第二節　低氮燃燒技術

一、爐內整體低氮燃燒技術

1.低過量空氣系數燃燒

煤粉燃燒過程中NO_x排放隨著過量空氣系數降低而降低，因此工程上通過控制爐內低過量空氣系數來控制NO_x排放。低過量空氣系數燃燒一般不需要對鍋爐燃燒設備進行結構調整，運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，該技術一般可降低NO_x 10%～20%。由于爐內整體空氣量減少，鍋爐在較低的過量空氣系數下運行，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，導致燃燒效率降低。此外，低氧濃度會使爐膛內的某些區域，尤其是水冷壁附近，形成較強烈還原性氣氛，從而引起爐壁結渣和腐蝕。因此如果在運行過程中實施低氧燃燒，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行過程中的最佳氧量。

2.空氣分級燃燒

空氣分級燃燒技術是目前世界上采用最為廣泛的低NO_x燃燒技術之一。空氣分級燃燒的基本原理是將燃燒過程分成一次燃燒區域和二次燃燒區域兩段進行。它通過將燃燒所需的空氣分級送入爐內，降低鍋爐一次燃燒區域的氧氣濃度，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降低，從而降低主燃燒區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，就是將一部分空氣在主燃燒區上部送入爐內，與主燃燒區產生的煙氣混合實現完全燃燒。燃料的燃燒過程在爐內分級進行，從而控制燃燒過程中NO_x的生成反應，降低爐膛出口NO_x排放濃度。

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

3.燃料分級

烴類物質噴入含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。

燃料分級燃燒通常沿爐膛高度自下而上分為主燃區、再燃區和燃盡區3個區域。在主燃區投入燃料占鍋爐總輸入熱量的75%～90%，該區域的過量空氣系數通常大于1，生成NO_x；在再燃區投入占鍋爐總輸入熱量的10%～25%，該區域的過量空氣系數小于1，在還原性氣氛下再燃燃料釋放的烴根（CH_i）將主燃區生成的NO_x還原為N₂；在再燃區上部布置有SOFA噴口從而形成燃盡區，對在再燃區中產生的未燃盡產物進一步燃盡，該區域的過量空氣系數大于1。1983年日本三菱重工將天然氣再燃技術應用于電站鍋爐，取得了50%的爐內脫硝效果。

在燃料分級燃燒過程中，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）含量與中間產物NH_i含量對NO的還原過程有較大影響。

4.煙氣再循環

煙氣再循環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或與一、二次風混合后送入爐內，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系統示意。用于再循環的煙氣與不采用再循環時總煙氣量的比值稱為再循環率。通常煙氣再循環率越高，降低NO_x的效果越明顯。但是，過多的再循環煙氣可能導致火焰的不穩定及蒸汽超溫等現象，因此在采用煙氣再循環時，再循環率一般不宜超過20%。在燃煤鍋爐上單獨利用煙氣再循環措施，得到的NO_x脫除率通常在25%以內，一般都與其他低NO_x燃燒技術聯合使用。

日本三菱公司在直流煤粉燃燒器上應用煙氣再循環技術開發了SGR型煙氣再循環燃燒器，如圖2-7所示。再循環的煙氣不與空氣混合，而是直接送至燃燒器，在一次風煤粉空氣混合噴口上、下各裝有再循環煙氣噴口，因煙氣吸熱和氧的稀釋，在一次風噴口附近形成還原性氣氛，使燃燒速度和燃燒區溫度降低，抑制了NO_x的生成。對運行機組采用煙氣再循環技術需要加裝再循環風機和循環煙氣管道，對鍋爐場地條件有一定限制；同時系統復雜度增加，投資增大。

二、直流低氮燃燒器技術

燃燒器是鍋爐設備的重要組成部分。一方面，它對鍋爐的可靠性和經濟性起著決定性的作用；另一方面，從NO_x的生成機理來看，燃料型NO_x占據煤粉鍋爐NO_x生成量的絕大部分，是在煤粉著火階段產生的。因此，通過對燃燒器進行特殊設計，改變燃燒器風煤比，適當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，在此基礎上有效地抑制NO_x的生成。20世紀50年代以后，低NO_x燃燒器相繼被研制出來，在此基礎上進行的研究取得了長足的發展。世界各大鍋爐公司發展了不同類型的低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、二次風占入爐總風量的70%～80%，以維持主燃燒器區域過量空氣系數小于1，其余風量通過主燃燒器區上部布置的分離燃盡風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節比燃燒器，是ABB-CE公司為改善燃煤鍋爐低負荷運行時的著火穩定性能而研制出來的一款四角切圓直流燃燒器。其主要結構如圖2-8所示，它主要由入口彎管、水平隔板、V形穩燃鈍體以及擺動式噴嘴等組成。一次風煤粉混合物流經彎頭時，由于煤粉和空氣慣性力不同，通過彎頭后產生濃淡偏差的兩相，噴嘴體內設置的水平隔板可以隔離兩相保持濃淡偏差，這樣進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形穩燃鈍體以形成穩定的回流區促進低負荷運行或劣質煤燃燒的著火穩定性。通過調節一次風周圍設置的周界風可以適應煤種的變化，同時也有利于防止結渣和高溫腐蝕。

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，其關鍵部件是煤粉分配部件，它由一次風彎頭、濃煤粉噴口以及淡煤粉噴口組成，一次風煤粉氣流流經彎頭時在慣性力的作用下進行分離，濃煤粉進入布置在上部的濃相噴口，淡煤粉進入布置在下部的淡相噴口，從而在進入爐膛后實現上下濃淡偏差燃燒。PM型燃燒器NO_x生成規律與普通燃燒器的比較如圖2-10所示。淡相煤粉燃燒時空氣/煤粉化學當量比較高，由于空氣相對較多，噴口附近火焰溫度較低，有利于著火穩定性以及熱力型NO_x的抑制；濃相煤粉燃燒時空氣/煤粉化學當量比較低，噴口附近形成的強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構［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流擋板控制噴口左右側煤粉濃度，在進入爐膛后在噴口附近實現一次風水平濃淡燃燒。濃淡燃燒的基本思想通常是將一次風分成濃淡兩股氣流，濃煤粉氣流是富燃料燃燒，揮發分析出速度加快，造成揮發分析出區缺氧，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當量比，既確保了燃燒初期的高溫還原性火焰不過早與二次風接觸，使火焰內的NO_x的還原反應得以充分進行，同時揮發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

旋流煤粉燃燒器往往應用于前墻布置和前后墻對沖布置鍋爐。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B&W公司自1971年起研發了一系列的DRB型旋流煤粉燃燒器，DRB-4Z型旋流煤粉燃燒器結構可見圖2-12。其二次風采用內外兩個調風器，又稱為雙調風低NO_x燃燒器。在傳統的雙調風燃燒器的基礎上增加了一個直流風通道，通過一次風噴口周圍送入。其煤粉氣流為不旋轉的直流射流，一次風管四周與內二次風混合形成濃煤粉著火燃燒區域，有利于降低燃料型NO_x的生成。由于外二次風旋流強度較低，比例較大，可以降低火焰溫度，對采用該燃燒器的火焰溫度測量結果顯示，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，大量的外二次風有利于保護水冷壁，防止結渣、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FW公司于1979年推出的，主要特點是將一次風分為四股，擴大煤粉氣流與高溫煙氣的接觸面積。在優化了空氣/燃料輸送系統后，FW公司推出了VF/SF型旋流煤粉燃燒器，其結構如圖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用經驗。通過布置內外雙調風結構可以實現燃燒器空氣分級。而分離火焰噴口能夠強化著火并起到燃料分級的作用。

3. DS型旋流煤粉燃燒器

德國Bobcock公司推出DS型旋流煤粉燃燒器，其結構如圖2-14所示。采用截面積較大的中心風管，減緩了中心風速，保證回流區的穩定；增大一次風射流的周界長度和一次風煤粉氣流同高溫煙氣的接觸面積，提高了煤粉的著火穩定性；在一次風道內安裝了旋流導向葉片，使一次風產生旋流，并將噴口設計成外擴型；煤粉噴口加裝了齒環形穩燃器；在外二次風的通道中則采用各自的擴張形噴口，以使內、外二次風不會提前混合；內、外二次風道為切向進風蝸殼式結構，保證燃燒器出口斷面空氣分布均勻，增加了優化燃燒所具備的旋流強度。

4.HT-NR型旋流煤粉燃燒器

日本巴布科克-日立公司在DRB型雙調風旋流煤粉燃燒器的基礎上研發了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代結構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燃燒方式，一次風噴口附近外濃內淡的煤粉分布形式有利于NO_x還原區的形成，NO_x具有能夠快速轉變成氣相的特點，火焰內NO_x還原被加速，從而有助于降低爐內燃料型NO_x排放。

5. OPTI-FLOW型旋流煤粉燃燒器

美國ABT（先進燃燒技術）公司于20世紀90年代提出帶梅花型一次風噴口的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噴口強化著火，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分釋放比例，在大幅降低燃料型NO_x生成量的同時，提升低氮燃燒模式下火焰燃燒穩定性。燃燒器結構如圖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，為解決傳統雙調風低氮旋流燃燒器推遲著火設計導致的燃盡性差的問題而提出。該型燃燒器煤粉氣流內、外兩側皆有二次風，使得煤粉燃燒形成穩定、強烈火焰，加速燃燒初期揮發分的釋放。燃燒器出口形成富燃料氣氛強化燃燒是該型燃燒器實現高效低氮燃燒的關鍵。燃燒器結構示意見圖2-17。

從全國投運的前后對沖低氮旋流煤粉燃燒器調查結果看：目前引進技術的旋流煤粉燃燒器主要適合燃燒煙煤。對于貧煤、劣質煙煤等高灰分煤，這些燃燒器都或多或少存在煤粉著火不及時，燃盡率差的問題，而且爐膛兩側墻都存在較嚴重的高溫腐蝕問題。這說明，這些引進技術旋流煤粉燃燒器并不是很適合燃燒國內低揮發分、高灰分、低熱值煤種。還非常有必要開發適合國內劣質煤的強卷吸低溫低氮旋流煤粉燃燒器，并依據煤質的變化量體裁衣設計。

四、W型火焰低氮燃燒技術

為滿足低揮發分煤（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，然后再折返向上運動，呈W型火焰，其經歷的行程較長，當火焰運動至噴口處時，火焰溫度較高，這一高溫火焰被一次風卷吸、匯合后便使煤粉氣流得到快速加熱、著火。盡管W型火焰鍋爐對于低揮發分煤著火與燃盡有較大優勢，但是W型火焰燃燒方式因爐膛火焰集中，又敷有衛燃帶以提高爐溫，因此其NO_x排放水平明顯高于具有降低NO_x措施的常規煤粉燃燒方式（四角燃燒和墻式燃燒），部分W型火焰鍋爐實測的干煙氣中NO_x含量達到1100～1500mg/m3（換算到6%氧量、標態）［5］。

美國FW公司在W型火焰鍋爐上采用旋風分離式旋流燃燒器實現濃淡燃燒，結構示意見圖2-18。煤粉氣流經過分配器后分為兩路各進入一個旋風子，來自磨煤機的煤粉氣流進入旋風分離器后形成高濃度的風粉流和低濃度的風粉流，高濃度風粉流經過噴嘴呈旋渦狀低速向下進入爐膛著火燃燒，從旋風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，提高著火穩定性。對燃用無煙煤的W型爐膛，需提高煤粉濃度以加強燃燒。

五、流化床低氮燃燒技術

循環流化床燃燒技術是20世紀70年代末開始出現的清潔煤燃燒技術，結構示意見圖2-19。循環流化床燃燒在800～900℃條件下進行，由于其中溫燃燒、爐內存在大量還原性物料等特點，相較于煤粉鍋爐具有天然的NO_x低排放優勢，一般可以達到200mg/m3以下［6］。循環流化床中，燃燒室、分離器及返料器組成主循環通路。燃料燃燒產生的灰分及脫硫石灰石在系統中累積，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，因此對燃料要求比較寬松。流化過程氣固混合強烈，降低了燃燒或脫硫化學反應的傳質阻力，加快了反應速率。在800～900℃條件下，燃燒比較穩定，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，進而吸收燃燒產生的二氧化硫；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重金屬有很強的吸附能力，煙氣中重金屬排放低。循環流化床是適應劣質煤的低成本污染控制的潔凈燃燒技術。