第二節(jié)　低氮燃燒技術(shù)

一、爐內(nèi)整體低氮燃燒技術(shù)

1.低過量空氣系數(shù)燃燒

煤粉燃燒過程中NO_x排放隨著過量空氣系數(shù)降低而降低，因此工程上通過控制爐內(nèi)低過量空氣系數(shù)來控制NO_x排放。低過量空氣系數(shù)燃燒一般不需要對(duì)鍋爐燃燒設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，運(yùn)行過程中通過控制入爐空氣量，合理組織燃燒，降低爐膛出口煙氣中氧氣濃度，使煤粉送入后盡可能在接近理論空氣量下燃燒，該技術(shù)一般可降低NO_x 10%～20%。由于爐內(nèi)整體空氣量減少，鍋爐在較低的過量空氣系數(shù)下運(yùn)行，如果燃燒組織不好，著火與燃盡惡化，尾部煙氣中的CO和飛灰含碳量將增加，導(dǎo)致燃燒效率降低。此外，低氧濃度會(huì)使?fàn)t膛內(nèi)的某些區(qū)域，尤其是水冷壁附近，形成較強(qiáng)烈還原性氣氛，從而引起爐壁結(jié)渣和腐蝕。因此如果在運(yùn)行過程中實(shí)施低氧燃燒，必須綜合考慮燃燒效率和NO_x排放及安全性等因素來確定運(yùn)行過程中的最佳氧量。

2.空氣分級(jí)燃燒

空氣分級(jí)燃燒技術(shù)是目前世界上采用最為廣泛的低NO_x燃燒技術(shù)之一。空氣分級(jí)燃燒的基本原理是將燃燒過程分成一次燃燒區(qū)域和二次燃燒區(qū)域兩段進(jìn)行。它通過將燃燒所需的空氣分級(jí)送入爐內(nèi)，降低鍋爐一次燃燒區(qū)域的氧氣濃度，控制燃料在富燃料的還原性氣氛下燃燒，火焰中心的燃燒速度和溫度水平相應(yīng)降低，從而降低主燃燒區(qū)NO_x的生成量；而完全燃燒所需的其余空氣，則由燃燒中心以外的其他部位引入。例如沿爐膛高度方向空氣分級(jí)，就是將一部分空氣在主燃燒區(qū)上部送入爐內(nèi)，與主燃燒區(qū)產(chǎn)生的煙氣混合實(shí)現(xiàn)完全燃燒。燃料的燃燒過程在爐內(nèi)分級(jí)進(jìn)行，從而控制燃燒過程中NO_x的生成反應(yīng)，降低爐膛出口NO_x排放濃度。

沿爐膛高度方向空氣分級(jí)燃燒是在主燃燒器上方間隔一定位置布置3～4層燃盡風(fēng)噴口（SOFA），將入爐總風(fēng)量的約30%的空氣送入爐內(nèi)，使整個(gè)燃燒過程沿爐膛高度分階段燃燒，如圖2-4所示。攜帶煤粉的一次風(fēng)通過煤粉燃燒器進(jìn)入爐膛，煤粉著火初期為還原性氣氛，有利于抑制燃料型NO_x的產(chǎn)生；剩余空氣從分離燃盡風(fēng)噴口送入后與主燃燒區(qū)域產(chǎn)生煙氣混合，提供煙氣中可燃物質(zhì)燃盡所需氧量。根據(jù)煤質(zhì)及爐型合理確定分離燃盡風(fēng)高度及比例是實(shí)現(xiàn)高效空氣分級(jí)低氮煤粉燃燒的關(guān)鍵。

3.燃料分級(jí)

烴類物質(zhì)噴入含NO的煙氣中能夠使大量的NO還原成N₂，從而降低NO_x排放。Wendt等［1］于1973年首次提出“再燃”這一概念，在主燃燒火焰下游噴入天然氣之后，NO排放降低50%。主要的形式如圖2-5所示。

燃料分級(jí)燃燒通常沿爐膛高度自下而上分為主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)3個(gè)區(qū)域。在主燃區(qū)投入燃料占鍋爐總輸入熱量的75%～90%，該區(qū)域的過量空氣系數(shù)通常大于1，生成NO_x；在再燃區(qū)投入占鍋爐總輸入熱量的10%～25%，該區(qū)域的過量空氣系數(shù)小于1，在還原性氣氛下再燃燃料釋放的烴根（CH_i）將主燃區(qū)生成的NO_x還原為N₂；在再燃區(qū)上部布置有SOFA噴口從而形成燃盡區(qū)，對(duì)在再燃區(qū)中產(chǎn)生的未燃盡產(chǎn)物進(jìn)一步燃盡，該區(qū)域的過量空氣系數(shù)大于1。1983年日本三菱重工將天然氣再燃技術(shù)應(yīng)用于電站鍋爐，取得了50%的爐內(nèi)脫硝效果。

在燃料分級(jí)燃燒過程中，氮氧化物主要是通過以下途徑被還原的：

　　 （2-10）

NO+CH_i HCN+其他產(chǎn)物　　i=0，1，2　　 （2-11）

由以上NO破壞路徑可見，燃料中烴根（CH_i）含量與中間產(chǎn)物NH_i含量對(duì)NO的還原過程有較大影響。

4.煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)是在鍋爐的尾部煙道（如省煤器出口位置）抽取一部分燃燒后的煙氣直接送入爐內(nèi)或與一、二次風(fēng)混合后送入爐內(nèi)，這樣既可以降低燃燒溫度，又可以降低氧氣濃度，從而降低NO_x的生成。圖2-6為某電廠煙氣再循環(huán)系統(tǒng)示意。用于再循環(huán)的煙氣與不采用再循環(huán)時(shí)總煙氣量的比值稱為再循環(huán)率。通常煙氣再循環(huán)率越高，降低NO_x的效果越明顯。但是，過多的再循環(huán)煙氣可能導(dǎo)致火焰的不穩(wěn)定及蒸汽超溫等現(xiàn)象，因此在采用煙氣再循環(huán)時(shí)，再循環(huán)率一般不宜超過20%。在燃煤鍋爐上單獨(dú)利用煙氣再循環(huán)措施，得到的NO_x脫除率通常在25%以內(nèi)，一般都與其他低NO_x燃燒技術(shù)聯(lián)合使用。

日本三菱公司在直流煤粉燃燒器上應(yīng)用煙氣再循環(huán)技術(shù)開發(fā)了SGR型煙氣再循環(huán)燃燒器，如圖2-7所示。再循環(huán)的煙氣不與空氣混合，而是直接送至燃燒器，在一次風(fēng)煤粉空氣混合噴口上、下各裝有再循環(huán)煙氣噴口，因煙氣吸熱和氧的稀釋，在一次風(fēng)噴口附近形成還原性氣氛，使燃燒速度和燃燒區(qū)溫度降低，抑制了NO_x的生成。對(duì)運(yùn)行機(jī)組采用煙氣再循環(huán)技術(shù)需要加裝再循環(huán)風(fēng)機(jī)和循環(huán)煙氣管道，對(duì)鍋爐場(chǎng)地條件有一定限制；同時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜度增加，投資增大。

二、直流低氮燃燒器技術(shù)

燃燒器是鍋爐設(shè)備的重要組成部分。一方面，它對(duì)鍋爐的可靠性和經(jīng)濟(jì)性起著決定性的作用；另一方面，從NO_x的生成機(jī)理來看，燃料型NO_x占據(jù)煤粉鍋爐NO_x生成量的絕大部分，是在煤粉著火階段產(chǎn)生的。因此，通過對(duì)燃燒器進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，改變?nèi)紵黠L(fēng)煤比，適當(dāng)降低燃燒器出口的氧濃度和溫度，能夠抑制燃燒初期NO_x的生成。當(dāng)然，低NO_x燃燒器首先要滿足煤粉著火和燃盡的需求，在此基礎(chǔ)上有效地抑制NO_x的生成。20世紀(jì)50年代以后，低NO_x燃燒器相繼被研制出來，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的研究取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。世界各大鍋爐公司發(fā)展了不同類型的低NO_x燃燒器，一般可降低NO_x排放30%～60%［3］。

切圓鍋爐的爐膛四角一般布置直流煤粉燃燒器，通過主燃燒器送入爐膛的一、二次風(fēng)占入爐總風(fēng)量的70%～80%，以維持主燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)小于1，其余風(fēng)量通過主燃燒器區(qū)上部布置的分離燃盡風(fēng)噴口送入提供燃盡所需氧量。以下介紹典型的直流煤粉低氮燃燒器。

1. WR型煤粉燃燒器

WR型（wide range）煤粉燃燒器又名寬調(diào)節(jié)比燃燒器，是ABB-CE公司為改善燃煤鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的著火穩(wěn)定性能而研制出來的一款四角切圓直流燃燒器。其主要結(jié)構(gòu)如圖2-8所示，它主要由入口彎管、水平隔板、V形穩(wěn)燃鈍體以及擺動(dòng)式噴嘴等組成。一次風(fēng)煤粉混合物流經(jīng)彎頭時(shí)，由于煤粉和空氣慣性力不同，通過彎頭后產(chǎn)生濃淡偏差的兩相，噴嘴體內(nèi)設(shè)置的水平隔板可以隔離兩相保持濃淡偏差，這樣進(jìn)入爐膛的射流在噴口外形成上下濃淡偏差燃燒。在噴嘴處布置有V形穩(wěn)燃鈍體以形成穩(wěn)定的回流區(qū)促進(jìn)低負(fù)荷運(yùn)行或劣質(zhì)煤燃燒的著火穩(wěn)定性。通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)周圍設(shè)置的周界風(fēng)可以適應(yīng)煤種的變化，同時(shí)也有利于防止結(jié)渣和高溫腐蝕。

2. PM型煤粉燃燒器

日本三菱重工PM（pollution minimum）型直流燃燒器如圖2-9所示，其關(guān)鍵部件是煤粉分配部件，它由一次風(fēng)彎頭、濃煤粉噴口以及淡煤粉噴口組成，一次風(fēng)煤粉氣流流經(jīng)彎頭時(shí)在慣性力的作用下進(jìn)行分離，濃煤粉進(jìn)入布置在上部的濃相噴口，淡煤粉進(jìn)入布置在下部的淡相噴口，從而在進(jìn)入爐膛后實(shí)現(xiàn)上下濃淡偏差燃燒。PM型燃燒器NO_x生成規(guī)律與普通燃燒器的比較如圖2-10所示。淡相煤粉燃燒時(shí)空氣/煤粉化學(xué)當(dāng)量比較高，由于空氣相對(duì)較多，噴口附近火焰溫度較低，有利于著火穩(wěn)定性以及熱力型NO_x的抑制；濃相煤粉燃燒時(shí)空氣/煤粉化學(xué)當(dāng)量比較低，噴口附近形成的強(qiáng)還原性氣氛有利于抑制燃料型NO_x。

3.百葉窗水平濃淡煤粉燃燒器

百葉窗水平濃淡煤粉燃燒器及其結(jié)構(gòu)［4］如圖2-11所示。百葉窗水平濃淡煤粉燃燒器利用管道中布置的百葉窗導(dǎo)流擋板控制噴口左右側(cè)煤粉濃度，在進(jìn)入爐膛后在噴口附近實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)水平濃淡燃燒。濃淡燃燒的基本思想通常是將一次風(fēng)分成濃淡兩股氣流，濃煤粉氣流是富燃料燃燒，揮發(fā)分析出速度加快，造成揮發(fā)分析出區(qū)缺氧，使已形成的NO_x還原為氮分子。淡煤粉氣流為貧燃料燃燒，會(huì)生成一部分燃料型NO_x，但是由于溫度不高，所占份額不多。濃淡兩股氣流均偏離各自的燃燒最佳化學(xué)當(dāng)量比，既確保了燃燒初期的高溫還原性火焰不過早與二次風(fēng)接觸，使火焰內(nèi)的NO_x的還原反應(yīng)得以充分進(jìn)行，同時(shí)揮發(fā)分的快速著火使火焰溫度能維持在較高的水平，又防止了不必要的燃燒推遲，從而保證煤粉顆粒的燃盡。

三、旋流低氮燃燒器技術(shù)

旋流煤粉燃燒器往往應(yīng)用于前墻布置和前后墻對(duì)沖布置鍋爐。以下介紹典型的旋流煤粉低氮燃燒器。

1. DRB型旋流煤粉燃燒器

美國(guó)B&W公司自1971年起研發(fā)了一系列的DRB型旋流煤粉燃燒器，DRB-4Z型旋流煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)可見圖2-12。其二次風(fēng)采用內(nèi)外兩個(gè)調(diào)風(fēng)器，又稱為雙調(diào)風(fēng)低NO_x燃燒器。在傳統(tǒng)的雙調(diào)風(fēng)燃燒器的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)直流風(fēng)通道，通過一次風(fēng)噴口周圍送入。其煤粉氣流為不旋轉(zhuǎn)的直流射流，一次風(fēng)管四周與內(nèi)二次風(fēng)混合形成濃煤粉著火燃燒區(qū)域，有利于降低燃料型NO_x的生成。由于外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度較低，比例較大，可以降低火焰溫度，對(duì)采用該燃燒器的火焰溫度測(cè)量結(jié)果顯示，在距離噴口1.2m處火焰溫度降低至1400℃，有利于抑制熱力型NO_x生成。同時(shí)，大量的外二次風(fēng)有利于保護(hù)水冷壁，防止結(jié)渣、腐蝕。

2. SF型旋流煤粉燃燒器

CF/SF（控制流量/分離火焰）型旋流煤粉燃燒器是美國(guó)FW公司于1979年推出的，主要特點(diǎn)是將一次風(fēng)分為四股，擴(kuò)大煤粉氣流與高溫?zé)煔獾慕佑|面積。在優(yōu)化了空氣/燃料輸送系統(tǒng)后，F(xiàn)W公司推出了VF/SF型旋流煤粉燃燒器，其結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。該型燃燒器煤種適用范圍較廣，從無煙煤到褐煤皆有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。通過布置內(nèi)外雙調(diào)風(fēng)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)燃燒器空氣分級(jí)。而分離火焰噴口能夠強(qiáng)化著火并起到燃料分級(jí)的作用。

3. DS型旋流煤粉燃燒器

德國(guó)Bobcock公司推出DS型旋流煤粉燃燒器，其結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。采用截面積較大的中心風(fēng)管，減緩了中心風(fēng)速，保證回流區(qū)的穩(wěn)定；增大一次風(fēng)射流的周界長(zhǎng)度和一次風(fēng)煤粉氣流同高溫?zé)煔獾慕佑|面積，提高了煤粉的著火穩(wěn)定性；在一次風(fēng)道內(nèi)安裝了旋流導(dǎo)向葉片，使一次風(fēng)產(chǎn)生旋流，并將噴口設(shè)計(jì)成外擴(kuò)型；煤粉噴口加裝了齒環(huán)形穩(wěn)燃器；在外二次風(fēng)的通道中則采用各自的擴(kuò)張形噴口，以使內(nèi)、外二次風(fēng)不會(huì)提前混合；內(nèi)、外二次風(fēng)道為切向進(jìn)風(fēng)蝸殼式結(jié)構(gòu)，保證燃燒器出口斷面空氣分布均勻，增加了優(yōu)化燃燒所具備的旋流強(qiáng)度。

4.HT-NR型旋流煤粉燃燒器

日本巴布科克-日立公司在DRB型雙調(diào)風(fēng)旋流煤粉燃燒器的基礎(chǔ)上研發(fā)了HT-NR型旋流煤粉燃燒器。圖2-15為HT-NR型低氮煤粉燃燒器1～4代結(jié)構(gòu)示意及降氮效果示意。HT-NR型低氮煤粉燃燒器為單噴口分級(jí)燃燒方式，一次風(fēng)噴口附近外濃內(nèi)淡的煤粉分布形式有利于NO_x還原區(qū)的形成，NO_x具有能夠快速轉(zhuǎn)變成氣相的特點(diǎn)，火焰內(nèi)NO_x還原被加速，從而有助于降低爐內(nèi)燃料型NO_x排放。

5. OPTI-FLOW型旋流煤粉燃燒器

美國(guó)ABT（先進(jìn)燃燒技術(shù)）公司于20世紀(jì)90年代提出帶梅花型一次風(fēng)噴口的OPTI-FLOW型旋流煤粉燃燒器。該型燃燒器通過采用梅花型一次風(fēng)噴口強(qiáng)化著火，提高煤粉著火初期加熱速率，提升高溫缺氧氣氛下煤粉揮發(fā)分釋放比例，在大幅降低燃料型NO_x生成量的同時(shí)，提升低氮燃燒模式下火焰燃燒穩(wěn)定性。燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2-16所示。

6. Airjet型旋流煤粉燃燒器

Airjet型旋流煤粉燃燒器是B&W公司提出的旋流煤粉燃燒器，為解決傳統(tǒng)雙調(diào)風(fēng)低氮旋流燃燒器推遲著火設(shè)計(jì)導(dǎo)致的燃盡性差的問題而提出。該型燃燒器煤粉氣流內(nèi)、外兩側(cè)皆有二次風(fēng)，使得煤粉燃燒形成穩(wěn)定、強(qiáng)烈火焰，加速燃燒初期揮發(fā)分的釋放。燃燒器出口形成富燃料氣氛強(qiáng)化燃燒是該型燃燒器實(shí)現(xiàn)高效低氮燃燒的關(guān)鍵。燃燒器結(jié)構(gòu)示意見圖2-17。

從全國(guó)投運(yùn)的前后對(duì)沖低氮旋流煤粉燃燒器調(diào)查結(jié)果看：目前引進(jìn)技術(shù)的旋流煤粉燃燒器主要適合燃燒煙煤。對(duì)于貧煤、劣質(zhì)煙煤等高灰分煤，這些燃燒器都或多或少存在煤粉著火不及時(shí)，燃盡率差的問題，而且爐膛兩側(cè)墻都存在較嚴(yán)重的高溫腐蝕問題。這說明，這些引進(jìn)技術(shù)旋流煤粉燃燒器并不是很適合燃燒國(guó)內(nèi)低揮發(fā)分、高灰分、低熱值煤種。還非常有必要開發(fā)適合國(guó)內(nèi)劣質(zhì)煤的強(qiáng)卷吸低溫低氮旋流煤粉燃燒器，并依據(jù)煤質(zhì)的變化量體裁衣設(shè)計(jì)。

四、W型火焰低氮燃燒技術(shù)

為滿足低揮發(fā)分煤（V_daf<13%）著火及燃盡需求，W 型火焰爐被提出。W型火焰煤粉氣流的著火主要依靠煤粉氣流自身形成的高溫火焰的對(duì)流加熱，煤粉氣流由上往下噴射形成火焰，然后再折返向上運(yùn)動(dòng)，呈W型火焰，其經(jīng)歷的行程較長(zhǎng)，當(dāng)火焰運(yùn)動(dòng)至噴口處時(shí)，火焰溫度較高，這一高溫火焰被一次風(fēng)卷吸、匯合后便使煤粉氣流得到快速加熱、著火。盡管W型火焰鍋爐對(duì)于低揮發(fā)分煤著火與燃盡有較大優(yōu)勢(shì)，但是W型火焰燃燒方式因爐膛火焰集中，又敷有衛(wèi)燃帶以提高爐溫，因此其NO_x排放水平明顯高于具有降低NO_x措施的常規(guī)煤粉燃燒方式（四角燃燒和墻式燃燒），部分W型火焰鍋爐實(shí)測(cè)的干煙氣中NO_x含量達(dá)到1100～1500mg/m3（換算到6%氧量、標(biāo)態(tài)）［5］。

美國(guó)FW公司在W型火焰鍋爐上采用旋風(fēng)分離式旋流燃燒器實(shí)現(xiàn)濃淡燃燒，結(jié)構(gòu)示意見圖2-18。煤粉氣流經(jīng)過分配器后分為兩路各進(jìn)入一個(gè)旋風(fēng)子，來自磨煤機(jī)的煤粉氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離器后形成高濃度的風(fēng)粉流和低濃度的風(fēng)粉流，高濃度風(fēng)粉流經(jīng)過噴嘴呈旋渦狀低速向下進(jìn)入爐膛著火燃燒，從旋風(fēng)子上部引出的低濃度煤粉氣流由空氣噴嘴噴入爐膛燃燒。低濃度煤粉氣流靠高濃度火焰點(diǎn)燃并維持燃燒，而W型火焰有利于引燃高濃度火焰根部，提高著火穩(wěn)定性。對(duì)燃用無煙煤的W型爐膛，需提高煤粉濃度以加強(qiáng)燃燒。

五、流化床低氮燃燒技術(shù)

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是20世紀(jì)70年代末開始出現(xiàn)的清潔煤燃燒技術(shù)，結(jié)構(gòu)示意見圖2-19。循環(huán)流化床燃燒在800～900℃條件下進(jìn)行，由于其中溫燃燒、爐內(nèi)存在大量還原性物料等特點(diǎn)，相較于煤粉鍋爐具有天然的NO_x低排放優(yōu)勢(shì)，一般可以達(dá)到200mg/m3以下［6］。循環(huán)流化床中，燃燒室、分離器及返料器組成主循環(huán)通路。燃料燃燒產(chǎn)生的灰分及脫硫石灰石在系統(tǒng)中累積，在燃燒室下部形成鼓泡床或湍流床，上部形成快速床。下部的大量熱物料為燃料著火提供足夠的熱源，因此對(duì)燃料要求比較寬松。流化過程氣固混合強(qiáng)烈，降低了燃燒或脫硫化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)阻力，加快了反應(yīng)速率。在800～900℃條件下，燃燒比較穩(wěn)定，加入石灰石顆粒，石灰石中的碳酸鈣可以分解成高孔隙率的氧化鈣，進(jìn)而吸收燃燒產(chǎn)生的二氧化硫；此溫度下氮氧化物的生成量顯著下降，另外，低溫燃燒形成的多孔灰顆粒對(duì)重金屬有很強(qiáng)的吸附能力，煙氣中重金屬排放低。循環(huán)流化床是適應(yīng)劣質(zhì)煤的低成本污染控制的潔凈燃燒技術(shù)。