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摘要：文章以某电厂的300MW燃煤机组为例，介绍其锅炉燃烧过程中NOX的生产机理和控制方法，并以此控制方法为思路采用低氮燃烧系统和烟气脱硝系统对NOX进行控制，并对这两个系统进行优化和改造，对其投入和退出的经济性进行对比，得出最优化的运行方式。
关键词：燃煤锅炉；低氮燃烧；脱硝系统
1引言
近年来随着全球經济的快速发展，尤其是以我国为代表的发展中国家的快速发展，使得资源紧缺和环境恶化问题日益严峻，我国提出了要建设资源节约型和环境友好型社会的口号。为了响应我国可持续发展的战略，顺应我国环保部门对电力企业的环保治理要求，以燃煤为主的发电厂加快了燃煤机组低氮燃烧技术的改造和脱硝设施的建设，以降低向大气中排放的氮氧化物，切实改善环境质量。
2 NOX的生成机理控制方法
以某发电公司为例，其发电机组为4×300MW亚临界火电机组，采用的锅炉为亚临界、一次中间再热、固态排渣、单炉膛、∏型半露天布置、全钢构架、悬吊结构、控制循环汽包锅炉、其空气预热器为三分仓回转式，燃烧器为摆动式四角切圆燃烧器，有4套制粉系统，且为中间仓储式。下面详细介绍其低氮燃烧系统和SCR脱硝系统。
2.1 NOX的生成机理
燃煤锅炉在燃烧过程中产生的NOX主要有以下几种形式，分别为燃料型NOX、热力型NOX和快速型NOX，其中燃料型NOX指的是燃料本身中含有的含氮的化合物转化而生成的，形成温度约为600～800℃，且形成条件较为简单，是燃煤锅炉产生NOX的主要途径；热力型NOX指的是空气中的氮在高温条件下氧化而成的，其在温度超过1500℃时比较容易产生；快速型NOX则是有碳氢化合物燃料在过浓燃烧时生成的，其含量通常较低。
2.2 NOX的控制方法
针对燃煤锅炉燃烧过程中产生的NOX的不同机理，通常会采用燃烧前处理、燃烧中处理和燃烧后处理三种方法来对NOX进行控制，其中燃烧前处理就是对燃料进行预处理，将其转化为低氮燃料，但是此方法具有较高的技术含量且耗费大量的成本，较难以实现；燃烧中处理和燃烧后处理是目前比较常用的方法，前者是根据NOX的生成机理，缩短燃料在高温区域的停留时间，降低反应区内氧的浓度，并对燃料燃烧区内的温度进行有效控制，这就是低氮燃烧技术的基本思路；后者则是采用烟气脱硝技术对烟气中的NOX进行处理，主要有非催化还原法和催化还原法两种，就是将含氮的还原剂加入到烟气中，使其与NOX发生还原反应，并生成对大气没有污染危害的水和氮气[1]。
3低氮燃烧系统和SCR脱硝系统介绍
3.1低氮燃烧系统介绍
常见的低氮燃烧方法有烟气再循环、低氧燃烧、燃料分级燃烧和空气分级燃烧等，此方法操作比较简单，而且投资和运行成本较低，但是只能减排NOX约40%左右。以空气分级燃烧方法为例，由于燃料性NOX主要在燃料的着火阶段形成，所以在燃料的着火阶段改变其送风方式，对炉内的空气分布进行控制，降低此阶段的氧含量，在燃烧器出口和燃烧中心区域制造一个还原性的气氛，降低NOX的生成量，而由于氧含量较低，炭粒也会存在不完全燃烧的现象，而其未燃尽的炭粒会在炉膛上部的燃尽区与主燃空气中分流而来的燃尽风进行混合并充分燃烧，主要有轴向空气分级燃烧和径向空气分级燃烧两种形式。前者的燃烧过程所需的空气分为两部分送入炉膛，一是主二次风，二是燃尽风，且燃尽风在喷入燃尽区时避开了高温火焰区。后者主要在与烟气流垂直的炉膛断面上进行的，其可以使主燃区处于还原性气氛以降低NOX的排放量，而且可以使炉墙附近处于氧化性气氛，保护水冷壁不发生高温腐蚀以及燃烧器附近的结渣问题[2]。
3.2 SCR脱硝系统介绍
烟气脱硝技术是与低氮燃烧技术相结合进一步降低燃煤锅炉烟气中NOX含量的技术，主要分为选择性非催化还原法和选择性催化还原法等，前者不需要催化剂，所以成本较低，但是对温度的要求较高，且脱硝效率较低，通常为40%左右；而后者，即SCR脱硝技术，其脱硝效率可以达到80%以上，其具有较强的适应性，可以适应机组负荷频繁变动的要求。在对SCR脱硝系统进行改造时，应降低烟气的温度控制在320～420℃，且要保证NOX在脱硝塔入口处的浓度不应大于100mg/Nm3。其主要的工艺流程为：尿素溶液储存罐中存有浓度为50%的尿素溶液，系统运行时会将尿素溶液送到水解反应器中进行热解，产生的氨气经过与热风的混合和稀释后喷入反应区内，其在反应区内在催化剂的作用下与烟气发生反应，以降低烟气中的NOX。
4低氮燃烧与脱硝系统优化运行经济性分析
4.1低氮燃烧系统投退对锅炉燃烧效率的影响
由前文中阐述的低氮燃烧机理可知，由于在主燃烧区内发生缺氧燃烧，在实际的燃烧过程中会造成锅炉内飞灰和大渣含碳量以及CO含量的增加，从而降低锅炉的燃烧效率，根据对本电厂300MW燃煤机组的试验得出，在低氮燃烧系统投入运行之前的锅炉的燃烧效率为93.67%，而在低氮燃烧系统投入之后的燃烧效率将为92.13%，燃烧效率下降了1.54%。但是如果将低氮燃烧系统退出，则会导致脱硝系统喷氨量的增加，下面进行喷氨量的计算。
4.2低氮燃烧系统投退对脱硝系统喷氨量的影响
脱硝系统中的理论喷氨量的计算公式为：
液氨消耗量=脱硝入口流量×脱硝入口浓度×（17/46）×氨氮摩尔比×10-6
式中，氨氮摩尔比=（氨逃逸率/脱硝入口浓度）×（17/46）+脱硝效率/100
由于按逃逸率与脱硝入口浓度的单位不统一，需要进行相应的换算，但是由于换算过程较为繁琐，在本文中采用与设计值换算的建议方法对氨氮摩尔比进行计算，即在设计效率为80%时对应的设计氨氮摩尔比为0.815，然后根据实际的脱硝效率对实际的氨氮摩尔比进行换算。 以本单位300MW燃煤机组为例，其低氮燃烧系统退出时，脱硝入口NOX浓度为559mg/Nm3，烟气流量为1785kNm3/h，以脱硝出口的NOX浓度达到100mg/ Nm3為例，其脱硝效率则为
（559-100）÷559=82.1%
则按照上述方法对实际的氨氮摩尔比进行换算，可以算出其氨氮摩尔比为：
0.815÷0.8×0.821=0.836
则可以求出脱硝系统的理论喷氨量为：
1785×559÷46×0.836×17=308kg/h
而此机组在低氮燃烧系统投入之后，脱硝入口NOX浓度为145 mg/Nm3，以脱硝效率达到80%为例，按照脱硝系统氨气和NOX反应的摩尔比为0.815计算，则可以计算出脱硝系统的理论喷氨量为：
1785×145÷46×0.815×17=78kg/h
由此可以看出，由于低氮燃烧系统投入，降低氨气用量为308-78=230 kg/h，按氨气的单价为3000元/吨计算，节省的氨气费用为0.23×3000=690元/小时，每天节省氨气成本为：690×24=1.656万元。
4.3低氮燃烧系统投退的经济性对比
根据本文4.1中所述，300MW燃煤机组中低氮燃烧系统的投入降低其锅炉燃烧效率为1.54%，折合供电煤耗为5.24g/kWh，以标准煤单价为700元/吨计算，则增加的煤耗费用为600000×5.24÷1000000×700=2201元/小时，每天增加的燃煤成本为2201×24=5.28万元。
由上文可以看出，在300MW燃煤机组中投入低氮燃烧系统时，每天增加燃煤成本为5.28万元；而在低氮燃烧系统退出时，每天增加氨气成本为1.656万元，则可以计算出，低氮燃烧系统退出时比其投入时每天节省费用为5.28-1.656=3.624万元。
5结语
通过以上分析可以得出，锅炉低氮燃烧系统和烟气脱硝系统的优化运行原则为：如果只投入脱硝系统就可以保证NOX的排放量达标时，则可以退出或者弱化低氮燃烧系统的运行，比如可以采取保持正常的总风量和主燃烧区的二次风门开度，或者将两侧大风箱的分封挡板全部打开，或者将顶部燃尽风挡板关闭等措施，以最大限度的降低低氮燃烧系统对锅炉燃烧效率和燃煤机组运行经济性的影响。
参考文献：
[1]卞韶帅， 余海燕， 杨士华，等. 锅炉低氮燃烧与SCR脱硝联合运行优化系统[J]. 热力发电， 2016， 45（8）：81-86.
[2]孟凡亮. 关于燃煤锅炉低氮燃烧与脱硝系统优化运行[J]. 城市建设理论研究：电子版， 2016（14）.
关键词：燃煤锅炉；低氮燃烧；脱硝系统
1引言
近年来随着全球經济的快速发展，尤其是以我国为代表的发展中国家的快速发展，使得资源紧缺和环境恶化问题日益严峻，我国提出了要建设资源节约型和环境友好型社会的口号。为了响应我国可持续发展的战略，顺应我国环保部门对电力企业的环保治理要求，以燃煤为主的发电厂加快了燃煤机组低氮燃烧技术的改造和脱硝设施的建设，以降低向大气中排放的氮氧化物，切实改善环境质量。
2 NOX的生成机理控制方法
以某发电公司为例，其发电机组为4×300MW亚临界火电机组，采用的锅炉为亚临界、一次中间再热、固态排渣、单炉膛、∏型半露天布置、全钢构架、悬吊结构、控制循环汽包锅炉、其空气预热器为三分仓回转式，燃烧器为摆动式四角切圆燃烧器，有4套制粉系统，且为中间仓储式。下面详细介绍其低氮燃烧系统和SCR脱硝系统。
2.1 NOX的生成机理
燃煤锅炉在燃烧过程中产生的NOX主要有以下几种形式，分别为燃料型NOX、热力型NOX和快速型NOX，其中燃料型NOX指的是燃料本身中含有的含氮的化合物转化而生成的，形成温度约为600～800℃，且形成条件较为简单，是燃煤锅炉产生NOX的主要途径；热力型NOX指的是空气中的氮在高温条件下氧化而成的，其在温度超过1500℃时比较容易产生；快速型NOX则是有碳氢化合物燃料在过浓燃烧时生成的，其含量通常较低。
2.2 NOX的控制方法
针对燃煤锅炉燃烧过程中产生的NOX的不同机理，通常会采用燃烧前处理、燃烧中处理和燃烧后处理三种方法来对NOX进行控制，其中燃烧前处理就是对燃料进行预处理，将其转化为低氮燃料，但是此方法具有较高的技术含量且耗费大量的成本，较难以实现；燃烧中处理和燃烧后处理是目前比较常用的方法，前者是根据NOX的生成机理，缩短燃料在高温区域的停留时间，降低反应区内氧的浓度，并对燃料燃烧区内的温度进行有效控制，这就是低氮燃烧技术的基本思路；后者则是采用烟气脱硝技术对烟气中的NOX进行处理，主要有非催化还原法和催化还原法两种，就是将含氮的还原剂加入到烟气中，使其与NOX发生还原反应，并生成对大气没有污染危害的水和氮气[1]。
3低氮燃烧系统和SCR脱硝系统介绍
3.1低氮燃烧系统介绍
常见的低氮燃烧方法有烟气再循环、低氧燃烧、燃料分级燃烧和空气分级燃烧等，此方法操作比较简单，而且投资和运行成本较低，但是只能减排NOX约40%左右。以空气分级燃烧方法为例，由于燃料性NOX主要在燃料的着火阶段形成，所以在燃料的着火阶段改变其送风方式，对炉内的空气分布进行控制，降低此阶段的氧含量，在燃烧器出口和燃烧中心区域制造一个还原性的气氛，降低NOX的生成量，而由于氧含量较低，炭粒也会存在不完全燃烧的现象，而其未燃尽的炭粒会在炉膛上部的燃尽区与主燃空气中分流而来的燃尽风进行混合并充分燃烧，主要有轴向空气分级燃烧和径向空气分级燃烧两种形式。前者的燃烧过程所需的空气分为两部分送入炉膛，一是主二次风，二是燃尽风，且燃尽风在喷入燃尽区时避开了高温火焰区。后者主要在与烟气流垂直的炉膛断面上进行的，其可以使主燃区处于还原性气氛以降低NOX的排放量，而且可以使炉墙附近处于氧化性气氛，保护水冷壁不发生高温腐蚀以及燃烧器附近的结渣问题[2]。
3.2 SCR脱硝系统介绍
烟气脱硝技术是与低氮燃烧技术相结合进一步降低燃煤锅炉烟气中NOX含量的技术，主要分为选择性非催化还原法和选择性催化还原法等，前者不需要催化剂，所以成本较低，但是对温度的要求较高，且脱硝效率较低，通常为40%左右；而后者，即SCR脱硝技术，其脱硝效率可以达到80%以上，其具有较强的适应性，可以适应机组负荷频繁变动的要求。在对SCR脱硝系统进行改造时，应降低烟气的温度控制在320～420℃，且要保证NOX在脱硝塔入口处的浓度不应大于100mg/Nm3。其主要的工艺流程为：尿素溶液储存罐中存有浓度为50%的尿素溶液，系统运行时会将尿素溶液送到水解反应器中进行热解，产生的氨气经过与热风的混合和稀释后喷入反应区内，其在反应区内在催化剂的作用下与烟气发生反应，以降低烟气中的NOX。
4低氮燃烧与脱硝系统优化运行经济性分析
4.1低氮燃烧系统投退对锅炉燃烧效率的影响
由前文中阐述的低氮燃烧机理可知，由于在主燃烧区内发生缺氧燃烧，在实际的燃烧过程中会造成锅炉内飞灰和大渣含碳量以及CO含量的增加，从而降低锅炉的燃烧效率，根据对本电厂300MW燃煤机组的试验得出，在低氮燃烧系统投入运行之前的锅炉的燃烧效率为93.67%，而在低氮燃烧系统投入之后的燃烧效率将为92.13%，燃烧效率下降了1.54%。但是如果将低氮燃烧系统退出，则会导致脱硝系统喷氨量的增加，下面进行喷氨量的计算。
4.2低氮燃烧系统投退对脱硝系统喷氨量的影响
脱硝系统中的理论喷氨量的计算公式为：
液氨消耗量=脱硝入口流量×脱硝入口浓度×（17/46）×氨氮摩尔比×10-6
式中，氨氮摩尔比=（氨逃逸率/脱硝入口浓度）×（17/46）+脱硝效率/100
由于按逃逸率与脱硝入口浓度的单位不统一，需要进行相应的换算，但是由于换算过程较为繁琐，在本文中采用与设计值换算的建议方法对氨氮摩尔比进行计算，即在设计效率为80%时对应的设计氨氮摩尔比为0.815，然后根据实际的脱硝效率对实际的氨氮摩尔比进行换算。 以本单位300MW燃煤机组为例，其低氮燃烧系统退出时，脱硝入口NOX浓度为559mg/Nm3，烟气流量为1785kNm3/h，以脱硝出口的NOX浓度达到100mg/ Nm3為例，其脱硝效率则为
（559-100）÷559=82.1%
则按照上述方法对实际的氨氮摩尔比进行换算，可以算出其氨氮摩尔比为：
0.815÷0.8×0.821=0.836
则可以求出脱硝系统的理论喷氨量为：
1785×559÷46×0.836×17=308kg/h
而此机组在低氮燃烧系统投入之后，脱硝入口NOX浓度为145 mg/Nm3，以脱硝效率达到80%为例，按照脱硝系统氨气和NOX反应的摩尔比为0.815计算，则可以计算出脱硝系统的理论喷氨量为：
1785×145÷46×0.815×17=78kg/h
由此可以看出，由于低氮燃烧系统投入，降低氨气用量为308-78=230 kg/h，按氨气的单价为3000元/吨计算，节省的氨气费用为0.23×3000=690元/小时，每天节省氨气成本为：690×24=1.656万元。
4.3低氮燃烧系统投退的经济性对比
根据本文4.1中所述，300MW燃煤机组中低氮燃烧系统的投入降低其锅炉燃烧效率为1.54%，折合供电煤耗为5.24g/kWh，以标准煤单价为700元/吨计算，则增加的煤耗费用为600000×5.24÷1000000×700=2201元/小时，每天增加的燃煤成本为2201×24=5.28万元。
由上文可以看出，在300MW燃煤机组中投入低氮燃烧系统时，每天增加燃煤成本为5.28万元；而在低氮燃烧系统退出时，每天增加氨气成本为1.656万元，则可以计算出，低氮燃烧系统退出时比其投入时每天节省费用为5.28-1.656=3.624万元。
5结语
通过以上分析可以得出，锅炉低氮燃烧系统和烟气脱硝系统的优化运行原则为：如果只投入脱硝系统就可以保证NOX的排放量达标时，则可以退出或者弱化低氮燃烧系统的运行，比如可以采取保持正常的总风量和主燃烧区的二次风门开度，或者将两侧大风箱的分封挡板全部打开，或者将顶部燃尽风挡板关闭等措施，以最大限度的降低低氮燃烧系统对锅炉燃烧效率和燃煤机组运行经济性的影响。
参考文献：
[1]卞韶帅， 余海燕， 杨士华，等. 锅炉低氮燃烧与SCR脱硝联合运行优化系统[J]. 热力发电， 2016， 45（8）：81-86.
[2]孟凡亮. 关于燃煤锅炉低氮燃烧与脱硝系统优化运行[J]. 城市建设理论研究：电子版， 2016（14）.