燃煤锅炉烟气量及NO_X排放量计算方法的探讨

燃煤锅炉烟气量及NO_X排放量计算方法的探讨

孟志浩等　燃煤锅炉烟气量及NOX排放量计算方法的探讨

燃煤锅炉烟气量及NOX排放量计算方法的探讨

孟志浩　俞保云

(嘉兴新嘉爱斯热电有限公司,浙江　嘉兴314016)

分析了燃煤锅炉的烟气量及NOX排放量的计算方法,提出了1985年版《环境统计手册》中的物料衡算计算方法不合理　　摘要　性产生的原因,并根据燃煤锅炉特别是循环流化床锅炉的实际运行情况,对烟气量及NOX排放量的计算方法予以修正,使物料衡算方法更具合理性、科学性。

　　关键词　燃煤锅炉　烟气量　NOX　物料衡算

　　目前,燃煤锅炉烟气污染物排放量的计算主要

有2种:(1)以污染物排放浓度方法进行计量核算;(2)以物料衡算方法进行计量核算。环保部门对烟气污染物排放量的计算多选用第2种,算依据至今还是沿用1985,化床锅炉,1985中的物料衡算煤粉炉、层燃炉等炉型。随着国内循环流化床锅炉的大量使用,物料衡算方法对循环流化床锅炉的不适应性逐渐显现出来。

　　燃煤电厂和热电联产企业是耗煤大户,也是烟气污染物的排放大户,燃煤锅炉烟气污染物排放量计算的准确与否将直接影响社会环境统计数据以及对排污征费问题。笔者对燃煤锅炉烟气量及NOX排放量的计算方法进行差异性分析,找出循环流化床锅炉污染物计算量与实际排放量不一致的原因,并提出相应的计算修正方法,使物料衡算方法能真实反映污染物的排放状况。1　烟气量计算

0.699m3/kg,N燃烧生成NO需O21.599m3/,C、

,。因此,O2量(VO2,m3/kg)为:

VO2=1.865x1+5.556x2+0.699x3+

(5)1.599x4-0.7x5式中:x1、x2、x3、x4、x5分别为含C、H、S、N、O量,均

为质量分数,%。　　由于空气中O2体积分数为21%,所以煤燃烧所需要的理论空气量(V理,m3/kg)为:

(6)V理=VO2/21%

　　式(5)和式(6)是以煤中元素含量来进行计算的(即元素法),实际生产中理论空气量也可用经验公式进行计算((即经验法)。当煤中含挥发分量不小于15%(质量分数)时,经验公式见式(7);当含挥发分量小于15%时,经验公式见式(8)[1]54。

(7)V理=0.251Qnet,ar/1000+0.278

V理=Qnet,ar/4145+0.606

(8)

燃煤锅炉的烟气量是个很重要的数据。根据反

应式,以污染物排放浓度方法进行计量核算理论烟气量。

(1)C+O2=CO2

(2)2H2+O2=2H2O

(3)S+O2=SO2

(4)2N+O2=2NO

　　根据式(1)至式(4),C完全燃烧需消耗O21.865m3/kg(气体均以标况下计,下同),H完全燃

式中:Qnet,ar为煤的收到基低位发热量,kJ/kg。　　同时,在实际生产中烟气量排放还受到过量空气等影响,因此实际烟气量按式(9)计算。

α-1)V理V烟=1.04Qnet,ar/4187+0.77+1.0161(

(9)

α=21%/(21%-x6)(10)

烧需消耗O25.556m3/kg,S完全燃烧需消耗O2

式中:V烟为煤燃烧所产生的实际烟气量,m3/kg;α

为过量空气系数;x6为实测的烟气O2体积分数,%。　　对不同批次煤样按照元素法和经验法2种不同的方法计算得出理论空气量及实际烟气量,结果见表1。

　　由表1可见,煤燃烧排放的实际烟气量为8

第一作者:孟志浩,男,1972年生,工程师,主要从事电厂水处理和环保工作。

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燃煤锅炉烟气量及NO_X排放量计算方法的探讨

　环境污染与防治　第31卷　第11期　2009年11月

表1　不同批次煤样的理论空气量及实际烟气量1)

项目无烟煤

无烟煤无烟煤烟煤烟煤烟煤烟煤烟煤烟煤平均

质量分数/%

C68.0366.3755.0355.6653.4466.3552.7049.2756.3858.14

H2.322.552.253.693.063.803.103.433.613.09

S0.320.340.320.910.900.700.900.800.580.64

N0.940.920.780.890.791.100.850.630.960.87

O3.323.082.888.465.845.553.956.106.505.08

Qnet,ar

V理/(m3 kg-1)

V烟/(m3 kg-1)

7.169.076.0138.0727.3118.0028.0020.0022.9719.62

/(kJ kg-1)24703.324658.718662.521659.320348.822307.020440.019538.220778.421455.1

元素法

6.636.555.465.745.456.825.465.155.845.90

经验法

6.576.565.115.715.395.885.415.185.495.66

元素法

8.938.897.077.907.498.397.517.197.717.90

经验法

8.918.896.967.897.478.107.507.207.617.83

　　注:1)计算中以α=1.30计。

m3/kg左右,元素法和经验法的计算结果基本一致,

考虑到各台燃煤锅炉在各自运行中的不同方式,燃煤电厂和热电联产企业的实际烟气量一般选用煤燃烧排放8.3～8.8m3/kg10.0m3/,

NOX极少(总排放量的

5%%),XXX约占10%～30%[3]。NOX生成及排放的因素2.2.1　温　度

2　NOX排放量计算

较低的温度能够有效抑制热力型NOX生成。在850～950℃内,热力型NOX生成量可以忽略不计,同

时燃料型NOX生成量也随温度的降低而减小。因

由于锅炉炉型的不同,NOX排放量也有着明显的差别。由于目前燃煤锅炉几乎都未安装脱氮脱硝装置,因此以NOX的排放作为研究对象就更能说明计算方法存在的问题。

　　循环流化床作为低温分段燃烧的锅炉,在炉内脱硫和抑制NOX生成方面与链条炉、煤粉炉等相比

有着明显的优点。循环流化床锅炉采用低温(850～)燃烧及二次分段燃烧[2]的方式,实测的NOX950℃

此,综合考虑燃烧以及NOX排放,循环流化床锅炉选取850～950℃作为日常运行温度,能有效减少NOX生成,同时也能发挥脱硫剂最佳脱硫效果。2.2.2　分段燃烧

还原性气氛对减少NOX排放有非常显著的作用。通过分段燃烧,即燃烧空气不是一次性补充入炉膛,而是随燃烧反应的过程进行燃烧空气补充,从而保证炉膛内特别是NOX生成区域处于缺氧燃烧的还原性气氛。在循环流化床锅炉中,一次风由炉膛底部补给,通常只占燃烧所需空气的

70%(体积分数)左右,二次风在不同的炉膛高度进行分层补充。2.2.3　低氧燃烧

排放质量浓度一般为150～280mg/m3。煤粉炉的燃烧温度通常为1300～1500℃,因此相比循环流化床更易生成NOX,特别是热力型NOX排放量远大于循环流化床锅炉,煤粉炉实测的NOX排放质量浓度为450～600mg/m3,在相同烟气量情况下,煤粉炉NOX实际排放量是循环流化床锅炉的2倍左右。可见,循环流化床锅炉在NOX控制方面有着明显的优势,这也是目前国家主推循环流化床锅炉的原因之一。

2.1　NOX的生成

过量空气系数的降低有利于还原气氛的形成。由于在缺氧状态下焦炭和CO对NO的还原,能非常有效地降低NOX排放浓度。因此,过量空气系数的降低对NOX排放浓度的降低有着明显的作用。当过量空气系数低于1.25时,NOX排放质量浓度为100～200mg/m3。

燃烧空气中的N2在高温下经过氧化生成NOX,称为热力型NOX(或称温度型NOX)。当温度

小于1300℃时几乎没有热力型NOX的生成,只有当温度超过1300℃时热力型NOX浓度才开始急速增大。在循环流化床锅炉中,由于采用低温度燃烧, 108

　　目前,环保部门对NOX是运用物料衡算方法进行计算的,其简化公式见式(11)[4],完整公式见式(12)[1]95。

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孟志浩等　燃煤锅炉烟气量及NOX排放量计算方法的探讨

βx4+0.000938)G=1.63B(

βx4+10V烟c)G=1.63B(

-6

(11)(12)

炉,因此计算循环流化床锅炉的NOX排放量时应选用式(14)才能较客观反映NOX的排放情况,其中β取值为11%～12%。

βx4/(1-δ)G=1.63B

(14)

式中:G为NOX排放量,kg;B为煤质量,kg;β为煤中N向燃料型NO的转变率,%;c为热力型NO质量浓度,mg/m3。

　　由式(11)和式(12)可见,物料衡算方法事实上考虑了实际烟气量的问题,式(11)只是把实际烟气量按照10.0m3/kg取值简化而已。目前,环保部门在核算时把煤粉炉的β取值为22%,循环流化床锅炉的β取值为18%。按照式(11)和式(12)分别计算1000kg煤燃烧的NOX排放量,结果见表2。

表2　物料衡算方法中简化公式和完整公式的计算差别1)

β/%

1822

式中:δ为循环流化床锅炉热力型NOX折算系

数,%,一般取值为5%～10%。　　以含N量为0.8%的1000kg煤为例,当β取

δ取值为7%时,按照式(14)计算得到值为12%、

G=1.683kg。按照式(13)折算为相应的NOX排放质量浓度(V烟=8.3m3/kg计)为202.77mg/m3。这与实际循环流化床锅炉的NOX排放浓度较吻合。式(14),修正了原有NOXX。可见,、。3　结　论

(1)煤燃烧排放的实际烟气量为8m3/kg左

式(11)计算

得到的G/kg

3.8764.398

式(12)计算得到的G/kg

3.6164.138

计算结果偏差/%

7.190286

　　注:1)计算中B=1x4=%m3/kg,93.8mg/m3　　由表2,由于选用的公式不同,NOX排放量计算结果偏差分别为7.190%和6.286%。同时,以式(11)和式(12)得出的NOX排放量按式(13)近似折算NOX排放浓度,循环流化床锅炉的NOX排放质量浓度分别为466.99、435.66mg/m3;煤粉炉的NOX排放质量浓度分别为529.88、498.55mg/m3。

结合实际情况,计算的煤粉炉NOX排放浓度与实际基本接近,而循环流化床锅炉则相差了1倍左右。

6

(13)c1=10G/(V烟B)式中:c1为NOX排放质量浓度,mg/m3。

　　根据环保部门对β的取值,从上述计算结果看,在现有计算NOX排放量上,循环流化床锅炉毫无优势可言,同时也说明根据物料衡算方法计算NOX排放量进行排污征费对循环流化床锅炉明显不合理。　　另一方面,式(11)中1.63B×0.000938这个因子是属于热力型NOX的计算因子,以燃烧含N量为0.8%的1000kg煤为例,按照式(11)来比较燃料型NOX和热力型NOX排放量的比例。结果表明,热力型NOX排放量占NOX总排放量的40%左右,这与循环流化床锅炉的热力型NOX排放量占NOX总排放量5%～10%相差甚远,这也就说明了式(11)与循环流化床锅炉NOX实际排放量不符的事实。　　根据公式定义分析,造成循环流化床锅炉NOX排放量差异的主要原因就是热力型NOX的比例问题。对于现在越来越多的企业选用了循环流化床锅

右,元素法和经验法的计算结果基本一致,考虑到

各台燃煤锅炉在各自运行中的不同方式,燃煤电厂和热电联产企业的实际烟气量一般选用煤燃烧排放8.3～8.8m3/kg的烟气量较为合理。而当前环保部门对所有炉型都是简单的按照煤燃烧排放10.0m3/kg的烟气量作为实际烟气量的计算依据,这就显得有点机械。

　　(2)在循环流化床锅炉NOX排放量计算以及排污征费问题上,对至今还在沿用的1985版《环境统计手册》中的物料衡算方法应予以修正。燃煤锅炉烟气污染物排放量如果以物料衡算方法进行计算时,应根据不同炉型选用并修正不同公式及参数,只有这样才能使燃煤锅炉特别是循环流化床锅炉的烟气污染物排放量计算以及排污征费更具科学性、合理性。参考文献:

[1]　方品贤,江欣,奚元福.环境统计手册[M].成都:四川科学技术

出版社,1985.[2]　路春美,程世庆,王永征,等.循环流化床锅炉设备与运行[M].

2版.北京:中国电力出版社,2008.[3]　张晓梅.燃煤锅炉机组[M].2版.北京:中国电力出版社,

2006.[4]　国家环境保护总局.排污收费制度[M].北京:中国环境科学出

版社,2003.

编辑:黄　苇　(修改稿收到日期:2009211204)

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