电厂锅炉低NO_X燃烧技术的探讨 周炜，李戈
浙江省电力公司，浙江杭州310007

0  前言
　　燃煤燃烧过程中排放的NO_X气体是危害大，且较难处理的大气污染物，它不仅刺激人的呼吸系统，损害动植物，破坏臭氧层，而且也是引起温室效应、酸雨和光化学反应的主要物质之一。我国是燃煤大国，开展对降低NO_X排放的治理具有十分重要的意义。
　　国内外在降低锅炉NO_X排放方面进行的工作大致可分为以下3个方面：
    （1）锅炉燃烧技术的改进。
    （2）无催化情况下向炉内喷氨水。
    （3）有催化物的氨水喷射系统。
　　后两类技术都是在锅炉燃烧生成NO_X以后，用氨来还原NO_X。这不仅增加设备投资和运行维护费用，还可能引起预热器等锅炉尾部受热面的堵塞等。因此，要降低NO_X的排放量，更有效的方法是改进炉内燃烧状况。
1  燃烧技术的改进措施
　　目前，锅炉燃烧技术的改进主要有：低NO_X燃烧器；分段燃烧技术；炉膛内降低NO_X技术和烟气再循环等。有关资料表明，综合考虑NO_X值和成本两个方面，使用低NO_X燃烧器和炉膛内降低NO_X是既经济又最有效方法。炉膛内降低NO_X技术包括：
    （1）采用分级混合燃烧，降低氧浓度和燃烧温度以及将燃烧器喷嘴出口燃料分为浓稀两相。在主燃烧器实行低氧，低温燃烧降低NO_X生成。在燃烧器顶部设置燃烬风喷嘴（OFA），配以不同的风量，燃尽在主燃烧区低氧条件下产生的未燃气体和碳份。分级燃烧主要使燃烧完全和降低NO_X排放为最佳。
    （2）采用分级配风的方法有：
　　1）在配风方式上使煤粉气流与“二次风”气流的混合燃烧分为两个“区域”进行。在一次燃烧区内煤粉是在“缺氧”（一般控制空气系数n＝0．7～0．75）的工况下进行着火燃烧。一次燃烧区中未燃尽的煤粉颗粒（焦碳）与余下的燃烧空气（分级二次风）在二次燃烧区进行混合、燃尽。
　　2）燃烧器主风箱中设置一定数量的富裕喷嘴，当烟气中未燃物上升到排放标准以上时，分别投入运行。
　　（3）控制送入炉膛的燃料和风量分配均匀，通过测量把燃料偏差控制在5％以内，风量偏差在10％以内，达到优化燃烧，降低NO_X的目的。
2  国外开发的低NO_X烧煤燃烧器
　　（1）墙置式分级混合烧煤燃烧器（西德斯坦因缪勒公司生产）
　　燃烧器为圆形墙置式，前后墙对冲布置的轴向旋流燃烧器，从燃烧器中心管圆形截面流出的是中心二次风。燃烧器烧油时才投入中心二次风，烧煤时其中心二次风挡板几乎处于关闭状态。煤粉一次风气流是由环行截面喷入炉膛。除中心风外，下剩的二次风分成周界风和分级风两部分。周界风的环行喷口处于煤粉喷口的外侧，两者同心。分级风的喷口布置在燃烧器外围，该喷口可以是圆形的也可以是缝隙式。分级风用挡板进行调节。煤粉一次风和周界风在燃烧器出口附近形成一个低于理论空气量运行的一次燃烧区。而分级风以分股射流的方式从一次火焰外部喷入燃尽区，保证了煤粉的完全燃烧。
　　Weihen电站0．7万kW燃煤锅炉改装为分级混合燃烧器后，满负荷运行时，当分级风接近关闭时，测得锅炉的NO_X排放量为550 mg／m³，投用分级风后，当控制一次燃烧区的空气系数为n₁＝0．9时，NO_X排放量为335 mg／m³，约减少了40％；当n₁＝0．75时，NO_X排放量为270 mg／m³，约减少了50％。
　　（2）多股火焰燃烧器（美国福斯特惠勒（FW）公司生产）
　　该燃烧器采用两层二次风，煤粉一次风气流经环行通道喷出四股射流，每股射流各自形成火焰。此燃烧器一次风的多股喷射和二次风的双层配风方式，能保证在喷口6．83～3．05 m的范围内，燃烧区的空气量维持在60％～70％的理论空气量。预期的锅炉的NO_X排放量为0．21 b／10⁶ Btu（150～155mg／m³）。
　　（3）DMB燃烧器（美国能源和环境研究所（EER）生产）
　　具有3个同心的环行喷口中心煤粉一次风喷口和内外层双调风器的二次风喷口。以上3个喷口供给的风量总和为70％的理论空气量。另外，在燃烧器的周围布置了几个空气喷嘴，引入的三次空气量使锅炉炉膛具有20％的空气过剩量，用以保证煤粉颗粒的燃尽。预期的锅炉的NO_X排放量为0．451b／10⁶ Btu。
    （4）SGR煤粉燃烧器（日本三菱重工生产）
　　其结构是煤粉一次风喷嘴与辅助二次风喷嘴相间布置，与传统的切向燃烧器相比，SGR煤粉燃烧器在结构上具有如下特点：
　　1）在煤粉喷嘴的上下方各布置一个再循环烟气分隔（SGR）喷嘴，通过SGR喷嘴向炉膛喷入再循环烟气。
    2）由于SGR喷嘴的存在，使煤粉隔仓和辅助
三次风的间距加大。
　　3）SGR的煤粉喷嘴出口是渐扩型，用以保证煤粉气流靠近喷嘴出口发生着火，并起着稳定火焰的作用。
　　SGR射流对一、二次风射流的分隔作用，把煤粉的燃烧过程分为两个燃烧区，它的NO_X排放量是一次燃烧区生成的（NO_X）p和二次燃烧区生成的（NO_X）s的总和。预期锅炉的NO_X排放量为0．21b／10⁶ Btu（150～155 mg／m³）。
　　（5）HTNR低NO_X烧煤烧器（荷兰拔伯葛－日立公司生产）
　　HTNR燃烧器的火焰能提供使主燃区生成的部分NO_X在火焰中再度被还原的必要条件，从而降低火焰中的NO_X。
　　（6）切向燃煤PM（Polution Minimun）燃烧器（三菱重工研制）
　　三菱重工研制的切向燃煤PM燃烧器，PM燃烧器的关键部位是分离器，它由靠近燃烧器的一次风管的一个弯头及两个喷口组成。煤粉气流流过分离器时进行简单的惯性分离，富粉流进入上喷口，贫粉流进入下喷口，实行浓淡分离。此外，如果在PM燃烧器上部设置顶部燃烬风喷口，使PM燃烧器区域处于富燃区，顶部燃烬风喷口处于燃烬区，形成分级燃烧，可使NO_X进一步降低。所以，PM燃烧器实际上是集烟气再循环、分级燃烧和浓淡燃烧于一体的低NO_X燃烧系统。这种燃烧器的NO_X生成量较SGR燃烧器的低，比常用的直流燃烧器煤粉火焰更低，因而称为污梁物最少型燃烧器。　　据报导，PM燃烧器的NO_X值为：烧气为30mg／m³，烧油为80 mg／m³，烧煤为150 mg／m³。与常规燃烧器相比，PM燃烧器可使NO_X的生成量减少60％。
    （7）A－PM燃烧器（三菱重工研制）A－PM燃烧器主要的特征为：
　　1）用内置式煤粉浓淡分离器，形成煤粉浓淡分布。
    2）大宽度燃烧器。
　　3）分割式燃烧器风箱代替常用的整体式燃烧器风箱。
    4）减少燃烧器喷嘴数。
　　其原理是希望在PM燃烧器基础上进一步降低NO_X。在燃烧器着火区，一次风煤粉浓淡分离后，把浓粉气流集中分布在外侧，并增大燃烧器宽度来增加从周围吸收热量，目的是实现低空气比和高温环境；在燃烧器到燃尽区，除了要低的空气比和提高温度，还要求风粉混合良好，并加长停留时间，采取的措施是将燃烧器风箱分割开使炉膛高度方向的空气分割，来实现炉内流动的最佳化，并扩大NO_X还原区；燃尽区以后，要求低温、低空气比，而且还得防止产生高飞灰含碳可燃物，因此需特别均匀地降低炉内空气比，使氧气扩散均匀。
3  用煤粉再燃降低NO_X的技术
    （1）煤粉再燃燃烧技术机理
　　燃料燃烧过程中，将燃烧分成3个区域：一次燃烧区，为氧化性或稍还原性气氛；在第二燃烧区，为还原性气氛，将二次燃料送入，则生成CH基团，这些基团与一次燃烧区内生成的NO反应，最终生成N₂；这个区域通常成为再燃烧区，二次燃料别称为再燃燃料，最后送入二次风，使燃料完全燃烧，因此，成为燃尽区，这就是再燃烧技术的机理。
    （2）再燃燃料的选取
　　根据再燃的原理，再燃区的还原性气氛中最利于NO_X还原的成分是烃（CHi），因此，选择二次燃料时应采用能在燃烧时产生大量烃根而又不含氮类的物质。丙烷和其它燃料相比，能最有效地降低NO_X，这是因为丙烷能产生大量烃根而没有额外的氮类成分。而在所有燃料中，氢气降低NO_X的效果最差，因为它本身不能产生烃根是用天然气、油和煤作为二次燃料时降低NO_X浓度效果的比较。显然，天然气是最有效的二次燃料。研究还表明，气态烃燃料还原NO_X的能力随着烃分子中碳原子数目的增加而增加，因此，气态烃是最好的二次燃料。
　　再燃燃料作为二次燃料，一般是在还原性气氛中燃烧，对于锅炉炉膛来说，一般都是在炉膛的燃烧区的上部，因此，再燃燃料必须易着火，易燃尽。
    （3）三次风煤粉作为再燃燃料的可能性分析统，改进的成本的运行的安全性都不方便。根据测试发现，三次风煤粉粒度比一次风煤粉粒度明显要小（如表1所示），易着火，易燃烬，比较适合再燃燃料的要求。

    另外，对于锅炉膛内的燃烧工况而言，当三次风投入时，相当于增设了顶部燃烧区，实行分级燃烧，在燃烧器区域形成富燃区，三次风喷嘴附近形成燃尽区，使排放量降低，此外，含粉三次风还可起到还原已生成NO_X的作用，使NO_X进一步下降。当然，使用三次风细粉再燃降低NO_X的方法也会出现一定的问题，如磨煤乏气中煤粉燃烧火焰长度不足，飞灰可燃物含量增加，火焰中心上移，引起出口结渣，过热器超温等不良现象。
    但是通过改造三次风将其作为再燃燃料送入炉膛，实行再燃烧技术还是值得研究的。由于三次风含粉量较少(占总粉量的10%-15%)，为满足再燃区过量空气系数a₂<1的要求，必须对三次风进行浓缩。只要浓缩后的三次风喷入炉膛后，形成富燃料的二次燃烧区(即再燃区)，就可生成大量CH基团，这些基团与主燃烧区生成的NO_X发生反应，最终生成N₂，即可降低NOX的排放量。这就是说，将原有的燃烧方式改造成再燃燃烧方式。这对我国大量的中间储仓式热风送粉锅炉是值得考虑的。
参考文献:
 [1] 曾汉才。燃烧与污染[M]。武汉:华中理工大学出版社，1992.
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