美国治理燃煤热电厂锅炉氮氧化物排放技术及其应用效果

电力18讯：    摘  要  综述了美国燃煤热电厂为达到1990年修订的“空气洁净法”规定的燃煤电站锅炉NOX排放标准所采取的各种治理方法，引用实例介绍采用的各种减排NOX技术措施的工业应用效果。
    关键词 燃煤锅炉燃烧改进NOX排放


1概述
    氮氧化物(NOX)是燃煤锅炉排放的一类主要大气污染物，是产生化学烟雾的主要原因，它对人的危害十分严重。全球人工排放的NOX有逐年递增趋势。许多国家都正在考虑实施严格的立法以限制其排放。美国热电厂装机容量居世界首位(根据联合国近年统计资料报导，美国热电厂的装机容量为566GW，全部电厂的总功率为770GW)。美国的基本热能主要由煤粉锅炉发电机组提供。因此，美国燃煤热电厂NOX的排放量为世界之最，燃煤电厂向大气排放的NOX约占总NOX排放量的90%。
    美国制定了全国执行的允许向大气排放限量法令。当今，美国电力行业执行1990年修订的“空气洁净法”第Ⅳ篇的燃煤锅炉允许NOX排放标准。全美实施第Ⅰ阶段(1996年至2000年)及第Ⅱ阶段(2000年以后)的要求如表1所示。



    对于第Ⅰ类所有装旋流式燃烧器的固态排渣锅炉单位NOX排放浓度应降低到0.215g/MJ(当O2=6%时，折算为mg/m3浓度其值为610)；切圆火炬燃烧炉膛固态排渣炉应降低到0.194g/MJ(当O2=6%时，为554mg/m3)。
    从2000年1月起实施第Ⅱ阶段标准，不仅对Ⅰ类锅炉提出更严格要求，而且对于Ⅱ类锅炉也规定了它的允许排放极限，包括：装孔格(直流)式燃烧器，前置旋风炉膛，旋流式燃烧器液态排渣炉膛的锅炉。
    “空气洁净法”第Ⅳ篇另有补充规定(关于“酸雨”治理)2000年1月以后燃煤电厂锅炉平均NOX排放浓度不应超过以下限定值(g/MJ)：旋流式燃烧器和固态排渣锅炉：0.198，切圆火炬燃烧炉膛：0.172，孔格式燃烧器：0.292，容量大于155MW的前置旋风炉膛：0.370，容量大于65MW的液态排渣炉膛：0.360，竖立式燃烧器：0.344。
        1990年至1996年期间实施第Ⅰ阶段要求结果，对于Ⅰ类锅炉总NOX排放量降到30.8万吨，即比实施前降低了33%。实施第Ⅱ阶段规则后，每年总NOX排放量降到约1.06百万吨。
    我国电力系统现有发电装机总容量达到3.39亿kW，仅次于美国居全球第二，随后，每年新增机组将超过1000万kW，从1996年以来发电装机容量就一直稳居世界第二位。燃煤电厂有害气体的排放对环境污染日趋严重，因此，对燃煤电厂锅炉有害气体的治理，是保护生态，改善环境的一项长期、艰巨而紧迫的任务。洁净煤利用已被列为我国能源和环境协调发展的战略方针，GB13223-1996规定燃煤电厂NOX排放上限为650mg/m3，1997年后新建的容量大于1000t/h的发电锅炉要按规定执行，这类锅炉要考虑采用先进的NOX排放技术。了解和借鉴国外一些减排NOX经验，促进和加强洁净煤发电技术的开发与应用，势在必行，以下综述美国燃煤电厂自1996年以来执行“空气洁净法”采用的各种治理NOX排放技术及其应用效果〔1〕。
2美国燃煤电厂治理NOX排放的技术措施
2.1“低公害”型燃烧器与“两段”火炬燃烧的结合
    美国燃煤电厂曾广泛应用“第一脱硝法抑止NOX生成，以保证“空气洁净法”第Ⅳ篇关于燃煤电厂锅炉第Ⅰ阶段NOX排放要求。表2示出1998年运用“第一法”治理NOX排放结果。按美国环护界俗称的“第一法”系降低主燃烧区NOX生成的治理方法，只包括应用“低NOX”型燃烧器(LNB-Low NOX Burner)和“两段”火炬燃烧(RFA-Over Fire Air,含“集中”燃烧)，不含“三段”火炬燃烧，因该法是对主燃烧区生成的NOX另行降低之混合治理。LNB有多种式样：有以一次风浓、浅分流方式为特征的“WP”(Wealthy-Rare)型、“PM”(Pollution-Minimum)型；以控一、二次风混合为特征的同心反切圆燃烧系统及“W”型火炬燃烧技术等，其宗旨是控制燃烧温度以减少“热力”型NOX生成和“分段”火炬燃烧以减少“燃料”型NOX。借燃烧器不同结构控制煤粉着火并组织好“分段”燃烧是其技术关键。



2.2“集中”燃烧技术
    二十世纪80年代初期，美国C-E(Combustion Engineering)公司试用“集中”燃烧减少NOX生成技术。把部分二次风与一次风(气粉混合物)分离开，达到一次风的相对“集中”作用。射入炉内的二次风避开一次风射流切圆周边而与大直径的“假想”切圆相切。在炉膛四角处装设直流式燃烧器的炉膛条件下，一部分单独的二次风沿炉膛水冷壁吹拂。这种气流的空气动力结构，能将炉膛中心区营造为缺氧燃料区(富燃烧区)，不仅防止了水冷壁结焦，且有助于抑制高温腐蚀，同时，燃料可快速均匀加热引燃。缺氧的集中燃烧，有助于焦炭和CO对NOX的还原，终使NOX排放大幅降低〔2〕。
2.3“集燃”结合多层射入三次风燃烧系统