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600MW机组NOx超标的原因分析及预防处理

发表时间：2021/1/11 来源：《电力设备》2019年第15期作者：梁饶龙

[导读] 摘要：在NOx控制方面与发达国家相比我国燃煤电厂起步较晚，但随着国家一系列环保法律法规的陆续出台，NOx控制要求越来越高，脱硝控制技术近几年也得到了快速的推广和应用。

        （深能合和电力（河源）有限公司广东河源 517000）
        摘要：在NOx控制方面与发达国家相比我国燃煤电厂起步较晚，但随着国家一系列环保法律法规的陆续出台，NOx控制要求越来越高，脱硝控制技术近几年也得到了快速的推广和应用。
        关键词：600MW机组；NOx超标；原因；处理
        1NOx形成原因及低氮燃烧技术
        1.1NOx生成机理
        NOx生成途径有3条：大气中的N2和O2在高温条件下发生氧化反应，定义为热力型NOx；燃料挥发物中烃类的高温热解，在空气中形成的CH自由基和氮气反应，形成HCN和N，再进一步与氧气作用，在非常快的速度下形成NOx，定义为快速型NOx；燃料中的氮原子在燃烧中被氧化形成NOx，定义为燃料型NOx。对于燃气锅炉而言，90%以上的NOx来源于热力型的NOx，10%以下来源于快速型NOx。对天然气而言，基本不含N原子，基本可忽略燃料型NOx的影响。对于热力型NOx的形成机理，可以按照以下公式进行描述：

高温下总反应为：

热力型NOx的生成主要受温度的影响，温度低于1500℃时，热力型NOx生成很少，当温度在1500℃以上时呈明显上升趋势，每升高100℃，生成速率增大6~7倍。并且实际燃烧过程中，炉膛内部燃料分布不均匀，炉膛内温度分布也不均匀，所以局部区域NOx含量较高，因此，对于热力型NOx，应避免燃烧高温区过于集中，尽量使炉膛内温度分布更加合理，并降低其燃烧的平均温度。快速型NOx又被定义为瞬态型NOx，由菲尼莫尔于1971年提出，主要在900℃~1300℃的温度范围内产生，其形成的时间极短（约60ms），并且形成于热力型NOx之前。对于快速型NOx其生成机理过程如下：

        1.2烟气脱硝技术简介
        1.2.1低氮燃烧
        低氮燃烧是应用于燃烧过程中的脱硝技术，其工作原理是通过改变燃烧的条件进而减少烟气中的氮氧化物的含量，最终减少排放到大气中的污染物。在低氮燃烧技术中还分为烟气再循环技术与空气分级燃烧技术等。在应用此种方法进行脱硝时，主要会改变空气的混合成分与方式，导致空气比降低，通过控制空气混合成分控制燃烧的温度，并有效地减少氮氧化物的生成量。但是此项技术的脱硝率较低，并且在降低空气比的过程中容易出现燃料没有完全燃烧的问题，极大地影响了燃烧效率，对不完全燃烧后的产物也无法妥善处理。
        1.2.2选择性非催化还原
        SNCR脱硝技术的应用方法为首先必须要在高温的环境下进行，需要控制温度在800～1000℃，使氨类化合物与烟气中含有的氮氧化物进行发应，在反应后可以生成N2，由此可以分离出烟气中的氮元素，直接减少了烟气中氮氧化物的排放，能够有效地改善空气质量。由于此项技术是在高温的条件下进行，可以避免使用催化剂使其进行反应，并且高温可以确保物质的活化反应。此项技术具有操作简便、阻力小、应用成本低等优点。但是该种方法的脱硝率非常低，只能达到30%左右，在提高脱硝率的同时其氨逃逸率也素质提高，造成环境的二次污染。
        1.2.3选择性催化还原
        SCR技术是选择性催化还原中的主要技术手段，其工作原理为应用催化剂，使氨与烟气中含有的氮氧化物进行反应，反应之后会产生N2与水，应用此种脱硝技术需要控制反应环境的温度在300～400℃。此项技术的脱硝率非常高，可以达到90%的脱硝率，因此火力发电领域多应用该项技术进行烟气的脱硝。
        2降低燃烧生成NOx的方法
        2.1烟气再循环系统流程
        烟气再循环改造方案包括烟气再循环管道、风量调节插板门,再循环增压风机等,同时在原操作员站上增加DCS画面,根据运行期间烟气在线分析结果,决定其运行工况。引风机出口烟道引出点至再循环风机入口处管道采用耐高温耐腐蚀树脂,出口管道采用保温碳钢管道途经除尘器侧面至主厂房,引入点布置在一次风机入口消音器下游300mm处,最后喷入炉膛。出入口管道直径630mm,在引入点增加电动插板门。再循环风机布置在0米(引风机房内)、变频调节,出口安装流量计。烟气再循环从一次风给入,营造密相区还原性气氛,抑制NOx的生成,同时加大上二次风量,保证飞灰的燃尽度。本方案设计的烟气再循环风机风压低,电耗小。
        一次热风(150℃)焓为1023.1kJ/kg,被加热到900℃时热风焓4267.8kJ/kg,低温(130℃)烟气焓为1155.7kJ/kg,高温(900℃)烟气焓为6072.06kJ/kg,因此同样的低温烟气较一次风焓差高,降低床温的效果明显。工艺流程如图1所示:

        图1工艺流程
        2.2试验数据分析
        设计为1台20000m3/h的离心通风机,采用变频控制,实际测量烟气工况5000-18000m3/h;试验主要调整了再循环量和一二次风比例,一次风机电流降低到32/33A时,二次风机电流增加到15/16A时,总风量不变,分别测试了NOX排放数据。从试验结果可以看出,倒三角配风方式使得锅炉NOX排放量降低,而正三角配风方式使得NOX排放升高,当采用倒三角方式配风时,在主燃烧区域,锅炉氧量相对较低,因此床温也要相对低一些,燃料型NOX的生成量减少,在燃烧区域上部送入过量的空气,使得主燃烧区域上移,同时有助于飞灰燃尽。
        (1)SNCR停运,烟气再循环投运前后NOX变化情况(数据见表1、表2)。
        在SNCR及烟气再循环均不投运时,#2炉蒸发量70t/h时,NOx原始排放均值为323mg/Nm3,烟气再循环投运后,#2炉NOx排放均值为261mg/Nm3,NOX排放降低了62mg/Nm3,降幅达到19.2%。
        表1#2炉NOx排放监测数据SNCR停运烟气再循环停用
        监测点:烟囱前水平烟道

        表2#2炉NOx排放监测数据SNCR停运烟气再循环投用
        监测点:烟囱前水平烟道

        (2)SNCR投运,烟气再循环投运前后NOx变化情况(数据见表3、表4)
        锅炉70t/h负荷,NOX控制在150mg/Nm3时,平均节省尿素9Kg/h。锅炉70t/h负荷,尿素消耗量29Kg/h,烟气再循环投运前,NOX排放降低了25mg/Nm3,降幅达到17.9%。
        表3#2炉NOx排放监测数据1SNCR投运烟气再循环
        停用监测点:烟囱前水平烟道

        监测点:烟囱前水平烟道
        表4#2炉NOx排放监测数据1SNCR投运烟气再循环投用
        监测点:烟囱前水平烟道

        (3)NOX随再循环风量的增加而降低
        随着再循环风机频率增加,NOX排放量逐步减小,排烟温度也有所升高,烟气再循环系统满出力运行时,锅炉下部床温下降20℃以内,排烟温度上升4~7℃。由于烟气量增加,烟速提高,烟气侧放热系数提高,尾部对流受热面传热量增加,工质出口温度上升,越处于烟气行程下游的受热面,工质吸热量增加的越多,因此,具有提高主蒸汽温度的作用,同时也是调节汽温的一种手段。尤其是低负荷时,处于烟道下游的汽温由于烟温偏低往往达不到设计值,烟气再循环可以提高蒸汽温度,一般每1%的再循环烟气量可使汽温提高2℃。
        3结语
        NOx的排放引发的环境问题已给人体健康和生态环境造成巨大威胁。NOx可通过皮肤接触和摄入被污染的食品进入消化道，对人体造成危害，也可以通过呼吸道吸入人体，给人体造成更为严重的伤害。本文阐述了燃烧过程NOx的产生机理，并对可能造成NOx超标的原因及预防处理措施予以介绍说明。
        参考文献：
        [1]韩建新.燃煤锅炉NOx排放特性及其燃烧优化[J].内蒙古科技与经济,2009(11):79-82.
        [2]曾汉才.大型锅炉高效低NOx燃烧技术的研究[J].锅炉制造,2001(01):1-11.
        [3]高小涛,高绥强,张恩先.燃烧优化降低锅炉NOx排放的试验研究[J].锅炉技术,2003(03):74-76+80.