第三節　電廠低NO_x燃燒技術簡述

SCR煙氣脫硝技術與SNCR煙氣脫硝技術都是在鍋爐燃燒生成NO_x以后，用氨來還原NO_x。這不僅增加設備投資和運行維護費用，還可能引起預熱器等鍋爐尾部受熱面的堵塞等。因此，要降低NO_x的排放量，更有效的方法是改進爐內燃燒狀況。

為了控制燃燒過程中NO_x的生成量所采取的措施原則為：①降低過量空氣系數和氧氣濃度，使煤粉在缺氧條件下燃燒；②降低燃燒溫度，防止產生局部高溫區；③縮短煙氣在高溫區的停留時間等。目前，鍋爐燃燒技術的改進主要有：低NO_x燃燒器、空氣分級燃燒、煤粉再燃和煙氣再循環等。

一、空氣分級燃燒

燃燒區的氧濃度對各種類型的NO_x生成都有很大影響。當過量空氣系數α＜1，燃燒區處于“貧氧燃燒”狀態時，抑制NO_x的生成量有明顯效果。根據這一原理，把供給燃燒區的空氣量減少到全部燃燒所需用空氣量的70%左右，從而降低了燃燒區的氧濃度，也降低了燃燒區的溫度水平。因此，第一級燃燒區的主要作用就是抑制NO_x的生成并將燃燒過程推遲。燃燒所需的其余空氣則通過燃燒器上面的燃盡風噴口送入爐膛與第一級所產生的煙氣混合，完成整個燃燒過程。

爐內空氣分級燃燒包括：軸向空氣分級燃燒（OFA方式）和徑向空氣分級燃燒。軸向空氣分級將燃燒所需的空氣分兩部分送入爐膛：一部分為主二次風，占總二次風量的70%～85%，另一部分為燃盡風（OFA），占總二次風量的15%～30%。爐內的燃燒分為3個區域，即熱解區、貧氧區和富氧區。徑向空氣分級燃燒是在與煙氣流垂直的爐膛截面上組織分級燃燒的。它是通過將二次風射流部分偏向爐墻來實現的。空氣分級燃燒存在的問題是二段空氣量過大，會使不完全燃燒損失增大；煤粉爐由于還原性氣氛而易結渣、腐蝕。

采用分級燃燒的方法有：

①在配風方式上使煤粉氣流與“二次風”氣流的混合燃燒分為兩個“區域”進行。在一次燃燒區內煤粉是在“缺氧”（一般控制空氣系數n=0.7～0.75）的工況下進行著火燃燒。一次燃燒區中未燃盡的煤粉顆粒（焦炭）與余下的燃燒空氣（分級二次風）在二次燃燒區進行混合、燃盡。

②燃燒器主風箱中設置一定數量的富裕噴嘴，當煙氣中未燃物上升到排放標準以上時，分別投入運行。

③控制送入爐膛的燃料和風量分配均勻，通過測量把燃料偏差控制在5%以內，風量偏差在10%以內，達到優化燃燒，降低NO_x的目的。

二、煙氣再循環

該技術是把空氣預熱器前抽取的溫度較低的煙氣與燃燒用的空氣混合，通過燃燒器送入爐內從而降低燃燒溫度和氧的濃度，達到降低NO_x生成量的目的。存在的問題是由于受燃燒穩定性的限制，一般再循環煙氣率為15%～20%，投資和運行費較大，占地面積大。

三、低NO_x燃燒器

通過特殊設計的燃燒器結構（LNB）及改變通過燃燒器的風煤比例，以達到在燃燒器著火區空氣分級、燃燒分級或煙氣再循環法的效果。在保證煤粉著火燃燒的同時，有效地抑制NO_x的生成。如濃淡煤粉燃燒方式為：在煤粉管道上的煤粉濃縮器使一次風分成水平方向上的濃淡兩股氣流，其中一股為煤粉濃度相對較高的煤粉氣流，含大部分煤粉；另一股為煤粉濃度相對較低的煤粉氣流，以空氣為主。低NO_x燃燒器見圖3-16。

我國低NO_x燃燒技術起步較早，國內新建的300MW及以上火電機組已普遍采用LNBs技術。對現有100～300MW機組也開始進行LNB技術改造。采用LNB技術，只需用低NO_x燃燒器替換原來的燃燒器，燃燒系統和爐膛結構不需要作任何更改。

國外開發的低NO_x燒煤燃燒器包括：

1.墻置式分級混合燒煤燃燒器

燃燒器為圓形墻置式，前后墻對沖布置的軸向旋流燃燒器，從燃燒器中心管圓形截面流出的是中心二次風。燃燒器燒油時才投入中心二次風，燒煤時其中心二次風擋板幾乎處于關閉狀態。煤粉一次風氣流是由環行截面噴入爐膛。除中心風外，剩下的二次風分成周界風和分級風兩部分。周界風的環行噴口處于煤粉噴口的外側，兩者同心。分級風的噴口布置在燃燒器外圍，該噴口可以是圓形的也可以是縫隙式。分級風用擋板進行調節。煤粉一次風和周界風在燃燒器出口附近形成一個低于理論空氣量運行的一次燃燒區。而分級風以分股射流的方式從一次火焰外部噴入燃盡區，保證了煤粉的完全燃燒。

某電站0.7萬千瓦燃煤鍋爐改裝為分級混合燃燒器后，滿負荷運行時，當分級風接近關閉時，測得鍋爐的NO_x排放量為550mg/m³，投用分級風后，當控制一次燃燒區的空氣系數為n₁=0.9時，NO_x排放量為335mg/m³，約減少了40%；當n₁=0.75時，NO_x排放量為270mg/m³，約減少了50%。

2.多股火焰燃燒器

該燃燒器采用兩層二次風，煤粉一次風氣流經環行通道噴出四股射流，每股射流各自形成火焰。此燃燒器一次風的多股噴射和二次風的雙層配風方式，能保證在噴口6.83～3.05m的范圍內，燃燒區的空氣量維持在60%～70%的理論空氣量。預期的鍋爐的NO_x排放量為0.2lb/10⁶Btu（150～155mg/m³）。

3.DMB燃燒器

具有3個同心的環行噴口、中心煤粉一次風噴口和內外層雙調風器的二次風噴口。以上3個噴口供給的風量總和為70%的理論空氣量。另外，在燃燒器的周圍布置了幾個空氣噴嘴，引入的三次空氣量使鍋爐爐膛具有20%的空氣過剩量，用以保證煤粉顆粒的燃盡。預期的鍋爐的NO_x排放量為0.45lb/10⁶Btu。

4.SGR煤粉燃燒器

其結構是煤粉一次風噴嘴與輔助二次風噴嘴相間布置，與傳統的切向燃燒器相比，SGR煤粉燃燒器在結構上具有如下特點：

①在煤粉噴嘴的上下方各布置一個再循環煙氣分隔（SGR）噴嘴，通過SGR噴嘴向爐膛噴入再循環煙氣。

②由于SGR噴嘴的存在，使煤粉隔倉和輔助三次風的間距加大。

③SGR的煤粉噴嘴出口是漸擴型，用以保證煤粉氣流靠近噴嘴出口發生著火，并起著穩定火焰的作用。

④SGR射流對一、二次風射流的分隔作用，把煤粉的燃燒過程分為兩個燃燒區，它的NO_x排放量是一次燃燒區生成的（NO_x）p和二次燃燒區生成的（NO_x）s的總和。預期鍋爐的NO_x排放量為0.2lb/10⁶Btu。

5.HTNR低NO_x燒煤燒器

HTNR燃燒器的火焰能提供使主燃區生成的部分NO_x在火焰中再度被還原的必要條件，從而降低火焰中的NO_x。

6.切向燃煤PM（polution minimun，污染物最少型）燃燒器

切向燃煤PM燃燒器的關鍵部位是分離器（見圖3-17），它由靠近燃燒器的一次風管的一個彎頭及兩個噴口組成。煤粉氣流流過分離器時進行簡單的慣性分離，富粉流進入上噴口，貧粉流進入下噴口，實行濃淡分離。此外，如果在PM燃燒器上部設置頂部燃盡風噴口，使PM燃燒器區域處于富燃區，頂部燃盡風噴口處于燃盡區，形成分級燃燒，可使NO_x進一步降低。所以，PM燃燒器實際上是集煙氣再循環、分級燃燒和濃淡燃燒于一體的低NO_x燃燒系統。這種燃燒器的NO_x生成量較SGR燃燒器的低，比常用的直流燃燒器煤粉火焰更低，因而稱為污染物最少型燃燒器。據報道，PM燃燒器的NO_x值為：燒氣為30mg/m³，燒油為80mg/m³，燒煤為150mg/m³。與常規燃燒器相比，PM燃燒器可使NO_x的生成量減少60%。

7.A-PM燃燒器

A-PM燃燒器主要的特征為：用內置式煤粉濃淡分離器，形成煤粉濃淡分布，大寬度燃燒器，分割式燃燒器風箱代替常用的整體式燃燒器風箱，減少燃燒器噴嘴數。

其原理是希望在PM燃燒器基礎上進一步降低NO_x。在燃燒器著火區，一次風煤粉濃淡分離后，把濃粉氣流集中分布在外側，并增大燃燒器寬度來增加從周圍吸收熱量，目的是實現低空氣比和高溫環境；在燃燒器到燃盡區，除了要低的空氣比和提高溫度，還要求風粉混合良好，并加長停留時間，采取的措施是將燃燒器風箱分割開使爐膛高度方向的空氣分割，來實現爐內流動的最佳化，并擴大NO_x還原區；燃盡區以后，要求低溫、低空氣比，而且還得防止產生高飛灰含碳可燃物，因此需特別均勻地降低爐內空氣比，使氧氣擴散均勻。

8.WR燃燒器

WR型直流燃燒器（見圖3-18）利用離心力分離作用，使得彎頭處風粉分離，通過隔板保持風粉分離狀態，隔板前端波型擴流錐、噴口可擺動。WR型直流燃燒器是為改善燃煤鍋爐低負荷著火和穩燃性能而研制開發出來的，同時實現煤粉上下濃淡。

9.DRB系列燃燒器

DRB：雙調風燃燒器（dual register burner），美國B＆W公司1972年研制成功，北京巴威公司引進。

衍生產品：

（1）EI-DRB型燃燒器　強化著火雙調風燃燒器（enhanced ignition -dual register burner，EI-DRB）。較DRB型減小了一次風動量，其他無區別。

（2）DRB-XCL型燃燒器　雙調風燃燒器-軸向控制低NO_x（dual register burner-Axial control low NO_x，DRB-XCL）。較DRB和EI-DRB型，二次風由徑向進風改為軸向進風和控制。

（3）DRB-4Z型旋流燃燒器　較DRB-XCL型在一次風和內二次風之間增加了一層直流二次風。

（4）DRB-4ZTM型旋流燃燒器　和上面三種比較增加了總風量可測量和控制功能。

特點：所有型號均無中心大油槍，但在彎頭后燃燒器入口處設有錐形擴散器。

DRB系列燃燒器見圖3-19。

四、煤粉再燃

（一）煤粉再燃燃燒技術機理

燃料燃燒過程中，將燃燒分成3個區域：一次燃燒區，為氧化性或稍還原性氣氛；在第二燃燒區，為還原性氣氛，將二次燃料送入，則生成CH基團，這些基團與一次燃燒區內生成的NO反應，最終生成N₂；這個區域通常稱為再燃燒區，二次燃料則稱為再燃燃料，最后送入二次風，使燃料完全燃燒，因此，稱為燃盡區，這就是再燃燒技術的機理。圖3-20為再燃過程示意圖，圖3-21所示為煤粉再燃技術原理。

（二）再燃燃料的選取

根據再燃的原理，再燃區的還原性氣氛中最利于NO_x還原的成分是烴（CH_i），因此，選擇二次燃料時應采用能在燃燒時產生大量烴根而又不含氮類的物質。丙烷和其他燃料相比，能最有效地降低NO_x，這是因為丙烷能產生大量烴根而沒有額外的氮類成分。而在所有燃料中，氫氣降低NO_x的效果最差，因為它本身不能產生烴根，是與用天然氣、油和煤作為二次燃料時降低NO_x濃度效果的比較。顯然，天然氣是最有效的二次燃料。研究還表明，氣態烴燃料還原NO_x的能力隨著烴分子中碳原子數目的增加而增加，因此，氣態烴是最好的二次燃料。

再燃燃料作為二次燃料，一般是在還原性氣氛中燃燒，對于鍋爐爐膛來說，一般都是在爐膛的燃燒區的上部，因此，再燃燃料必須易著火，易燃盡。

（三）三次風煤粉作為再燃燃料的可能性分析

根據測試發現，三次風煤粉粒度比一次風煤粉粒度明顯要小（見表3-1），易著火，易燃盡，比較適合再燃燃料的要求。

另外，對于鍋爐膛內的燃燒工況而言，當三次風投入時，相當于增設了頂部燃燒區，實行分級燃燒，在燃燒器區域形成富燃區，三次風噴嘴附近形成燃盡區，使排放量降低，此外，含粉三次風還可起到還原已生成NO_x的作用，使NO_x進一步下降。當然，使用三次風細粉再燃降低NO_x的方法也會出現一定的問題，如磨煤乏氣中煤粉燃燒火焰長度不足，飛灰可燃物含量增加，火焰中心上移，引起出口結渣、過熱器超溫等不良現象。

但是通過改造三次風將其作為再燃燃料送入爐膛，實行再燃燒技術還是值得研究的。由于三次風含粉量較少（占總粉量的10%～15%），為滿足再燃區過量空氣系數α₂＜1的要求，必須對三次風進行濃縮。只要濃縮后的三次風噴入爐膛后，形成富燃料的二次燃燒區（即再燃區），就可生成大量CH基團，這些基團與主燃燒區生成的NO_x發生反應，最終生成N₂，即可降低NO_x的排放量。這就是說，將原有的燃燒方式改造成再燃燃燒方式。這對我國大量的中間儲倉式熱風送粉鍋爐是值得考慮的。

五、立體分級燃燒技術

立體分級燃燒技術屬于“風包粉”系列煤粉燃燒技術，其精髓在于把煤粉鍋爐爐內垂直空氣分級燃燒、水平空氣分級燃燒與水平燃料分級有機地結合起來，形成新的低氮燃燒方式。

水平燃料分級通過裝設在一次風煤粉管道上的高濃縮比的煤粉分離器使一次風分成水平方向上的濃淡兩股氣流，濃煤粉氣流在向火側噴入爐膛，在爐膛中心組織富燃料燃燒，有效降低NO_x排放，淡煤粉氣流在前者和水冷壁之間噴入，在爐膛水冷壁附近區域組織貧燃料燃燒，形成氧化氣氛。側二次風進一步增強一次風射入爐內深處的能力，增強水冷壁表面的氧化性氣氛。中二次風水平偏轉，不僅推遲二次風的混入時間，還進一步改善爐膛水冷壁附近的反應條件，提高灰的熔化溫度，防止結渣和高溫腐蝕。

同時通過立體分級布置，在整個爐膛內形成強還原性的主燃核心區，弱還原或弱氧化性的主燃外環區，以及強氧化性的燃盡區，充分利用燃燒中心區強還原性氣氛能夠大幅度降低NO_x排放、水冷壁附近的氧化性氣氛有利于防止結渣和高溫腐蝕，以及水平濃淡風燃燒方式穩燃能力強、燃燒效率高的特點，成功地解決傳統燃燒方式實現煤粉的高效、穩燃、防止結渣和高溫腐蝕以及低NO_x排放各項要求的技術措施之間的矛盾，實現了優良的鍋爐運行性能。

圖3-22所示為水平濃淡煤粉燃燒，圖3-23所示為爐內垂直分級燃燒。

六、技術特點

（一）多層高位燃盡風技術

①燃盡風噴口布置原則：煤粉顆粒由主燃區至燃盡區需大于最小停留時間；同時考慮現場布置條件，確定距離燃燒器最上層一次風噴口中心距離。

②燃盡風的風量選取：考慮在主燃區揮發分氮和焦炭氮的分配比例，達到NO→N₂最佳的轉化效果。

③保證出口風速和爐內混合充分，采用多層、多點布置形式。

（二）多層供風水平濃淡燃燒

1.水平濃淡分離一次風

在一次風噴口之前管道內，采用經過詳細研究和優化第三代百葉窗式煤粉濃縮器。煤粉與氣流慣性分離，分別形成兩股濃、淡煤粉氣流。

2.采用多層水平分離配風技術

淡煤粉氣流在背火側噴入爐膛，形成外側假想切圓。剛性強的位置側二次風在背火側投入，將進一步強化淡煤粉形成的氧化性氣氛。

水平濃淡燃燒技術的使用范圍和性能見表3-2。

（三）新一代高濃縮比、低阻力可調式百葉窗煤粉濃縮技術

水平濃縮燃燒關鍵技術——第三代百葉窗煤粉濃縮技術，其特點有：

1.參數得到進一步優化

①優異低流動阻力特性，局部阻力系數小于2；

②高煤粉濃縮比，濃縮率可達1.6～2.0以上；

③濃淡噴口出口氣流流量分配更為均勻，濃淡風速比1.0～1.2。

2.葉片相互搭配結構得到進一步優化

氣固流動特性和出口氣流速度分布更為合理，有效減輕對易磨損部位沖刷強度和葉間局部阻力損失。

3.制造工藝進一步簡化和成熟

易磨部位均為高硬度耐磨材料，采用特殊熔鑄工藝與濃縮本體連接，實現了高耐磨性能同時具有很強抗脈動溫度應力能力。

表3-3所列為煤粉濃縮器的性能比較。

（四）水平濃淡保證高效燃燒和防結渣與高溫腐蝕

1.垂直濃淡煤粉燃燒

①爐內垂直方向上氣流混合明顯弱于水平方向混合，會引起燃燒后期焦炭燃盡率差，燃燒效率降低。

②濃一次風煤粉氣流直接貼近水冷壁流動，會引起結渣、高溫腐蝕。

2.水平濃淡煤粉燃燒

水平方向上氣流混合強烈，濃度低的淡煤粉氣流貼近壁面流動，使壁面氧化性氣氛增加，有利于避免燃燒效率低、結渣和腐蝕問題。

（五）適應寬范圍煤種變化，保證鍋爐高效安全運行

1.燃燒穩定性好

濃煤粉側煤粉濃度高達0.8～1.2kg/kg，其著火溫度降低，著火誘導時間縮短了，煤粉氣流著火熱大幅減少，火焰傳播速度提高了，使一次風的著火、燃燒穩定性增強，具有良好低負荷穩燃能力。

2.煤種適應性強

煤粉濃度提高，對一些熱值低、揮發分低及灰分大的劣質煤能保持強穩燃能力和高燃燒效率。V_daf在5%～50%，Q_net，ar在2700～6000kcal/kg（1kcal=4.2kJ）范圍內均可很好燃用。

（六）有效調節蒸汽溫度，保證鍋爐高效安全運行

①水平濃淡燃燒器具有一次風著火早、火焰穩定性強特點，與燃盡風供入相配合，對于改造鍋爐將使爐膛火焰燃燒中心適中。

②在主燃燒器區上部采用多層高位燃盡風噴口，噴口可以水平和垂直方向擺動一定角度，使燃盡風出口氣流在爐內形成一定反切角度，起到削旋作用，減少爐膛左右側出口煙溫偏差。圖3-24所示為燃盡風垂直擺動對NO_x排放的影響，圖3-25所示為燃盡風水平擺動對煙溫偏差的影響。

（七）微量油直接點火水平濃淡煤粉燃燒器技術

采取氣化小油槍直接點燃濃煤粉氣流：

①穩燃性能好，即節約啟動用油，又節約低負荷助燃油；

②節約啟動燃油60%～90%；

③低NO_x排放，特別是在正常運行時。

（八）二次風水平擺動保證低NO_x排放與安全性同時實現

①獲得了二次風偏角對煤粉氣流主速度、其衰減和濃度的影響。

②水冷壁表面附近的氧濃度。

③保證NO_x排放、高燃燒效率。

④水平擺動二次風，適應煤質、負荷的變化。