發(fā)電技術(shù)N和揮發(fā)分對(duì)低NOx燃燒鍋爐氮氧化物排放的影響高小濤1，章名耀2（1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096）特性對(duì)先進(jìn)低NOx燃燒系統(tǒng)鍋爐NOx排放影響并不顯著。對(duì)于同1臺(tái)先進(jìn)低NO燒系統(tǒng)鍋爐的NOx排放質(zhì)量濃度隨N、揮發(fā)分含量的增加有降低的趨勢(shì)，煤質(zhì)仍然是鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度的主要影響因素。

　　近年來(lái)，新建燃煤電站鍋爐均米用了先進(jìn)低NOx燃燒系統(tǒng)。低NOx燃燒技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，顯著影響鍋爐的運(yùn)行性能，鍋爐NOx排放特性及各影響因素的影響趨勢(shì)也隨低NOx燃燒技術(shù)的使用而變化。對(duì)采用先進(jìn)低NOx燃燒系統(tǒng)的鍋爐，主要是根據(jù)煤的燃燒特性來(lái)實(shí)現(xiàn)NOx排放控制，相應(yīng)的燃煤揮發(fā)分含量高則NOx排放濃度一般降低。

　　在煤粉鍋爐中燃料NOx占NOx生成量的大部分。燃料NOx的生成量不僅取決于煤中的含氮量，還取決于其他煤質(zhì)特性參數(shù)，這些參數(shù)主要通過(guò)影響煤的熱解、燃燒特性而影響燃料N的轉(zhuǎn)化和NOx的生成。影響燃料NOx生成的主要煤質(zhì)特性是煤中氮和揮發(fā)分含量，此外顆粒尺寸分布、熱解速度、揮發(fā)分和焦燃燒速度也影響NOx的生成。

　　1我國(guó)發(fā)電用煤中N和揮發(fā)分含量我國(guó)300MW以上大型鍋爐的典型設(shè)計(jì)和運(yùn)行煤種的N含量隨揮發(fā)分含量的變化如所示。

　　圖中的數(shù)據(jù)包括中大量大型鍋爐數(shù)據(jù)，還包括中研究涉及鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行煤種，從揮發(fā)分含量看，該數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋了無(wú)煙煤到褐煤的所有煤種。從可以看出，對(duì)于所考察數(shù)據(jù)庫(kù)中的煤種，隨干燥無(wú)灰基揮發(fā)分含量（V）的增加，收到基N含量（N呈逐漸降低的趨勢(shì)，只有少數(shù)揮發(fā)分很高的褐煤稍偏離這一趨勢(shì)。

　　2煤質(zhì)與鍋爐NOx排放量的關(guān)系為了研究低NOx燃燒技術(shù)對(duì)降低鍋爐NOx排放量的影響，首先對(duì)2004年以前我國(guó)燃煤電廠(chǎng)鍋爐NOx排放量和煤質(zhì)特性之間的關(guān)系進(jìn)行研究。所整理的數(shù)據(jù)庫(kù)包括300600MW容量鍋爐及少量100200MW鍋爐40余臺(tái)的NOx n含置隨揮發(fā)分含置的變化排放濃度和煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)。這些鍋爐大多屬于當(dāng)時(shí)的主力機(jī)組，其中主要是直流燃燒器切圓燃燒鍋爐，也包括少量旋流燃燒器墻式燃燒鍋爐。試驗(yàn)結(jié)果包括NOx測(cè)量結(jié)果和完整的試驗(yàn)用煤煤質(zhì)分析丨工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量）數(shù)據(jù)。當(dāng)1臺(tái)鍋爐的NOx排放質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)包括改變運(yùn)行參數(shù)和變煤種的NOx排放測(cè)量結(jié)果時(shí)，則對(duì)相同煤種條件下各試驗(yàn)工況的NOx排放質(zhì)量濃度進(jìn)行平均。為了比較，所有的NOx排放結(jié)果數(shù)據(jù)均折算到過(guò)量空氣系數(shù)為1.4也就是6%O2、單位為mg/m3的數(shù)值。

　　2.1揮發(fā)分含量鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度與燃煤的揮發(fā)分含量之間的關(guān)系如所示丨圖中曲線(xiàn)僅用于顯示變化趨勢(shì)）。從可以看出，鍋爐燃用煤種主要是貧煤和煙煤，但揮發(fā)分含量在20%30%之間的較少，因?yàn)檫@一范圍的煙煤主要是煉焦煤，不用作鍋爐燃料。對(duì)于所統(tǒng)計(jì)的鍋爐和煤種，燃煤高揮發(fā)分含量煤的鍋爐NOx排放量一般較低丨如圖中曲線(xiàn)趨勢(shì)所示）。相比起來(lái)，燃用貧煤比燃用煙煤的鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度高得多。

　　國(guó)內(nèi)外大量的（圖中直線(xiàn)僅用于顯示變化趨勢(shì)），其中燃煤的N含量分別采用干燥無(wú)灰基氮含量（NdfNar以及Nr與煤收到基低位發(fā)熱量（Qnetar）之比3種形式表示。

　　可以看出，無(wú)論采用何種形式反映燃煤的（b）NO，排放貴和11鍋爐NOx排放質(zhì)置濃度與燃煤N含屋的關(guān)系N含量，其總體的變化趨勢(shì)是鍋爐N01：排放質(zhì)量濃度隨煤中N含量的增加而升高，二者之間近似呈線(xiàn)性關(guān)系（見(jiàn)各圖中的趨勢(shì)線(xiàn)）。相比起來(lái)，（Nar）與NOx排放量之間相關(guān)性最差，而其余兩者中<p（nar） qn與nox排放量之間相關(guān)性略好。中數(shù)據(jù)較分散，即對(duì)于燃煤含氮量相同的鍋爐，nox排放質(zhì)量濃度相差可能很大，如相同（kn="" qnear時(shí)nox質(zhì)量濃度變化范圍可在趨勢(shì)線(xiàn)±100mg="" m3.這是因?yàn)殄仩t的nox排放質(zhì)量濃度不僅取決于煤質(zhì)特性，還取決于鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行條件。　　3煤質(zhì)與低NOx燃燒鍋爐NOx排放的關(guān)系2004年起，我國(guó)新建電廠(chǎng)開(kāi)始執(zhí)行新的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)較1996年版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NOx排放的限制更趨嚴(yán)格，如燃用煙煤的鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)由650mgm3降至450mgm3，此外還執(zhí)行排污收費(fèi)。因此新建電廠(chǎng)為了降低NOx排放以節(jié)約運(yùn)行成本，必須采取更先進(jìn)技術(shù)以控制NOx排放量。

　　這一時(shí)期的新建燃煤電站鍋爐不僅采用低NOx燃燒器，而且進(jìn)一步采用低NOx燃燒系統(tǒng)。通常鍋爐均采用低NOx燃燒器和爐內(nèi)空氣分級(jí)燃燒（OFA技術(shù)）相結(jié)合的技術(shù)，此外對(duì)運(yùn)行過(guò)量空氣系數(shù)的控制也趨于嚴(yán)格。在切圓燃燒鍋爐上，燃盡風(fēng)分成緊湊燃盡風(fēng)和分離燃盡風(fēng)（SOFA），其間拉開(kāi)一定距離布置；而墻式燃燒鍋爐OFA也與主燃燒器拉開(kāi)距離布置。這樣，爐內(nèi)燃燒區(qū)域形成三部分，即主燃燒區(qū)、還原區(qū)和燃盡區(qū)。主燃燒區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)一般控制在1.0以下，其貧氧甚至還原性氣氛抑制主燃燒區(qū)NOx的生成，而還原區(qū)則提供一定的煙氣停留時(shí)間促進(jìn)已生成NOx的還原。

　　由于低NOx燃燒器和主燃燒區(qū)低過(guò)量空氣系數(shù)的應(yīng)用，顯著影響燃料NOx的生成特性，也意味著可能改變煤質(zhì)特性因素對(duì)鍋爐NOx排放的影響。

　　這里通過(guò)對(duì)近年新建電站鍋爐燃燒調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果的綜合比較和分析，研究煤質(zhì)特性因素對(duì)采用先進(jìn)燃江蘇電機(jī)工程燒系統(tǒng)鍋爐的NOx排放質(zhì)量濃度的影響規(guī)律。研究包括江蘇省7個(gè)電廠(chǎng)共11臺(tái)新建鍋爐，其容量包括300MW級(jí)，600MW級(jí)和1 000MW級(jí)，均采用直流燃燒器切圓燃燒方式，燃燒系統(tǒng)均包括低NOx燃燒器、緊湊燃盡風(fēng)和分離燃盡風(fēng)，鍋爐的基本信息綜合在表1中。試驗(yàn)結(jié)果包括37個(gè)不同的煤種。

　　表1低NO.燃燒鍋爐的基本特點(diǎn)項(xiàng)目鍋爐容量/MW燃燒方式切圓燃燒燃燒器及燃燒系統(tǒng)NOx燃燒器+LNCFS系統(tǒng)5層CE低NOx燃燒器+LNCFS系統(tǒng)NOx燃燒器+LNCFS系統(tǒng)燃燒器+MACT系統(tǒng)設(shè)計(jì)煤種低揮發(fā)分煙煤煙煤高揮發(fā)分煙煤燃用煤種高揮發(fā)分煙煤貧煤/低揮發(fā)分煙煤煙煤高揮發(fā)分煙煤3.1鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度與燃煤揮發(fā)分的關(guān)系采用低NOx燃燒系統(tǒng)的鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度與燃煤的揮發(fā)分含量的關(guān)系如所示。圖中符號(hào)表示同一電廠(chǎng)同型鍋爐，誤差線(xiàn)則表示燃用同一煤種時(shí)鍋爐運(yùn)行工況改變引起NOx排放質(zhì)量濃度變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差。原，高揮發(fā)分煤因相對(duì)N含量低且燃料N的轉(zhuǎn)換可得到有效抑制，因此這種控制方式對(duì)高揮發(fā)分煤NOx排放控制更為有效。

　　3.2鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度與燃煤N含量的關(guān)系采用低NOx燃燒系統(tǒng)的鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度與燃煤的N含量之間的關(guān)系如所示。

　　口為HY；A為HR；低NO，燃燒鍋爐NO，排放質(zhì)置濃度與燃煤揮發(fā)分含置的關(guān)系活為GHT；NO質(zhì)S濃度和屮低NO，燃燒鍋爐NO，排放質(zhì)置濃度與燃煤的N含量的關(guān)系口為HY；a為HR；（a）NO，排放質(zhì)置濃度和Nw從可以看出，鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度隨燃煤揮發(fā)分的增加呈降低的趨勢(shì)，這與中的趨勢(shì)是一致的。HY電廠(chǎng)2臺(tái)爐燃用煤種為低揮發(fā)分煙煤甚至貧煤，其N(xiāo)Ox排放質(zhì)量濃度與中的結(jié)果接近；而對(duì)于揮發(fā)分高于30%的煤種，大多數(shù)鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度比中燃用相同揮發(fā)分煤的鍋爐低得多，并顯著低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)450mg/m3的限制值，而且相對(duì)而言隨揮發(fā)分含量的增加，除HR電廠(chǎng)外，鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度的變化并不大。這體現(xiàn)了低NOx燃燒器和燃燒系統(tǒng)在控制高揮發(fā)分煤NOx排放質(zhì)量濃度上的顯著效果。這主要是因?yàn)榈蚇Ox燃燒系統(tǒng)通過(guò)低NOx燃燒器對(duì)煤粉的燃燒組織，促進(jìn)揮發(fā)分析及揮發(fā)分氮的大量析出，通過(guò)主燃燒區(qū)低過(guò)量空氣系數(shù)抑制揮發(fā)分氮向NOx的轉(zhuǎn)化，而爐內(nèi)深度空氣分級(jí)的采用則促進(jìn)NOx的還對(duì)于所考察的采用低N 0%燃燒系統(tǒng)的鍋爐，與（b）相比，（a）顯示鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度隨的增加不再有明顯的增加趨勢(shì)，雖然圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)較分散，但除HY電廠(chǎng)鍋爐外，其他鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度隨的增加變化不大，這和許多研究的結(jié)果是一致的。

　　當(dāng)N含量以單位發(fā)熱量的含量表示時(shí)，與（c）相比，（b）表明采用低NOx燃燒系統(tǒng)的鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度隨史（N/Q的增加同樣不再有明顯增加趨勢(shì)，只是當(dāng)（NaO/Qne >0.04后有增加的趨勢(shì)。對(duì)于同一電廠(chǎng)的同型鍋爐，燃用揮發(fā)分高的煙煤，NOx排放質(zhì)量濃度隨史（N/Qar的增加呈下降趨勢(shì)。

　　結(jié)果表明，與2004年前生產(chǎn)的鍋爐相比，NOx排放質(zhì)量濃度隨燃煤N含量的增加沒(méi)有明顯的增加趨勢(shì)，這可能是涉及的煤種絕大多數(shù)為煙煤。

　　對(duì)于燃用揮發(fā)分大于30%的煙煤鍋爐，NOx排放量隨燃煤N含量的增加呈降低趨勢(shì)，且對(duì)同一電廠(chǎng)同型鍋爐這一趨勢(shì)明顯，這不同于中的結(jié)果。盡管如此，不同煤種N含量變化導(dǎo)致的NOx變化的范圍約在200450mg/m3，考慮到同1臺(tái)鍋爐煤質(zhì)變化的范圍不大，因此，對(duì)于高揮發(fā)分煤，N含量對(duì)NOx變化的影響趨勢(shì)不再明顯。

　　綜合以上比較煤的揮發(fā)分和N含量對(duì)不同鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度的影響表明，對(duì)于燃用高揮發(fā)分煙煤的鍋爐，燃料特性對(duì)鍋爐NOx排放影響并不顯著，這主要是因?yàn)橄冗M(jìn)低NOx燃燒系統(tǒng)對(duì)高揮發(fā)分煤燃料N特別是揮發(fā)分N向NOx轉(zhuǎn)化的有效控制的結(jié)果。盡管如此，對(duì)于1臺(tái)鍋爐，NOx排放質(zhì)量濃度隨N、揮發(fā)分含量的增加有降低的趨勢(shì)，雖然煤質(zhì)變化引起NOx排放質(zhì)量濃度變化的絕對(duì)值小，但考慮到其處于較低的水平，其相對(duì)值仍然較大，這也意味著煤質(zhì)仍然是1臺(tái)鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度的主要影響因素。

　　4結(jié)論比較煤的揮發(fā)分和N含量對(duì)不同鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度的影響表明，對(duì)于燃用高揮發(fā)分煙煤的鍋爐，煤質(zhì)特性對(duì)先進(jìn)低NOx燃燒系統(tǒng)鍋爐NOx排放影響并不顯著。對(duì)于同一臺(tái)先進(jìn)低NOx燃燒系統(tǒng)鍋爐的NOx排放質(zhì)量濃度隨N、揮發(fā)分含量的增加有降低的趨勢(shì)，煤質(zhì)仍然是鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度的主要影響因素。