N和挥发分对低NOx燃烧锅炉氮氧化物排放的影响

　   发电技术N和挥发分对低NOx燃烧锅炉氮氧化物排放的影响高小涛1，章名耀2（1.江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103；2.东南大学能源与环境学院，江苏南京210096）特性对先进低NOx燃烧系统锅炉NOx排放影响并不显著。对于同1台先进低NO烧系统锅炉的NOx排放质量浓度随N、挥发分含量的增加有降低的趋势，煤质仍然是锅炉NOx排放质量浓度的主要影响因素。

　　近年来，新建燃煤电站锅炉均米用了先进低NOx燃烧系统。低NOx燃烧技术的快速发展和应用，显著影响锅炉的运行性能，锅炉NOx排放特性及各影响因素的影响趋势也随低NOx燃烧技术的使用而变化。对采用先进低NOx燃烧系统的锅炉，主要是根据煤的燃烧特性来实现NOx排放控制，相应的燃煤挥发分含量高则NOx排放浓度一般降低。

　　在煤粉锅炉中燃料NOx占NOx生成量的大部分。燃料NOx的生成量不仅取决于煤中的含氮量，还取决于其他煤质特性参数，这些参数主要通过影响煤的热解、燃烧特性而影响燃料N的转化和NOx的生成。影响燃料NOx生成的主要煤质特性是煤中氮和挥发分含量，此外颗粒尺寸分布、热解速度、挥发分和焦燃烧速度也影响NOx的生成。

　　1我国发电用煤中N和挥发分含量我国300MW以上大型锅炉的典型设计和运行煤种的N含量随挥发分含量的变化如所示。

　　图中的数据包括中大量大型锅炉数据，还包括中研究涉及锅炉的设计和运行煤种，从挥发分含量看，该数据库涵盖了无烟煤到褐煤的所有煤种。从可以看出，对于所考察数据库中的煤种，随干燥无灰基挥发分含量（V）的增加，收到基N含量（N呈逐渐降低的趋势，只有少数挥发分很高的褐煤稍偏离这一趋势。

　　2煤质与锅炉NOx排放量的关系为了研究低NOx燃烧技术对降低锅炉NOx排放量的影响，首先对2004年以前我国燃煤电厂锅炉NOx排放量和煤质特性之间的关系进行研究。所整理的数据库包括300600MW容量锅炉及少量100200MW锅炉40余台的NOx n含置随挥发分含置的变化排放浓度和煤质分析数据。这些锅炉大多属于当时的主力机组，其中主要是直流燃烧器切圆燃烧锅炉，也包括少量旋流燃烧器墙式燃烧锅炉。试验结果包括NOx测量结果和完整的试验用煤煤质分析丨工业分析、元素分析和发热量）数据。当1台锅炉的NOx排放质量浓度数据包括改变运行参数和变煤种的NOx排放测量结果时，则对相同煤种条件下各试验工况的NOx排放质量浓度进行平均。为了比较，所有的NOx排放结果数据均折算到过量空气系数为1.4也就是6%O2、单位为mg/m3的数值。

　　2.1挥发分含量锅炉NOx排放质量浓度与燃煤的挥发分含量之间的关系如所示丨图中曲线仅用于显示变化趋势）。从可以看出，锅炉燃用煤种主要是贫煤和烟煤，但挥发分含量在20%30%之间的较少，因为这一范围的烟煤主要是炼焦煤，不用作锅炉燃料。对于所统计的锅炉和煤种，燃煤高挥发分含量煤的锅炉NOx排放量一般较低丨如图中曲线趋势所示）。相比起来，燃用贫煤比燃用烟煤的锅炉NOx排放质量浓度高得多。

　　国内外大量的（图中直线仅用于显示变化趋势），其中燃煤的N含量分别采用干燥无灰基氮含量（NdfNar以及Nr与煤收到基低位发热量（Qnetar）之比3种形式表示。

　　可以看出，无论采用何种形式反映燃煤的（b）NO，排放贵和11锅炉NOx排放质置浓度与燃煤N含屋的关系N含量，其总体的变化趋势是锅炉N01：排放质量浓度随煤中N含量的增加而升高，二者之间近似呈线性关系（见各图中的趋势线）。相比起来，（Nar）与NOx排放量之间相关性最差，而其余两者中<p（nar） qn与nox排放量之间相关性略好。中数据较分散，即对于燃煤含氮量相同的锅炉，nox排放质量浓度相差可能很大，如相同（kn="" qnear时nox质量浓度变化范围可在趋势线±100mg="" m3.这是因为锅炉的nox排放质量浓度不仅取决于煤质特性，还取决于锅炉的设计参数和运行条件。　　3煤质与低NOx燃烧锅炉NOx排放的关系2004年起，我国新建电厂开始执行新的污染物排放标准，该标准较1996年版标准对NOx排放的限制更趋严格，如燃用烟煤的锅炉排放标准由650mgm3降至450mgm3，此外还执行排污收费。因此新建电厂为了降低NOx排放以节约运行成本，必须采取更先进技术以控制NOx排放量。

　　这一时期的新建燃煤电站锅炉不仅采用低NOx燃烧器，而且进一步采用低NOx燃烧系统。通常锅炉均采用低NOx燃烧器和炉内空气分级燃烧（OFA技术）相结合的技术，此外对运行过量空气系数的控制也趋于严格。在切圆燃烧锅炉上，燃尽风分成紧凑燃尽风和分离燃尽风（SOFA），其间拉开一定距离布置；而墙式燃烧锅炉OFA也与主燃烧器拉开距离布置。这样，炉内燃烧区域形成三部分，即主燃烧区、还原区和燃尽区。主燃烧区过量空气系数一般控制在1.0以下，其贫氧甚至还原性气氛抑制主燃烧区NOx的生成，而还原区则提供一定的烟气停留时间促进已生成NOx的还原。

　　由于低NOx燃烧器和主燃烧区低过量空气系数的应用，显著影响燃料NOx的生成特性，也意味着可能改变煤质特性因素对锅炉NOx排放的影响。

　　这里通过对近年新建电站锅炉燃烧调整试验结果的综合比较和分析，研究煤质特性因素对采用先进燃江苏电机工程烧系统锅炉的NOx排放质量浓度的影响规律。研究包括江苏省7个电厂共11台新建锅炉，其容量包括300MW级，600MW级和1 000MW级，均采用直流燃烧器切圆燃烧方式，燃烧系统均包括低NOx燃烧器、紧凑燃尽风和分离燃尽风，锅炉的基本信息综合在表1中。试验结果包括37个不同的煤种。

　　表1低NO.燃烧锅炉的基本特点项目锅炉容量/MW燃烧方式切圆燃烧燃烧器及燃烧系统NOx燃烧器+LNCFS系统5层CE低NOx燃烧器+LNCFS系统NOx燃烧器+LNCFS系统燃烧器+MACT系统设计煤种低挥发分烟煤烟煤高挥发分烟煤燃用煤种高挥发分烟煤贫煤/低挥发分烟煤烟煤高挥发分烟煤3.1锅炉NOx排放质量浓度与燃煤挥发分的关系采用低NOx燃烧系统的锅炉NOx排放质量浓度与燃煤的挥发分含量的关系如所示。图中符号表示同一电厂同型锅炉，误差线则表示燃用同一煤种时锅炉运行工况改变引起NOx排放质量浓度变化的标准偏差。原，高挥发分煤因相对N含量低且燃料N的转换可得到有效抑制，因此这种控制方式对高挥发分煤NOx排放控制更为有效。

　　3.2锅炉NOx排放质量浓度与燃煤N含量的关系采用低NOx燃烧系统的锅炉NOx排放质量浓度与燃煤的N含量之间的关系如所示。

　　口为HY；A为HR；低NO，燃烧锅炉NO，排放质置浓度与燃煤挥发分含置的关系活为GHT；NO质S浓度和屮低NO，燃烧锅炉NO，排放质置浓度与燃煤的N含量的关系口为HY；a为HR；（a）NO，排放质置浓度和Nw从可以看出，锅炉NOx排放质量浓度随燃煤挥发分的增加呈降低的趋势，这与中的趋势是一致的。HY电厂2台炉燃用煤种为低挥发分烟煤甚至贫煤，其NOx排放质量浓度与中的结果接近；而对于挥发分高于30%的煤种，大多数锅炉NOx排放质量浓度比中燃用相同挥发分煤的锅炉低得多，并显著低于国家标准450mg/m3的限制值，而且相对而言随挥发分含量的增加，除HR电厂外，锅炉NOx排放质量浓度的变化并不大。这体现了低NOx燃烧器和燃烧系统在控制高挥发分煤NOx排放质量浓度上的显著效果。这主要是因为低NOx燃烧系统通过低NOx燃烧器对煤粉的燃烧组织，促进挥发分析及挥发分氮的大量析出，通过主燃烧区低过量空气系数抑制挥发分氮向NOx的转化，而炉内深度空气分级的采用则促进NOx的还对于所考察的采用低N 0%燃烧系统的锅炉，与（b）相比，（a）显示锅炉NOx排放质量浓度随的增加不再有明显的增加趋势，虽然图中数据点较分散，但除HY电厂锅炉外，其他锅炉NOx排放质量浓度随的增加变化不大，这和许多研究的结果是一致的。

　　当N含量以单位发热量的含量表示时，与（c）相比，（b）表明采用低NOx燃烧系统的锅炉NOx排放质量浓度随史（N/Q的增加同样不再有明显增加趋势，只是当（NaO/Qne >0.04后有增加的趋势。对于同一电厂的同型锅炉，燃用挥发分高的烟煤，NOx排放质量浓度随史（N/Qar的增加呈下降趋势。

　　结果表明，与2004年前生产的锅炉相比，NOx排放质量浓度随燃煤N含量的增加没有明显的增加趋势，这可能是涉及的煤种绝大多数为烟煤。

　　对于燃用挥发分大于30%的烟煤锅炉，NOx排放量随燃煤N含量的增加呈降低趋势，且对同一电厂同型锅炉这一趋势明显，这不同于中的结果。尽管如此，不同煤种N含量变化导致的NOx变化的范围约在200450mg/m3，考虑到同1台锅炉煤质变化的范围不大，因此，对于高挥发分煤，N含量对NOx变化的影响趋势不再明显。

　　综合以上比较煤的挥发分和N含量对不同锅炉NOx排放质量浓度的影响表明，对于燃用高挥发分烟煤的锅炉，燃料特性对锅炉NOx排放影响并不显著，这主要是因为先进低NOx燃烧系统对高挥发分煤燃料N特别是挥发分N向NOx转化的有效控制的结果。尽管如此，对于1台锅炉，NOx排放质量浓度随N、挥发分含量的增加有降低的趋势，虽然煤质变化引起NOx排放质量浓度变化的绝对值小，但考虑到其处于较低的水平，其相对值仍然较大，这也意味着煤质仍然是1台锅炉NOx排放质量浓度的主要影响因素。

　　4结论比较煤的挥发分和N含量对不同锅炉NOx排放质量浓度的影响表明，对于燃用高挥发分烟煤的锅炉，煤质特性对先进低NOx燃烧系统锅炉NOx排放影响并不显著。对于同一台先进低NOx燃烧系统锅炉的NOx排放质量浓度随N、挥发分含量的增加有降低的趋势，煤质仍然是锅炉NOx排放质量浓度的主要影响因素。