摘要:借鉴不同型号煤粉锅炉控制NOx的调整方法，以及燃煤机组各类降氮措施。某企业自备电厂在其两台负荷为450t/h的锅炉上开展了燃烧调整与NOx排放关系的探究实验，通过控制变量法从燃烧系统运行方式、负荷变化、配风方式、过剩空气系数α、入炉煤煤质等多角度进行了大量的对比实验。结果表明:在保证机组安全稳定运行使锅炉维持经济高效的生产前提下,从NOx形成的本质出发，通过控制炉膛氧量、炉膛温度等燃烧优化调整手段，大约能减少锅炉8%～15%的NOx排放。
　　关键词:环保;二次风配风;锅炉;燃烧调整;氮氧化物排放
　　新党章指导我们要大力推动企业绿色发展，并明确指出企业的发展与绿色环保是兼顾的或是宁要绿色环保也不要污染破坏，要明确树立“尊重、顺应、保护”自然的生态文明理念。
　　现如今，在社会各界大力推广清洁能源使用，积极推动能源结构变革的大环境下，火力发电仍是我国电力主要来源。据不完全统计：2023年，全国约有72%左右的发电量是由火电机组产出的，每燃烧1吨煤将会产生9吨左右的氮氧化物进而生成酸雨危害生态环境，所以利用传统能源产电供热的锅炉是现阶段产生NOx污染的主要源头。最新的《锅炉大气污染物排放标准》（国标2014）中规定锅炉NOx排放限值是200mg/m3。部分地标要求NOx超低排放限额为50mg/m3或30mg/m3。为了响应***的号召，认真领悟以“绿色”为发展基调的生态文明思想，把企业安全环保方针落实到位，某氧化铝生产企业自备电厂进行了不同燃烧调整手段对工业锅炉NOx排放影响的探究实验。
　　1锅炉NOx的产生和燃烧调整的关系
　　燃料在燃烧时产生NOx的三种途径：
　　（1）从原煤、天然气等化石原燃料中产生的燃料型NOx，其生成量约占锅炉产生NOx总量的80%左右。其主要生成原因，是由于燃料中含氮物质，在高温环境下分解后与烟气中的氧，持续进行氧化反应生成的。反应期间还伴有一定量的NO发生还原反应。因此，在燃料燃烧时，燃料型NOx生成过程比较复杂，且在炉膛内燃料型NOx受环境温度影响不大，燃料型NOx反应路径如下：
　　含N化合物→N,CN,HCN+O,O2,OH→NO+……（1）含N化合物→N,CN,HCN+NO→N2+……（2）
　　（2）燃料在炉膛受热逐渐分解后，在与氧快速生成NOx，由于反应很快，故被称为快速型NOx，反应温度对其生成影响不大，但在CH类化合物、燃料浓度高的富集区快速型NOx产生较多，其反应路线如下：
　　CH类化合物+N2→HCN+N（3）
　　HCN+O,O2,OH→NO+H2[H]+CO（4）
　　（3）来自燃料燃烧过程中，参与燃烧的空气中N2被氧化，生成热力型NOx，该反应受环境温度影响，其反应路线如下：
　　N+O2→NO+O（5）
　　N2+O→NO+N（6）
　　N+OH→NO+H（7）
　　总反应方程式为
　　N2+O2→2NO（8）
　　2NO+O2→2NO2（9）
　　热力型NOx生成过程受环境温度影响很大，从化学反应角度来讲反应式(8)属于吸热反应。有研究表明，环境温度的大小会影响该类型NOx的生成，1350℃是一界限。不足1350℃时，受反应活跃能影响，热力型NOx反应速度缓慢且生成量很小；高于1500℃时，温度越高反应越活跃产生氮氧化物的速率成倍增加，该类型氮氧化物生成量约占锅炉NOx总排量的25%～30%左右。
　　1.1设备情况
　　某自备电厂一期共建有2台额定蒸发量450t/h，主汽参数为9.71MPa、540℃,高温高压、自然循环，无中间再热的单炉膛π型汽包炉，采用四角切圆燃烧方式、每台锅炉拥有2台容克式回转三分仓空预器，并配有四台直吹式ZGM80N-Ⅱ型中速磨煤机，最大出力30.6t/h。分别配有1台NJGC-30型耐压式称重给煤机，最大出力30t/h。锅炉四个角每角都有11个喷口，拥有自下至上分别为A、B、C、D四层被周界风包围着的燃烧器喷口，最上层是两层单独的燃尽风喷口OFA1、OFA2、五层二次风喷口AA、AB、BC、CD、DD(燃烧器层中间布置有天然气点火装置)，并配有8根天然气点火气枪，锅炉设计煤种为印尼褐煤，该煤种挥发分较高，生产过程中必须严格控制好制粉系统通风温度及锅炉燃烧调整。

1.2试验方法及内容
　　试验时通过进行控制变量,维持其他参数基本稳定或变动可忽略不计，来确定某个参数或影响因素对NOx排放的影响程度。试验中对燃烧系统运行方式、锅炉负荷出力变化、锅炉燃烧调风方式、锅炉过剩空气系数α以及入炉煤质进行1#锅炉与2#锅炉的对比调整试验，采集实时数据最终整理成图表进行对比分析。
　　2锅炉NOx产生的影响因素分析
　　该自备电厂采用的是投资低、成本低、运行稳定的分层燃烧低氮技术，其锅炉具有焦渣产生量低的特性，具备更宽的煤种适应性，并有可能提高锅炉热效率。因为煤粉锅炉的煤粉燃烧速度快，一般情况下燃烧温度不到1500℃,受条件影响，热力型NOx生成量比其他炉型少很多。燃料型NOx一般富集在锅炉喷燃口处，集中于着火初期快速生成，此时燃料受热分解生成大量挥发分，N2在此富氧区域被氧化成NO，缺氧燃烧时生成NO的反应受到抑制，还原反应被强化。
　　2.1锅炉燃烧系统组合变化对NOx排放产生的影响
　　莱城电厂在其1025t/h的直吹式煤粉炉上进行的探究制粉系统变化对NOx生成的影响实验为该自备电厂提供了可借鉴的宝贵思路。该厂制粉系统的组合方式能够快速影响到炉膛内部燃烧工况以及炉膛内部温度分布,这为控制变量实验提供了实验条件。对比实验过程中2#锅炉的总给煤量、锅炉的负荷、风机出力大小、炉膛氧量和二次风均衡配风方式保持不变，分别在AB、BC、AC三种不同的磨机组合做纵向对比试验，相同磨机运行组合做不同给煤量的横向对比试验。考虑到该自备电厂属于母管制热电联产机组并非单元制机组，故锅炉负荷调整由人工操作，待工况稳定后做数据采集，以克服因自动控制频繁调整导致调节滞后造成的负荷波动，从而影响数据准确性。
　　由实验得出，燃烧系统的组合不同会对锅炉氮氧化物产生造成很大影响，最直观的表现为，AC磨运行时脱硝前NOx浓度比AB磨运行时高，最大相差53.81mg/m3升高近30%。主要原因是AB磨运行时，燃烧器未隔层，入口燃料浓度较高，在喷燃口附近形成了燃料富集区域，营造了还原性气氛NOx生成量降低；在倒磨至AC磨组合运行时，为调整烟气温度，人为将两台磨均衡给煤调整为A磨给煤量大于C磨给煤量，调整期间发现NOx也有所降低，故对AB、BC、AC磨均作非均衡给煤实验，实验发现双磨运行期间，增大下层给煤量，减少上层给煤量也有减少NOx生成量的效果，即负荷、总风量等条件不变的情况下，减少底层燃烧区域进风量，增大顶部进风量，多使用底层燃烧器运行，延长燃料燃烧时间，这样可使燃料分层燃烧，有利于减少NOx的生成。

2.2锅炉出力变化对NOx排放产生的影响
　　作为氧化铝企业的自备电厂，锅炉负荷调整是工作常态，该厂正常运行时负荷出力在240t/h±20t/h之间，取两台炉同为AC磨煤机运行时的一周作为数据采集周期，并规定1#锅炉出力固定在240t/h，负荷调整由2#锅炉操作。
　　负荷调整时需要调风调煤，所以能够影响锅炉氮氧化物排放本质上是锅炉氧量和锅炉温度等因素。经过统计对比某日运行信息，锅炉负荷从310t/h下降至218t/h，负荷下降了29.7%,脱硝前NOx浓度下降了15.6%。分析得出：负荷降低，燃烧强度减弱，炉膛内温度下降，减少了NOx的生成量；小幅度调整负荷时，锅炉风量、氧量、温度变化并不大，煤量减少了，此时NOx的浓度主要受燃料量影响；有趣的是，222t/h负荷时氮氧化物排放要高于218t/h时，其主要原因是锅炉过剩空气系数升高，氧量的影响要高于温度的影响。310t/h负荷与235t/h负荷进行对比可以得出，负荷降低很多，过剩空气系数也降低，NOx浓度减少的效果更好。所以负荷出力调整期间锅炉NOx生成量受氧量影响比受温度影响还要大，降低锅炉负荷时，同时配合减少锅炉送风量维持较低的过剩空气系数，NOx浓度将会减少更多，降氮效果更好。
　　2.3配风方式不同对NOx排放造成的影响
　　调整配风，目的就是抑制燃料型NOx和热力型NOx的生成，通过调整配风来达到燃料分级燃烧的效果。燃料型NOx生成的影响条件有煤含氮的多少、燃料挥发分的多少、环境氧含量等；温度是能够干扰热力型NOx生成的主要影响因素。根据这两种类型NOx生成的影响因素，我们需要控制的条件是：（1）燃烧区域燃料浓度高；（2）燃烧区域低氧燃烧；（3）燃烧上层与燃尽风高风量。对比实验过程中，1#锅炉与2#锅炉均为AB磨机组合运行，负荷尽量保持230t/h不变，1#炉采用均衡配风，分别使用正三角配风、倒三角配风、小蛮腰配风方式对2#锅炉进行对比试验。经对比，采用倒三角以及小蛮腰配风方式运行时，脱硝前NOx生成浓度较均衡配风方式相比有所降低，小蛮腰式配风降氮效果最好，而正三角配风锅炉NOx生成量有所增加。这是因为采用正三角配风方式时，由于底部氧量充足又是燃料富集区，燃烧充分且剧烈，火焰温度很高，同时满足燃料型NOx和热力型NOx的生成条件，最终锅炉NOx生成量增多；使用倒三角以及小蛮腰配风方式运行时，底部煤粉浓度高，氧含量低，营造局部还原性气氛，此区域燃烧并不充分，故环境温度不高，能提供的反应活化能不多，会抑制燃料型NOx和热力型NOx的生成，当烟气携剩余燃料向上运动,到达富氧的燃尽区域,此处燃料得到充分燃烧但环境温度不高,所以虽然氧量高但热力型NOx生成量不大,锅炉总NOx生成量不大。但由于小蛮腰式配风燃尽风区域氧量低于倒三角式配风,所以小蛮腰式配风NOx生成量要低于倒三角式配风。也就是说燃尽风区域风量不能过大,否则会形成富氧化现象，造成氮氧化物生成量增大。
　　2.4过剩空气系数α对NOx排放的影响
　　试验中，2#锅炉负荷维持在250±2t/h上下，其制粉系统仍使用AB磨机组合运行并一直使用小蛮腰式配风，由1#锅炉进行负荷调整满足生产所需汽电量，通过调整风机目标出力，改变2#锅炉进风量来调节锅炉过剩空气系数α,当运行稳定后记录数据。对比得出脱硝入口氮氧化物含量与锅炉氧量的关系：脱硝入口NOx生成量随锅炉氧量的升高而升高，随锅炉氧量降低而降低，这说明如果降低入炉总风量，控制好锅炉过剩空气系数α,对锅炉NOx排放是有积极的影响。
　　调整入炉风量，降低锅炉氧量，减小锅炉过剩空气系数：入炉风量降低，在燃烧区域的氧量就会降低，燃烧不剧烈不充分，火焰温度就会降低，燃烧区域热力型NOx生成量降低，并且燃烧区域氧量低参与燃料型NOx生成的氧也减少，燃料型NOx生成受到抑制，锅炉总NOx生成量降低。
　　调整入炉风量，提高锅炉氧量，增大锅炉过剩空气系数：由于有富氧区在锅炉内的着火区域形成，加剧了煤粉的燃烧效果，火焰温度升高，由于反应温度的原因产生热力型Nox的能力增强。随入炉风量持续增大，锅炉的过剩空气系数α也越来越大，这造成煤粉中更多的含N化合物被氧化，炉内氮氧化物生成量增多。所以在日常生产调整中，可在合理范围内降低锅炉氧量控制锅炉过剩空气系数α,一方面不仅可以降低风机电耗，降低煤耗，还可以减小脱硝压力，保证高负荷期间NOx排放不超标不发生环保事故。
　　2.5入炉煤特性不同对NOx排放的影响
　　由于近几年国际原煤市场动荡，造成进口煤煤价上涨，物流困难，动力煤供应紧张，该自备电厂在2022年生产活动中按照3份进口煤配1份国内煤的比例进行掺配燃烧。生产过程中发现同负荷情况下，脱硝入口NOx浓度较以往升高很多。通过1#锅炉与2#锅炉对比实验发现（两台锅炉带相同负荷，同为AB磨运行，1#锅炉燃用纯印尼煤，2#锅炉配煤掺烧），2#锅炉进行掺烧时，相同锅炉负荷下，2#锅炉煤耗大于1#锅炉，磨机电流高、振动大、石子煤多。为防止堵磨，人为加大了磨机通风量、增大了磨机加载力，这就造成入炉煤粉细度粗，燃烧滞后，入炉总风量高于正常值，尾部烟道脱硝前氮氧化物含量高，飞灰含碳量异常高。
　　3结论
　　降低工业锅炉NOx排放的技术措施有很多，对应不同的锅炉运行参数，该自备电厂进行了对比实验。母管制热电联产机组负荷波动较频繁，稳定的运行参数较难采集，受此影响，其锅炉NOx生成因素既多又复杂，但在两台锅炉上进行的燃烧调整试验并探讨分析出NOx排放量变化的影响因素及应对措施，为企业完成超低排放目标，保证NOx排放不超标不发生环保事故提供了可借鉴的调整依据。
　　（1）燃煤含氮量、灰分、挥发分变化能从本质上影响锅炉的NOx排放量，日常生产运行中应加强入炉煤管控，保证配煤掺烧实验科学性、代表性，为生产运行中如何高效快捷降低锅炉氮氧化物的排放提供可参考的第一手数据。
　　（2）在锅炉处于经济安全的运行工况下，通过调节风机出力，控制过剩空气系数α,再搭配小蛮腰式配风，相同工况下可有效减少锅炉氮氧化物排放。
　　（3）燃烧系统组合方式是否合理也会影响到锅炉降氮效果，不同的运行方式造成炉膛内温度分布不同，同时也影响锅炉氮氧化物的产生。通过制造浓燃料区域，比如运行底层或相邻燃烧系统，可有效降低氮氧化物的产生。
　　在保证机组安全稳定运行使锅炉维持经济高效的生产前提下,通过燃烧优化调整的手段，大约能减少锅炉8%～15%的氮氧化物排放。