃料充分燃烧的基础上尽量降低氧量的设定值，避免出现折氧后NOx超标以及对NOx的生成进行抑制。在锅炉实际的运行中，通常需要将氧量按照表4.1中的控制标准进行控制。
表4.1 不同负荷省煤器出口氧量控制值（%）
4.4燃烧器设计方式的影响
若锅炉燃烧器的设计形式是旋流燃烧器，在一次风周围环绕的过渡风用于阻隔煤粉和二次风，达到推迟混合的作用。在过渡风的外围是二次风。然而二次风的比例无法调节。一次风率升高，煤粉在喷口处形成富养环境，煤粉的着火点距离一次风喷口依然很近。调整旋流燃烧器内外二次风旋流强度。通过减少内二次风旋流强度，提高刚性，可以推迟二次风与煤粉的混合，可以提高火焰中心高度。实际调整过程中，内二次风旋流强度拉杆关至最小刻度，基本无旋流。
可以适当提升锅炉运行中的氧气含量，增加烟气流量。运行中发现：高负荷下，氧气含量在4.5%左右时，烟气流量增加使得蒸汽温度得到较高的提升。
4.5一次风率较设计值偏高
锅炉实际运行中，为了防止煤粉的堵塞。一次风速要控制在18m/s以上，实际上一次风量会远远超过设计值。据分析相关的运行数据，发现：随着负荷的提升，一次风量和二次风量之比远远高于设计值，一次风风率越高，燃烧器出口氧浓度越高，燃料型 NOx生成越多。因此，过高的一次风风率对降低 NOx排放十分不利。
4.6高负荷下蒸汽温度低，燃尽风难以投入
燃尽风的合理配置，能够降低 20%-40%的氮氧化物排放。表4.2为锅炉尾部烟道实际烟温与设计值对比。低温过热器和低温再热器入口烟气温度比设计值要低，同时低温过热器、低温再热器和省煤器出口烟气温度比设计温度值也要低。炉膛内的出口温度降低，导致再热器吸收不足，使得蒸汽的温度不能达到设计温度值。为了提升蒸汽温度值，一般采取降压运行，当燃尽风投入后，会对炉膛火焰产生压火作用，降低火焰中心，降低主、再热汽温，影响氮氧化物的排放量。
表4.2 锅炉尾部烟道实际烟温与设计值对比
4.7锅炉负荷变化对氮氧化物排放的影响
机组负荷的影响是风量和炉膛温度的综合性影响，理论上讲，随着锅炉负荷的降低，锅炉的热力负荷降低，炉膛火焰的中心温度降低，导致热力型氮氧化物减小，但是对应的过量空气系数增加，燃料型氮氧化物生成量增加。
在此次调节过程中，炉膛的氧量为4%，均等配风工况下，负荷从1000MW降低至900MW条件下，氮氧化物的排放量由767mg/Nm3降为677.2 mg/Nm3，正塔配风的工况条件下，氮氧化物的排放量由823mg/Nm3降为739 mg/Nm3，束腰配风的工况条件下，氮氧化物的排放量由791mg/Nm3降为660 mg/Nm3，通过数据说明，负荷量的改变对于氮氧化物存在一定的影响。
4.8过量空气系数对于氮氧化物的排放影响
通过测试，发现过量空气系数对于氮氧化物排放量由显著的影响，在1000MW条件下，配风方式相同，当氧含量从2%-4%时，氮氧化物的排放量可以增加150 mg/Nm3，在1000MW条件下，配风方式相同，当氧含量从2%-4%时，氮氧化物的排放量可以增加300 mg/Nm3。出现此种现象的原因是燃烧区域如果氧含量增加，会提升燃烧的温度，从而导致热力型氮氧化物的增加，另外，氧含量的增加也为燃烧型氮氧化物中间体与氧气接触提供了更加有利的条件，导致燃料型的氮氧化物生成量增加，使得总氮氧化物含量增加。
另外，低氮燃烧调整可改善氮氧化物的排放，在一次风管管路不堵塞的前提下，尽量提升一次风的煤粉浓度，从源头上减少氮氧化物的生成量。另外，可以推迟二次风与煤粉的混合来减少氮氧化物。除上述因素外，煤种特质也有影响，煤粉细度增加可以降低氮氧化物的排放量。
5结语
锅炉燃烧调整降低氮氧化物的排放的手段和方法：①根据锅炉实际负荷情况及各层煤粉量分别进行风速的调整控制，保持各层一次风最佳风速值；②二次风配比选择缩腰配风方式，给粉量采用上层少下层多方式，适当提高煤粉细度；③磨煤机运行采用邻磨运行方式，尽量配备下层磨；④根据锅炉负荷，合理调整送风量；在高负荷时保持低的过量空气系数。
在对火电厂1000MW锅炉燃烧结果对NOx生成的影响进行分析之后，就可以得出在对火电厂中的NOx进行控制时 就需要对环保参数进行控制，减少SCR入口的NOx含量来保证NOx排放量满足国家提出的相应标准，还可以防止出现吸收塔出口环保参数超限的问题。
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论文作者:吴军
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/20
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