浅议低氮燃烧改造的作用

摘要：为响应国家节能减排的号召，及环保效益和后续烟气脱销的改造，必须进行低氮燃烧改造。其目的是经过改造把NOx排放降低到400-450mg/Nm3，同时保证锅炉效率和汽温偏差。

关键词：燃烧器、低氮、分级燃烧、环保

中图分类号：U676.3

一、低氮燃烧改造的必要性

我国一次能源结构中约70～80%由煤炭提供，2009年全国耗煤量30.2亿吨，每燃烧1吨煤炭，约产生5～30kg氮氧化物。根据中国环保产业协会组织的《中国火电厂氮氧化物排放控制技术方案研究报告》的统计显示，2007年火电厂排放的NOx总量已经增至840万吨，约占全国氮氧化物排放总量的35～40%，电站锅炉已成为主要的大气污染固定排放源之一。

目前适用于燃煤电站锅炉的成熟氮氧化物控制技术主要有低氮燃烧技术（LNB）、选择性非催化还原脱硝技术（SNCR脱硝效率30～50%）、选择性催化还原脱销技术（SCR脱硝效率80～85%）等。这些技术可单独使用，也可组合使用，以达到不同水平的氮氧化物控制要求。

二、低氮燃烧改造技术

1、 四区燃烧耦合分级控制NOx生成技术

煤燃烧过程中生成大量的氮氧化物，造成严重的环境问题，其脱除一直是工程和科学研究领域的重大问题。氮氧化物水溶性很差，很难用经济的烟气处理技术达到高效的脱除效果，因此在燃烧过程中抑制氮氧化物的生成是脱除氮氧化物最为理想的方式。

对于大部分煤粉锅炉而言（W火焰锅炉除外），燃料型的NOx约占总排放量的75-90%，因此降低燃料型NOx的排放是控制煤粉锅炉NOx排放的关键。

原煤的燃烧分为两个阶段：首先是煤粉颗粒受热发生热解，析出挥发分并生成煤焦，然后是挥发分和煤焦的燃烧。在热解过程中，一部分燃料氮随着挥发分析出形成挥发分氮，剩余部分留在煤焦中形成焦炭氮。在燃烧过程中，挥发分氮和焦炭氮分别燃烧生成N2和NOx。因此，燃料氮在完全燃烧之后的最终产物是氮氧化物和氮气。图3-1所示是燃料氮在燃烧过程中的转化过程。

燃烧时，煤大分子结构首先发生热分解，挥发分析出，形成挥发分和焦炭两种产物，随后挥发分和焦炭发生氧化反应，完成燃烧。燃料氮也随着煤的热解而进入挥发分相和残留于煤焦中。挥发分中含氮产物主要包括焦油氮、HCN、NH3、N2等，通常把焦油氮、HCN和NH3中含有的氮通称为挥发分氮，而煤焦中残留的氮称为焦炭氮。挥发分氮和焦炭氮在后续的燃烧过程中可以部分转化为NOx。

对于大部分煤粉锅炉而言（W火焰锅炉除外），生成的N2在后续燃烧过程中不会被氧化形成NOx，可以保持N2形态随烟气无害排放。因此，合理组织锅炉的燃烧，使尽可能多的燃料氮转化为N2，就可以减少NOx的生成，从而实现燃料氮的“绿色回归“，这也是当前一切低NOx燃烧技术的理论基础。

2、低氮控制措施

四区燃烧耦合分级低氮控制技术的核心是根据不同的煤种和炉型，结合实际运行现状，在燃烧的不同区域采取针对性的措施，降低NOx生成的同时，确保燃烧稳定和锅炉效率。

（1）第1区： 1区的重点技术措施有：

煤粉浓淡分离，淡侧提前着火，加热浓侧煤粉，使其脱除挥发分生成焦炭，促进N2的生成，同时还原先期着火煤粉气流生成的NOx；

（2）第2区：煤粉在1区脱挥发分后与上游来的氧气接触，挥发分和煤焦开始燃烧，在炉膛中部形成火球，煤粉整体着火后进入燃烧中期。2区的重点技术措施有：

控制主燃烧区过量空气系数（不超过0.8）；

一、二次风大小切圆设计，在横截面上空气分级；

一、二次风反切，一次风煤粉气流燃烧中期接触到的来自上游的补氧是 “贫氧”的热烟气，燃烧强度降低；

二次风部分偏置，二次风喷口的部分面积向炉墙偏置，进一步加强水平方向的空气分级。

（3）第3区：2区生成大量的NOx，同时生成大量的活性基团：NH+、NH2+、CO等。这些活性基团与煤焦表面的活性C（+）一道在3区把NOx还原为N2。

3区重点技术措施有：

确保较低过量空气系数，0.9左右；

确保需要的高度；

OFA（燃尽风）必须保留，主要考虑汽温调节和结焦。

（4）第4区：燃烧进入后期，炉内上升主气流内存在着部分未燃尽碳及部分气体燃料（CO），需要大量的氧气来维持上述可燃物质的燃尽，也就是要在氧当量大于1甚至1.2条件下进行燃烧。此时，合适的氧浓度及扩散速率是使其燃尽的关键。这个区域的设计需要综合考虑燃尽、烟温偏差和汽温调节。4区重点技术措施有：

确保需要的过量空气，1.1-1.2左右；

确保到屏低的燃尽距离；

较高的SOFA风速，使氧量进入燃烧中心区；

SOFA的水平（烟温偏差）和上下（气温调节）可调。

在上述理论指导下，针对不同的煤种和炉型，根据锅炉实际的燃烧状况，通过“差异化分析、个性化设计、精细化实施、系统化调试”，可以实现在NOx超低排放的同时，确保锅炉经济、安全、稳定运行。

3、防结渣措施

首先，要进行防结焦设计。主要的技术措施有：

1）一次风浓淡分离

通过一二次风射流调整及布置独特的不对称二次风喷口布置，在炉膛横截面上形成了层次分明的环形区域，其中靠近水冷壁区域为中等氧浓度、极少煤粉颗粒、温度较低的区域，根据煤粉颗粒向水冷壁迁移特性可知，在进行水平浓淡分离后，大于10μm的煤粉颗粒极少存在于贴壁区，也不可能迁移到近水冷壁区域，这样就可同时实现防止结渣及高温腐蚀。

2）不对称二次风射流

不对称二次风射流是基于“贴壁风”的原理进行设计的，其功效要优于“贴壁风”，主要原因在于其偏置二次风量大、动量足、射流远，该技术的使用能有效提高近壁区域的氧化性，提高灰熔点，大大缓解炉膛的结渣。同时，作为水平断面分级燃烧中后期掺混的一部分，不对称二次风射流也可作为控制炉内NOx生成的有效手段。

3）沿炉膛高度方向上的空气分级

由于实施了沿炉膛高度方向上的空气分级，所以总体炉内燃烧温度有降低，炉内热膨胀减小，同时燃烧过程延长，所以炉内各气流转动惯量的叠加在时序上延长，这两方面的作用使得气流“膨胀”、“外甩”导致贴壁的几率减小，最终有效防止结渣或高温腐蚀现象的发生。

4）一、二次风反切设计

一次风煤粉气流与二次风气流（炉内主气流）形成反切，一次风首先逆向冲向上游来的热烟气中，然后再随炉内气流旋转，大大减少了未燃尽的煤粉颗粒被卷吸至水冷壁表面的机会，可同时产生稳燃、防结渣、防腐蚀的功能。

其次，要确保燃烧器安装时的准确性，减少切圆偏差。燃烧器安装结束后要进行冷态空气动力场试验，进一步确认燃烧器安装角度。

再次，锅炉启动后要进行热态一次风调平，保证切圆不因流动偏差造成偏斜刷墙。同时需要保证燃烧器调整机构的灵活有效。

最后，要进行燃烧调整和运行优化，在降低NOx排放的同时确保运行的安全性和锅炉效率。

通过上述设计、安装、冷态和热态调整即可避免改造后可能存在的结焦问题。

4、高效燃尽及稳燃措施

1）经优化的稳燃型浓淡燃烧器

采用经优化的稳燃型水平浓淡燃烧器，可进一步增加煤粉气流的浓缩，选择合适的浓缩比，形成浓淡燃烧，有效降低NOx生成，

2）改进型低NOx喷嘴

喷嘴的外罩壳采用球状设计， 可使喷嘴在上下摆动时能保护密封， 且增大了通过喷嘴的周界风流量和流速， 从而避免煤粉颗粒的沉积及喷嘴变形， 在整个喷嘴摆动角度范围内都可保证较优的燃烧条件。见附图3-7。

喷嘴在出口处设置了导流板和阻流块，阻流块能降低煤粉气流上下两侧的速度，并在其后形成一个小的回流区，配合导流板推迟周界风与煤粉气流的混合，使得火焰能稳定在喷嘴出口一定距离内，加强煤粉初步燃烧。

喷燃器内外罩四角采用圆弧结构， 使其出口处燃料风向内收敛， 气流扩张角变小， 整个射流速度衰减很慢， 气流刚性很强，有利于避免煤粉在喷嘴里堆积。

3）部分二次风反切设计

部分二次风反切设计，使反切二次风首先接触到上游来的高温烟气并与上游煤粉气流形成逆向射流，加强混合和扰动，由于与炉内主气流旋转方向相反，造成煤粉气流倒旋（图3-8），再同炉内主气流一起旋转，传热换热过程迅速，能迅速促进煤粉气流的着火与稳燃。同时增加了煤粉的停留时间，利于燃料的着火和稳燃。

4）多角度燃尽风布置

考虑到燃烧系统改造后，整个燃烧有所推后，给燃尽带来一定压力，所以设计高效的一次风喷口，保证燃烧初期煤粉的充分燃烧，不至于形成带灰壳的焦炭颗粒；再将所有SOFA喷口设计为可上下左右复合摆动的喷口，通过燃尽风喷口上下摆动可控制炉膛出口烟温水平。同时燃尽风喷口水平摆动（图3-9），可向炉膛内不同区域内按需供风，实现对炉膛有效覆盖，保证飞灰、气体可燃物控制，降低飞灰、气体可燃物含量，保证降低NOx同时取得较高的锅炉经济性。

5）高速燃尽风设计

国内外的研究表明，只有采用高速燃尽风才可保证后期煤粉与燃尽风的充分混合，使锅炉飞灰可燃物及燃烧效率保持不降低。国外有采用高速燃尽风机的案例，国内国网能源技术开发有限公司王曲电厂的600MW锅炉布置了高速燃尽风机。将SOFA风设计风速提高到55m/s左右，在保证主二次风风箱差压、燃尽风量的情况下，高的燃尽风速可保证煤粉的充分燃尽和锅炉的燃烧经济性。

三、改造效果：

改造后把NOx排放由目前700mg/Nm3-900 mg/Nm3左右，降低到400-450 mg/Nm3，同时兼顾锅炉效率不降低和排烟温度不升高，减小再热汽温偏差到正常范围，保证锅炉安全运行。