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[摘 要]论文从NOx的危害及主要来源入手，阐述了NOx生成机理，介绍了影响燃煤电厂NOx生成量的因素，重点阐述了针对降低NOx生产量所采取的燃烧调整方法。
[关键词]燃煤电厂；氮氧化物；燃烧调整；SOFA风。
中图分类号：TK16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）17-0203-02
1 引言
目前我國燃煤发电占总发电的82%，而燃煤发电厂是氮氧化物污染的主要来源。随着氮氧化物污染的日趋严重，国家将于“十二五”期间加大对氮氧化物排放的控制力度。氮氧化物与空气中的水结合最终会转化成硝酸和硝酸盐，而硝酸是酸雨的成因之一；它与其他污染物在一定条件下能产生光化学烟雾污染。
论文阐述了NOx生成机理，分析了影响NOx生成的主要因素，并详细论述了通过合理调整锅炉偏置风比例，磨煤机一次风量和SOFA风量来降低NOx生产量的燃烧调整方法，为燃煤电厂的环保节能提供经验参考。
2 燃煤锅炉NOx的生成机理
燃煤电厂烟气中的氮氧化合物主要成分为一氧化氮和二氧化氮，我们统称为氮氧化物，即常说的NOx。按NOx的生成途径，可主要分为以下三个类型：
（1）热力型NOx；
（2）快速型NOx；
（3）燃料型NOx。
以上所列三种类型的NOx，按生成比例为，燃料型NOx是最主要的，其占NOx总量的60～80%，热力型NOx次之，快速型NOx的生产量最少。这三种生成量受到燃烧温度的影响，温度不同，生成量也不一样。
2.1 热力型NOx的生成机理
热力型NOx是指空气中的氧气和氮气在燃料燃烧时所形成的高温环境下生成的NO和NO2的总和，其总反应式为：
N2+O2←→2NO
NO+O2←→NO2
当燃烧区域的温度低于1000℃时，NO的生成量很小，而温度在1300～1500℃时，NO的浓度大约为500～1000ppm，而且随着温度的升高，NOx的生成速度按指数规律增加。
因此，温度对热力型NOx的生成具有决定作用。根据热力型NOx的生成过程，要控制其生成量，就需要降低锅炉炉膛中燃烧温度，且避免产生局部高温区，以降低热力型NOx的生成。
2.2 燃料型NOx的生成机理
与热力型NOx生成机理不同，燃料型NOx的生成量主要受以下因素影响：煤质、氮化合物受热分解后的分布，过量空气系数和风煤浓度比等。
燃料型NOx的生成机理可以表述如下：燃料被送入炉膛燃烧，在较高温度的炉膛中，燃料中的氮有机化合物在燃烧前首先被加热分解成氰（HCN）、氨气（NH3）等中间产物，同时煤粉中的挥发分一并析出，这部分统称为挥发份N；剩余部分称为焦炭N，以上二者的比例会受到炉膛温度和煤粉细度的影响。炉膛温度越低，挥发份N的比例越小，焦炭N的比例越大。煤粉细度越细，会是相反的趋势，挥发份N的比例越大，焦炭N的比例越小。挥发份N的主要反应过程为：HCN被氧化成NCO，NCO继续被氧化成NO。如果NCO所处的环境为还原性气氛，就会被还原成NH3。而此时生产的NH3会和氧气发生反应，生成NO和H2O。而且NH3和NO还会发生氧化还原反应，生成N2。
2.3 快速型NOx的生成机理
快速型NOx主要是指燃料中的碳氢化合物在燃料浓度较高区域燃烧时所产生的烃与炉膛空气中的N2分子发生反应，形成的CN、HCN，继续氧化而生成的NOx。因此，快速型NOx主要产生于碳氢化合物含量较高、氧浓度较低的富燃料区，多发生在内燃机的燃烧过程。而在燃煤锅炉中，其生成量很小。
根据以上三种NOx的生成机理可知，NOx的生成主要与火焰中的最高温度、氧和氮的浓度以及气体在高温下停留时间等因素有关。在实际工作中，可采用降低火焰最高温度区域的温度、减少过量空气等措施，降低NOx的生成量。
3 低NOx控制技术
现在火电厂减少NOx的主要手段主要有两种，一种是锅炉低NOx燃烧技术，在燃烧阶段控制NOx的生成量，为低NOx燃烧技术；二种是净化烟气的脱硝技术，直接对锅炉炉膛进行喷射脱硝剂或水进行脱硝，即对燃烧后的烟气中加入还原剂及催化剂吸收已生成的NOx。一般第一种方法最多只能降低NOx排放值的50%，如果要求降低到40%以下时，则应加上第二种方法，此时二次措施与一次措施一般同时采用才能达到要求。
3.1 低NOx燃烧技术
通过上一节的分析，影响NOx生成的因素主要有燃烧温度和氧量。低NOx燃烧技术就是在燃烧阶段控制这两个关键指标，即，降低炉膛内的燃烧温度或降低进入炉膛的氧量，从而控制NOx的生成。不过这样虽然降低了NOx的生成量，但会影响锅炉燃烧的稳定和烟气中的飞灰含碳量。
低NOx燃烧技术的要点是抑制NOx的生成，并创造条件使已生成的NOx还原。对于燃煤锅炉，当炉膛温度在1340℃以下时，热力型NOx生成量很小，但当炉膛温度超过1550℃时，热力型NOx可到25%～35%，而快速型NOx仅占5%，因此对于燃煤锅炉主要是控制燃料型NOx。
目前，最典型应用最广泛的低NOx燃烧技术有如下几种：
（1）低氧燃烧；
（2）空气分级燃烧技术；
（3）燃料分级燃烧技术；
（4）烟气再循环技术；
（5）低NOx燃烧器。
3.2 脱硝技术
选择性催化还原法脱销技术（SCR）原理为：在催化剂作用下，向温度约280～420℃的烟气中喷入液氨，将NOX还原成N2和H2O。
其主要反应如下：
反应原理如图1所示： 4 低氮燃烧调整
本厂锅炉设计煤种为神府烟煤，采用了SOFA技术降低NOx排放。为了充分发挥锅炉低NOx燃烧系统的潜力，使锅炉NOx排放全时段环保达标，降低锅炉SCR的液氨消耗量，进行如下低氮燃烧调整试验。
4.1 调整锅炉偏置风比例
锅炉设计了偏置二次风AA、AB、BC、CD、DE、EE，偏置二次风的目的是将部分燃烧空气导向水冷壁壁面，增强水冷壁区域的氧化性气氛，减轻水冷壁的结焦，同时还可以降低燃烧初期的燃烧空气量，降低NOx生成。但是由于偏置二次风的切圆较大，偏置风的调整对再热汽温、过热器管壁温度分布都有显著影响。
在锅炉300MW的工况下进行了变偏置挡板开关度试验，即在目前开度的基础上，将AA、AB、BC、CD、DE、EE同时增加5个开度和减少5个开度。试验结果表明，当偏置风挡板开大5个开度后，NOx排放浓度略有增加，由350mg/Nm3增加至380mg/Nm3左右，当偏置风挡板开度关小5个开度，NOx排放浓度略有下降，由350mg/Nm3降至330mg/Nm3左右。
在低负荷时，为了提高再热汽温，偏置风挡板开度通常很小，已无继续关小的空间，因此实际运行中，偏置风挡板的运行控制对NOx排放浓度较小。
4.2 调整磨煤机一次风量
锅炉300MW负荷时，磨煤机在30t/h出力运行时，5台磨煤机风煤比约在1.88～1.93之间变化。在目前风量的基础上，分别将5台磨煤机的风量减少3t/h。磨煤机风量降低后，锅炉的5台磨煤机运行正常，石子煤量并无明显增加，锅炉的NOx排放浓度由370mg/Nm3降至350mg/Nm3左右。
锅炉160MW，A、B、C 3台磨运行，每台磨煤机的风量减少约5t/h风量。试验表明，在保证锅炉燃烧稳定的前提下，降低一次风量后，NOx降低较为明显。
4.3 调整SOFA风量
目前锅炉SOFA的运行方式基本相同，即在300MW高负荷，SOFA1-4层挡板全开，随着负荷降低，为了维持炉膛-风箱差压，SOFA挡板开度逐渐减小，在低负荷时，投运2-3层SOFA喷口。SOFA风量占燃烧总风量的25-30%。
试验结果表明：当HSOFAⅡ由0开度逐渐开至60%时，SOFA风量合计增加了24t/h风量，NOx略有下降，由390mg/Nm3下降至370mg/Nm3左右。
在低负荷，开大SOFA风后，炉膛风箱差压明显下降，虽然NOx有所下降，但再热汽温明显下降4-6℃，试验结果表明，在低负荷，开大分级风虽然能够降低NOx排放，由于分级风过大导致炉膛大差压过低，使再热汽温下降较为明显，由于再热汽温在低负荷已然较难维持，因此限制了低负荷使用SOFA风。
5 结论
对锅炉低氮燃烧调整结果表明：在中、低负荷区间，一次风浓度的变化对NOx生成浓度有显著影响。随着锅炉负荷降低，风煤比比值呈上升趋势，导致一次风浓度随负荷降低而降低，在一定程度上破坏了燃烧初期的缺氧燃烧状态，是造成中、低负荷NOx生成浓度增加的重要原因。
在中、低负荷区间，通过改变SOFA风量在一定程度能够降低NOx排放，但受到汽温、燃烧效率等参数的制约，偏置风量的变化对低NOx排放影响较小。
参考文献
[1] 张翱.电站锅炉煤粉燃烧器降低NOX排放的研究[D].武漢： 华中科技大学，2007.
[2] 任建兴.瞿晓敏.傅坚刚.火电厂氮氧化物的生成与控制[J].上海电力学院学报.2002.
[3] 王方群，杜云贵，刘艺等.国内燃煤电厂烟气脱硝发展现状及建议[J].电力环境保护，2007，23.
作者简介
王鹏刚，（1982—），男，汉族，陕西咸阳，陕西清水川能源股份有限公司，电厂集控运行技师。
[关键词]燃煤电厂；氮氧化物；燃烧调整；SOFA风。
中图分类号：TK16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）17-0203-02
1 引言
目前我國燃煤发电占总发电的82%，而燃煤发电厂是氮氧化物污染的主要来源。随着氮氧化物污染的日趋严重，国家将于“十二五”期间加大对氮氧化物排放的控制力度。氮氧化物与空气中的水结合最终会转化成硝酸和硝酸盐，而硝酸是酸雨的成因之一；它与其他污染物在一定条件下能产生光化学烟雾污染。
论文阐述了NOx生成机理，分析了影响NOx生成的主要因素，并详细论述了通过合理调整锅炉偏置风比例，磨煤机一次风量和SOFA风量来降低NOx生产量的燃烧调整方法，为燃煤电厂的环保节能提供经验参考。
2 燃煤锅炉NOx的生成机理
燃煤电厂烟气中的氮氧化合物主要成分为一氧化氮和二氧化氮，我们统称为氮氧化物，即常说的NOx。按NOx的生成途径，可主要分为以下三个类型：
（1）热力型NOx；
（2）快速型NOx；
（3）燃料型NOx。
以上所列三种类型的NOx，按生成比例为，燃料型NOx是最主要的，其占NOx总量的60～80%，热力型NOx次之，快速型NOx的生产量最少。这三种生成量受到燃烧温度的影响，温度不同，生成量也不一样。
2.1 热力型NOx的生成机理
热力型NOx是指空气中的氧气和氮气在燃料燃烧时所形成的高温环境下生成的NO和NO2的总和，其总反应式为：
N2+O2←→2NO
NO+O2←→NO2
当燃烧区域的温度低于1000℃时，NO的生成量很小，而温度在1300～1500℃时，NO的浓度大约为500～1000ppm，而且随着温度的升高，NOx的生成速度按指数规律增加。
因此，温度对热力型NOx的生成具有决定作用。根据热力型NOx的生成过程，要控制其生成量，就需要降低锅炉炉膛中燃烧温度，且避免产生局部高温区，以降低热力型NOx的生成。
2.2 燃料型NOx的生成机理
与热力型NOx生成机理不同，燃料型NOx的生成量主要受以下因素影响：煤质、氮化合物受热分解后的分布，过量空气系数和风煤浓度比等。
燃料型NOx的生成机理可以表述如下：燃料被送入炉膛燃烧，在较高温度的炉膛中，燃料中的氮有机化合物在燃烧前首先被加热分解成氰（HCN）、氨气（NH3）等中间产物，同时煤粉中的挥发分一并析出，这部分统称为挥发份N；剩余部分称为焦炭N，以上二者的比例会受到炉膛温度和煤粉细度的影响。炉膛温度越低，挥发份N的比例越小，焦炭N的比例越大。煤粉细度越细，会是相反的趋势，挥发份N的比例越大，焦炭N的比例越小。挥发份N的主要反应过程为：HCN被氧化成NCO，NCO继续被氧化成NO。如果NCO所处的环境为还原性气氛，就会被还原成NH3。而此时生产的NH3会和氧气发生反应，生成NO和H2O。而且NH3和NO还会发生氧化还原反应，生成N2。
2.3 快速型NOx的生成机理
快速型NOx主要是指燃料中的碳氢化合物在燃料浓度较高区域燃烧时所产生的烃与炉膛空气中的N2分子发生反应，形成的CN、HCN，继续氧化而生成的NOx。因此，快速型NOx主要产生于碳氢化合物含量较高、氧浓度较低的富燃料区，多发生在内燃机的燃烧过程。而在燃煤锅炉中，其生成量很小。
根据以上三种NOx的生成机理可知，NOx的生成主要与火焰中的最高温度、氧和氮的浓度以及气体在高温下停留时间等因素有关。在实际工作中，可采用降低火焰最高温度区域的温度、减少过量空气等措施，降低NOx的生成量。
3 低NOx控制技术
现在火电厂减少NOx的主要手段主要有两种，一种是锅炉低NOx燃烧技术，在燃烧阶段控制NOx的生成量，为低NOx燃烧技术；二种是净化烟气的脱硝技术，直接对锅炉炉膛进行喷射脱硝剂或水进行脱硝，即对燃烧后的烟气中加入还原剂及催化剂吸收已生成的NOx。一般第一种方法最多只能降低NOx排放值的50%，如果要求降低到40%以下时，则应加上第二种方法，此时二次措施与一次措施一般同时采用才能达到要求。
3.1 低NOx燃烧技术
通过上一节的分析，影响NOx生成的因素主要有燃烧温度和氧量。低NOx燃烧技术就是在燃烧阶段控制这两个关键指标，即，降低炉膛内的燃烧温度或降低进入炉膛的氧量，从而控制NOx的生成。不过这样虽然降低了NOx的生成量，但会影响锅炉燃烧的稳定和烟气中的飞灰含碳量。
低NOx燃烧技术的要点是抑制NOx的生成，并创造条件使已生成的NOx还原。对于燃煤锅炉，当炉膛温度在1340℃以下时，热力型NOx生成量很小，但当炉膛温度超过1550℃时，热力型NOx可到25%～35%，而快速型NOx仅占5%，因此对于燃煤锅炉主要是控制燃料型NOx。
目前，最典型应用最广泛的低NOx燃烧技术有如下几种：
（1）低氧燃烧；
（2）空气分级燃烧技术；
（3）燃料分级燃烧技术；
（4）烟气再循环技术；
（5）低NOx燃烧器。
3.2 脱硝技术
选择性催化还原法脱销技术（SCR）原理为：在催化剂作用下，向温度约280～420℃的烟气中喷入液氨，将NOX还原成N2和H2O。
其主要反应如下：
反应原理如图1所示： 4 低氮燃烧调整
本厂锅炉设计煤种为神府烟煤，采用了SOFA技术降低NOx排放。为了充分发挥锅炉低NOx燃烧系统的潜力，使锅炉NOx排放全时段环保达标，降低锅炉SCR的液氨消耗量，进行如下低氮燃烧调整试验。
4.1 调整锅炉偏置风比例
锅炉设计了偏置二次风AA、AB、BC、CD、DE、EE，偏置二次风的目的是将部分燃烧空气导向水冷壁壁面，增强水冷壁区域的氧化性气氛，减轻水冷壁的结焦，同时还可以降低燃烧初期的燃烧空气量，降低NOx生成。但是由于偏置二次风的切圆较大，偏置风的调整对再热汽温、过热器管壁温度分布都有显著影响。
在锅炉300MW的工况下进行了变偏置挡板开关度试验，即在目前开度的基础上，将AA、AB、BC、CD、DE、EE同时增加5个开度和减少5个开度。试验结果表明，当偏置风挡板开大5个开度后，NOx排放浓度略有增加，由350mg/Nm3增加至380mg/Nm3左右，当偏置风挡板开度关小5个开度，NOx排放浓度略有下降，由350mg/Nm3降至330mg/Nm3左右。
在低负荷时，为了提高再热汽温，偏置风挡板开度通常很小，已无继续关小的空间，因此实际运行中，偏置风挡板的运行控制对NOx排放浓度较小。
4.2 调整磨煤机一次风量
锅炉300MW负荷时，磨煤机在30t/h出力运行时，5台磨煤机风煤比约在1.88～1.93之间变化。在目前风量的基础上，分别将5台磨煤机的风量减少3t/h。磨煤机风量降低后，锅炉的5台磨煤机运行正常，石子煤量并无明显增加，锅炉的NOx排放浓度由370mg/Nm3降至350mg/Nm3左右。
锅炉160MW，A、B、C 3台磨运行，每台磨煤机的风量减少约5t/h风量。试验表明，在保证锅炉燃烧稳定的前提下，降低一次风量后，NOx降低较为明显。
4.3 调整SOFA风量
目前锅炉SOFA的运行方式基本相同，即在300MW高负荷，SOFA1-4层挡板全开，随着负荷降低，为了维持炉膛-风箱差压，SOFA挡板开度逐渐减小，在低负荷时，投运2-3层SOFA喷口。SOFA风量占燃烧总风量的25-30%。
试验结果表明：当HSOFAⅡ由0开度逐渐开至60%时，SOFA风量合计增加了24t/h风量，NOx略有下降，由390mg/Nm3下降至370mg/Nm3左右。
在低负荷，开大SOFA风后，炉膛风箱差压明显下降，虽然NOx有所下降，但再热汽温明显下降4-6℃，试验结果表明，在低负荷，开大分级风虽然能够降低NOx排放，由于分级风过大导致炉膛大差压过低，使再热汽温下降较为明显，由于再热汽温在低负荷已然较难维持，因此限制了低负荷使用SOFA风。
5 结论
对锅炉低氮燃烧调整结果表明：在中、低负荷区间，一次风浓度的变化对NOx生成浓度有显著影响。随着锅炉负荷降低，风煤比比值呈上升趋势，导致一次风浓度随负荷降低而降低，在一定程度上破坏了燃烧初期的缺氧燃烧状态，是造成中、低负荷NOx生成浓度增加的重要原因。
在中、低负荷区间，通过改变SOFA风量在一定程度能够降低NOx排放，但受到汽温、燃烧效率等参数的制约，偏置风量的变化对低NOx排放影响较小。
参考文献
[1] 张翱.电站锅炉煤粉燃烧器降低NOX排放的研究[D].武漢： 华中科技大学，2007.
[2] 任建兴.瞿晓敏.傅坚刚.火电厂氮氧化物的生成与控制[J].上海电力学院学报.2002.
[3] 王方群，杜云贵，刘艺等.国内燃煤电厂烟气脱硝发展现状及建议[J].电力环境保护，2007，23.
作者简介
王鹏刚，（1982—），男，汉族，陕西咸阳，陕西清水川能源股份有限公司，电厂集控运行技师。