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环保低氮燃烧技术在燃煤锅炉中的应用

2025-05-09 67 上传者：管理员

摘要：随着环保政策趋严，燃煤锅炉氮氧化物（NOx）减排成为实现超低排放的核心问题。为此，开展低氮燃烧技术分析及实践，首先分析燃煤锅炉NOx生成机理（热力型、燃料型、快速型），系统分析低氮燃烧技术原理及减排效率。技术分类包括：燃烧前煤质优化降低氮源；燃烧中通过空气分级、燃料分级、烟气再循环及浓淡燃烧，调控氧浓度与温度，抑制NOx生成并强化还原（减排率30%～70%）；燃烧后采用SCR/SNCR技术深度脱硝（效率达90%）。以某厂480 t/h锅炉为例，集成水平浓淡燃烧器、SOFA分级配风及SCR技术，NOx排放浓度<50 mg/m3，满足超低排放标准。研究表明，多技术协同与精细化管理可经济高效实现减排目标，未来需结合技术创新进一步优化燃煤锅炉清洁运行，助力环境质量改善。

关键词：
低氮燃烧技术
工业供热
氮氧化物
燃煤锅炉
电力生产
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随着我国经济的快速发展和能源需求的不断增长,燃煤锅炉在电力生产和工业供热中仍占据重要地位｡然而,燃煤过程中产生的氮氧化物(NOₓ)是主要大气污染物之一,对环境和人类健康造成严重危害｡为应对日益严格的环保法规,开发和应用低氮燃烧技术成为燃煤锅炉领域的重要研究方向｡深入探讨燃煤锅炉低氮燃烧技术的原理､方法及应用,为相关领域的研究和实践提供参考｡

1、氮氧化物生成机理

燃煤锅炉中氮氧化物的生成主要涉及热力型NOₓ､燃料型NOₓ和快速型NOₓ三种机理｡热力型NOₓ是由空气中的氮气在高温下氧化生成,其生成量随温度升高呈指数增长｡燃料型NOₓ来源于煤中氮元素的氧化,是燃煤锅炉NOₓ的主要来源,约占总排放量的60%~80%｡快速型NOₓ是碳氢化合物燃烧时,空气中的氮气与中间产物反应生成,在燃煤锅炉中占比相对较小[1]｡

影响NOₓ生成的主要因素包括燃烧温度､过量空气系数､煤种特性､燃烧方式等｡了解这些生成机理和影响因素,为开发低氮燃烧技术提供了理论基础｡

2、低氮燃烧技术分类

燃煤锅炉降低氮氧化物(NOₓ)的技术措施可分为燃烧前控制､燃烧过程优化和燃烧后处理三类,需结合锅炉类型､燃料特性及排放要求综合选择｡2.1燃烧前控制燃烧前控制主要针对燃料进行预处理,优先选用含氮量低､挥发分适中的煤种,从源头减少燃料型NOₓ生成,其次就是通过洗煤､配煤､加氢脱硝等措施优化煤质,降低燃料氮含量｡

2.2燃烧过程优化

2.2.1空气分级燃烧

空气分级燃烧是通过改进燃烧器的设计和炉膛配风设计,合理地分配并适时地送入燃料各阶段所需空气,将燃烧分为主燃区(缺氧燃烧)和燃尽区(完全燃烧),抑制主燃区NOₓ生成,同时保证燃尽效率｡NOₓ减排率约30%~50%｡

在维持总体过量空气系数较低的基础上,在主燃区创造局部缺氧燃烧的富燃料区,降低主燃区温度,减少热力型NOₓ生成;控制局部氧浓度,抑制燃料型NOₓ;延长还原反应时间,在缺氧条件下,已生成的NOₓ可被还原为N2｡在燃尽区创造富氧气区,以确保燃料的燃尽,部分残留氮在富氧气氛中转化为NOₓ,但该区域温度低,NOₓ生产量受限[1]｡

通过分阶段控制氧气供应和燃烧条件,空气分级燃烧技术实现了高效燃烧与低污染排放的平衡,是当前工业燃烧领域广泛应用的关键减排技术之一｡

2.2.2燃料分级燃烧

燃料分级燃烧是通过分阶段供给燃料,控制燃烧区域的化学环境和温度分布,在燃烧过程中形成“富燃料-贫燃料”交替的区域,利用还原性气体将已生成的NOₓ还原为N2｡NOₓ减排率约50%~70%｡

燃料分级燃烧通常分为3个阶段:在主燃区(一次燃烧区)供给80%~90%的燃料和理论所需空气量(过量空气系数<1),形成富燃料缺氧环境,抑制NOₓ生成｡在再燃区(还原区)喷入10%~20%的二次燃料(再燃燃料),生成大量还原性气体(CO､H2､CH3自由基等),将主燃区生成的NOₓ还原为N2｡在燃尽区(三次燃烧区)补充剩余空气(过量空气系数>1),使未燃尽的燃料和还原性气体(CO､HC等)彻底氧化完全燃烧[3]｡避免因缺氧燃烧导致的燃烧效率下降,确保烟气中污染物排放达标｡

燃料分级燃烧通过分阶段供给燃料,在再燃区利用还原性气体对NOₓ进行化学还原,实现了更高效的NOₓ控制,是燃煤锅炉实现超低排放的核心技术之一｡

2.2.3烟气再循环

烟气再循环是将锅炉空气预热器前的尾部烟气抽出(约10%~30%)掺混到一次风或送风中,烟气与新鲜空气混合后,降低了燃烧区的氧气浓度,减缓了燃烧速率[4]｡同时低温烟气的混入,使炉膛燃烧温度降低,抑制热力型NOₓ生成｡

烟气再循环通过物理稀释和热效应,在降低污染排放的同时优化燃烧过程,是清洁燃烧技术的重要组成部分｡

2.2.4浓淡燃烧

浓淡燃烧是通过优化燃烧器喷嘴和空气分配装置将煤粉气流分离成两股煤粉含量不同的“富粉流”和“贫粉流”,实现“浓度分层”和“分阶段燃烧”,抑制NOₓ生成｡NOₓ减排率约30%~50%｡

第一阶段(浓燃烧区),燃料与空气的混合比例较高,形成富燃料环境｡“富粉流”由于煤粉浓度大,可显著减少煤粉气流的着火热,提高挥发分的容积浓度,增加火焰黑度和辐射吸热量,使煤粉温度迅速升高,进入炉膛后着火快,形成缺氧环境,抑制NOₓ生成;同时提高煤粉浓度,可降低燃烧温度,抑制热力型NOₓ的生成｡第二阶段(淡燃烧区),燃料与空气的混合比例较低,形成贫燃料环境[4]｡“贫粉流”与过量空气继续燃烧,此时氧气充足,未燃尽的燃料被完全氧化,但因整体温度较低(稀释效应),NOₓ生成量进一步减少｡

浓淡燃烧通过燃料与空气的分阶段混合,降低燃烧峰值温度,抑制NOₓ生成,同时保证燃料的充分燃烧｡该技术是清洁燃烧领域的重要发展方向,尤其适用于对环保要求严格的工业与能源领域｡

2.3燃烧后处理

2.3.1选择性催化还原(SCR)

在锅炉省煤器出口､空预器入口之间的烟气高温段(300~400℃)布置SCR反应器,在催化剂(如V2O5-WO3/TiO2)的作用下,通过喷嘴向烟气中均匀喷入氨(NH3)或尿素,将烟气中NOₓ选择性还原为N2和H2O,脱硝效率可达80%~90%｡

2.3.2选择性非催化还原(SNCR)

在锅炉炉膛内部高温区(850~1100℃)直接喷入氨(NH3)或尿素,无催化剂参与反应,脱硝效率约30%~70%｡2.3.3联合脱硝技术(SNCR+SCR)先通过SNCR初步脱硝,再经SCR深度处理,平衡成本与效率｡

3、典型环保低氮燃烧技术的应用

3.1锅炉整体结构

某厂扩建工程2×480t/h锅炉是由哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计制造的HG-480/9.8-YM22型､单锅筒､单炉膛､п型布置､燃用煤粉､四角切圆燃烧､固态排渣､高温高压参数的自然循环汽包炉(无中间再热)｡锅炉前部为炉膛,四周布满膜式水冷壁,炉膛出口处布置屏式过热器,水平烟道装设两级对流过热器,炉顶､水平烟道转向室和尾部包墙采用膜式管包敷,省煤器在尾部竖井烟道里,并设有两台三分仓回转式空气预热器｡锅炉主要参数见表1,燃烧煤种为烟煤,设计煤种特性见表2｡

表1锅炉主要参数

表2设计煤种特性

3.2低氮燃烧技术的应用

3.2.1分级配风

燃烧器采用四角布置,每一角燃烧器布置6个二次风喷口､3个水平浓淡一次风喷口､1个点火燃气喷口､1个等离子燃烧器喷口､1个掺烧气喷口,在主燃烧器上方约5m处设置了SOFA燃烧器,SOFA燃烧器布置有3层二次风喷口｡

燃烧器每层二次风均设有电动调节阀,可以在DCS控制系统上操控各个二次风门的开度,根据锅炉启停工况､锅炉负荷､煤层投停､结焦情况､主蒸汽参数､氮氧化物排放值实时调整燃烧器各喷嘴的二次风量,实现分级配风｡

一次风(携粉)､二次风(助燃)､SOFA风(燃尽)在炉膛垂直方向的不同高度布置｡环绕一次风配有周界风,周界风对煤粉流形成包裹约束加强其刚性,防止煤粉冲刷水冷壁造成结焦和高温腐蚀;下二次风可以托住火焰不往下冲,防止煤粉离析,避免冷灰斗结渣,该锅炉是固态排渣炉,所以分级配风时下二次风占比较小;中二次风是煤粉燃烧时的主要风源,但为了营造富燃料微缺氧的低温还原区,抑制NOₓ生成,在分级配风时中二次风占比较大;上二次风可以压火,防止火焰过分上飘,同时也是煤粉燃尽达到完全燃烧的风源,分级配风时上二次风占比最大｡

3.2.2水平浓淡煤粉燃烧器

该锅炉采用水平浓淡煤粉燃烧器,一次风燃烧器喷口自煤流方向依次布置百叶窗､垂直隔板､波形钝体,这些不同形状的导流楔块可以改变煤粉的流动惯性｡一次风携带合格的煤粉进入燃烧器喷口,经百叶窗的阻挡分离将煤粉流分离成浓相流和淡相流,再由垂直隔板分隔后经过燃烧器出口处的波形钝体进入炉膛参与燃烧｡浓相流的煤粉浓度高,着火特性好,且波形钝体附近可以形成高温烟气回流区,为煤粉着火提供了热源,为低负荷稳燃提供了保证｡由于浓相流的煤粉浓度高,含氧化合物少,使得由燃料氮转化来的NOₓ被大量还原为N2,从而减少了NOₓ的排放｡

3.2.3SOFA燃烧器

SOFA燃烧器,即分离燃尽风燃烧器,安装在主燃烧器上方,分层布置多个喷口,通过电动调节阀分级控制SOFA风量,将二次风以特定角度和速度送入炉膛,实现分级燃烧｡SOFA燃烧器可在水平､垂直方向上摆动,水平可摆动±12°,垂直可摆动±30°[6]｡水平摆动可以调节炉内气流旋流强度,平衡炉膛出口烟温偏差,进而调节气温偏差,避免过热器受热不均超温爆管;垂直摆动可以调节分级送风的分级程度,延迟空气与燃料的混合,在主燃区形成缺氧环境抑制NOₓ的生成,在燃尽区补充氧气,确保未燃尽煤粉充分燃烧,减少飞灰和CO生成,同时低温环境减少NOₓ的二次生成,进一步优化燃烧效果｡

3.2.4SCR脱硝技术

该工程锅炉已配套建设烟气脱硝装置,采用SCR烟气脱硝技术,还原剂选用液氨,反应器安置于锅炉的省煤器与空气预热器中间,1台锅炉配备2个反应器,催化剂层数按3+1方式排列,初始安装三层,另外附加预留一层,并配有液氨蒸发器､氨/空气静态混合器､喷氨格栅､声波吹灰器等,高效处理和控制NOₓ排放[7]｡

3.3超低排放

国家通过政策引导､技术革新及行业改造,氮氧化物超低排放目标正逐步实现｡根据相关规定,超低排放标准具体为:在基准氧含量6%的条件下,烟尘､二氧化硫､氮氧化物排放浓度分别不高于10mg/m3､35mg/m3､50mg/m3｡这一标准相比现行的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)[8]中规定的燃煤锅炉重点地区特别排放限值分别下降了75%､30%和50%｡该厂扩建工程2×480t/h锅炉协同环保低氮燃烧技术+SCR烟气脱硝技术,可实现NOₓ最终排放浓度<50mg/m3,并且安装了在线监测系统,与生态环境部门联网实时公示污染物数据,满足超低排放要求｡

4、结语

目前,低氮燃烧技术已在各类燃煤锅炉中得到广泛应用｡通过多技术协同和精细化管理,可在经济可行范围内显著降低燃煤锅炉NOₓ排放,满足环保法规要求,对改善大气环境质量具有重要意义｡未来,随着技术的不断进步和环保要求的日益严格,低氮燃烧技术将在燃煤锅炉清洁高效运行中发挥更加重要的作用,提供更全面的解决方案｡

参考文献:

[1]邱正霖,张小辉,赵頔,等.火电厂氮氧化物生成机理及排放控制技术分析[J].沈阳工程学院学报(自然科学版),2023,19(1):23-29.

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[4]吴勇俊,邵罗江,徐崇蛟.浅谈循环流化床锅炉烟气再循环系统的运行[J].工业锅炉,2024(1):49-52.

[5]贺楠,赵星海,辛国华.电站煤粉锅炉水平浓淡燃烧器改造及数值模拟研究[J].电站系统工程,2014,30(4):11-13.

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[7]王晓玲.燃煤电厂锅炉烟气脱硝技术应用发展[J].清洗世界,2024,40(10):4-6.

[8]环境保护部,国家质量监督检验检疫总局.火电厂大气污染物排放标准:GB13223—2011[S].北京:中国标准出版社,2011.

文章来源:赵银凤.环保低氮燃烧技术在燃煤锅炉中的应用[J].化工安全与环境,2025,38(05):55-58.