第二节　低氮燃烧技术

一、炉内整体低氮燃烧技术

1.低过量空气系数燃烧

煤粉燃烧过程中NO_x排放随着过量空气系数降低而降低，因此工程上通过控制炉内低过量空气系数来控制NO_x排放。低过量空气系数燃烧一般不需要对锅炉燃烧设备进行结构调整，运行过程中通过控制入炉空气量，合理组织燃烧，降低炉膛出口烟气中氧气浓度，使煤粉送入后尽可能在接近理论空气量下燃烧，该技术一般可降低NO_x 10%～20%。由于炉内整体空气量减少，锅炉在较低的过量空气系数下运行，如果燃烧组织不好，着火与燃尽恶化，尾部烟气中的CO和飞灰含碳量将增加，导致燃烧效率降低。此外，低氧浓度会使炉膛内的某些区域，尤其是水冷壁附近，形成较强烈还原性气氛，从而引起炉壁结渣和腐蚀。因此如果在运行过程中实施低氧燃烧，必须综合考虑燃烧效率和NO_x排放及安全性等因素来确定运行过程中的最佳氧量。

2.空气分级燃烧

空气分级燃烧技术是目前世界上采用最为广泛的低NO_x燃烧技术之一。空气分级燃烧的基本原理是将燃烧过程分成一次燃烧区域和二次燃烧区域两段进行。它通过将燃烧所需的空气分级送入炉内，降低锅炉一次燃烧区域的氧气浓度，控制燃料在富燃料的还原性气氛下燃烧，火焰中心的燃烧速度和温度水平相应降低，从而降低主燃烧区NO_x的生成量；而完全燃烧所需的其余空气，则由燃烧中心以外的其他部位引入。例如沿炉膛高度方向空气分级，就是将一部分空气在主燃烧区上部送入炉内，与主燃烧区产生的烟气混合实现完全燃烧。燃料的燃烧过程在炉内分级进行，从而控制燃烧过程中NO_x的生成反应，降低炉膛出口NO_x排放浓度。

沿炉膛高度方向空气分级燃烧是在主燃烧器上方间隔一定位置布置3～4层燃尽风喷口（SOFA），将入炉总风量的约30%的空气送入炉内，使整个燃烧过程沿炉膛高度分阶段燃烧，如图2-4所示。携带煤粉的一次风通过煤粉燃烧器进入炉膛，煤粉着火初期为还原性气氛，有利于抑制燃料型NO_x的产生；剩余空气从分离燃尽风喷口送入后与主燃烧区域产生烟气混合，提供烟气中可燃物质燃尽所需氧量。根据煤质及炉型合理确定分离燃尽风高度及比例是实现高效空气分级低氮煤粉燃烧的关键。

3.燃料分级

烃类物质喷入含NO的烟气中能够使大量的NO还原成N₂，从而降低NO_x排放。Wendt等［1］于1973年首次提出“再燃”这一概念，在主燃烧火焰下游喷入天然气之后，NO排放降低50%。主要的形式如图2-5所示。

燃料分级燃烧通常沿炉膛高度自下而上分为主燃区、再燃区和燃尽区3个区域。在主燃区投入燃料占锅炉总输入热量的75%～90%，该区域的过量空气系数通常大于1，生成NO_x；在再燃区投入占锅炉总输入热量的10%～25%，该区域的过量空气系数小于1，在还原性气氛下再燃燃料释放的烃根（CH_i）将主燃区生成的NO_x还原为N₂；在再燃区上部布置有SOFA喷口从而形成燃尽区，对在再燃区中产生的未燃尽产物进一步燃尽，该区域的过量空气系数大于1。1983年日本三菱重工将天然气再燃技术应用于电站锅炉，取得了50%的炉内脱硝效果。

在燃料分级燃烧过程中，氮氧化物主要是通过以下途径被还原的：

　　 （2-10）

NO+CH_i HCN+其他产物　　i=0，1，2　　 （2-11）

由以上NO破坏路径可见，燃料中烃根（CH_i）含量与中间产物NH_i含量对NO的还原过程有较大影响。

4.烟气再循环

烟气再循环是在锅炉的尾部烟道（如省煤器出口位置）抽取一部分燃烧后的烟气直接送入炉内或与一、二次风混合后送入炉内，这样既可以降低燃烧温度，又可以降低氧气浓度，从而降低NO_x的生成。图2-6为某电厂烟气再循环系统示意。用于再循环的烟气与不采用再循环时总烟气量的比值称为再循环率。通常烟气再循环率越高，降低NO_x的效果越明显。但是，过多的再循环烟气可能导致火焰的不稳定及蒸汽超温等现象，因此在采用烟气再循环时，再循环率一般不宜超过20%。在燃煤锅炉上单独利用烟气再循环措施，得到的NO_x脱除率通常在25%以内，一般都与其他低NO_x燃烧技术联合使用。

日本三菱公司在直流煤粉燃烧器上应用烟气再循环技术开发了SGR型烟气再循环燃烧器，如图2-7所示。再循环的烟气不与空气混合，而是直接送至燃烧器，在一次风煤粉空气混合喷口上、下各装有再循环烟气喷口，因烟气吸热和氧的稀释，在一次风喷口附近形成还原性气氛，使燃烧速度和燃烧区温度降低，抑制了NO_x的生成。对运行机组采用烟气再循环技术需要加装再循环风机和循环烟气管道，对锅炉场地条件有一定限制；同时系统复杂度增加，投资增大。

二、直流低氮燃烧器技术

燃烧器是锅炉设备的重要组成部分。一方面，它对锅炉的可靠性和经济性起着决定性的作用；另一方面，从NO_x的生成机理来看，燃料型NO_x占据煤粉锅炉NO_x生成量的绝大部分，是在煤粉着火阶段产生的。因此，通过对燃烧器进行特殊设计，改变燃烧器风煤比，适当降低燃烧器出口的氧浓度和温度，能够抑制燃烧初期NO_x的生成。当然，低NO_x燃烧器首先要满足煤粉着火和燃尽的需求，在此基础上有效地抑制NO_x的生成。20世纪50年代以后，低NO_x燃烧器相继被研制出来，在此基础上进行的研究取得了长足的发展。世界各大锅炉公司发展了不同类型的低NO_x燃烧器，一般可降低NO_x排放30%～60%［3］。

切圆锅炉的炉膛四角一般布置直流煤粉燃烧器，通过主燃烧器送入炉膛的一、二次风占入炉总风量的70%～80%，以维持主燃烧器区域过量空气系数小于1，其余风量通过主燃烧器区上部布置的分离燃尽风喷口送入提供燃尽所需氧量。以下介绍典型的直流煤粉低氮燃烧器。

1. WR型煤粉燃烧器

WR型（wide range）煤粉燃烧器又名宽调节比燃烧器，是ABB-CE公司为改善燃煤锅炉低负荷运行时的着火稳定性能而研制出来的一款四角切圆直流燃烧器。其主要结构如图2-8所示，它主要由入口弯管、水平隔板、V形稳燃钝体以及摆动式喷嘴等组成。一次风煤粉混合物流经弯头时，由于煤粉和空气惯性力不同，通过弯头后产生浓淡偏差的两相，喷嘴体内设置的水平隔板可以隔离两相保持浓淡偏差，这样进入炉膛的射流在喷口外形成上下浓淡偏差燃烧。在喷嘴处布置有V形稳燃钝体以形成稳定的回流区促进低负荷运行或劣质煤燃烧的着火稳定性。通过调节一次风周围设置的周界风可以适应煤种的变化，同时也有利于防止结渣和高温腐蚀。

2. PM型煤粉燃烧器

日本三菱重工PM（pollution minimum）型直流燃烧器如图2-9所示，其关键部件是煤粉分配部件，它由一次风弯头、浓煤粉喷口以及淡煤粉喷口组成，一次风煤粉气流流经弯头时在惯性力的作用下进行分离，浓煤粉进入布置在上部的浓相喷口，淡煤粉进入布置在下部的淡相喷口，从而在进入炉膛后实现上下浓淡偏差燃烧。PM型燃烧器NO_x生成规律与普通燃烧器的比较如图2-10所示。淡相煤粉燃烧时空气/煤粉化学当量比较高，由于空气相对较多，喷口附近火焰温度较低，有利于着火稳定性以及热力型NO_x的抑制；浓相煤粉燃烧时空气/煤粉化学当量比较低，喷口附近形成的强还原性气氛有利于抑制燃料型NO_x。

3.百叶窗水平浓淡煤粉燃烧器

百叶窗水平浓淡煤粉燃烧器及其结构［4］如图2-11所示。百叶窗水平浓淡煤粉燃烧器利用管道中布置的百叶窗导流挡板控制喷口左右侧煤粉浓度，在进入炉膛后在喷口附近实现一次风水平浓淡燃烧。浓淡燃烧的基本思想通常是将一次风分成浓淡两股气流，浓煤粉气流是富燃料燃烧，挥发分析出速度加快，造成挥发分析出区缺氧，使已形成的NO_x还原为氮分子。淡煤粉气流为贫燃料燃烧，会生成一部分燃料型NO_x，但是由于温度不高，所占份额不多。浓淡两股气流均偏离各自的燃烧最佳化学当量比，既确保了燃烧初期的高温还原性火焰不过早与二次风接触，使火焰内的NO_x的还原反应得以充分进行，同时挥发分的快速着火使火焰温度能维持在较高的水平，又防止了不必要的燃烧推迟，从而保证煤粉颗粒的燃尽。

三、旋流低氮燃烧器技术

旋流煤粉燃烧器往往应用于前墙布置和前后墙对冲布置锅炉。以下介绍典型的旋流煤粉低氮燃烧器。

1. DRB型旋流煤粉燃烧器

美国B&W公司自1971年起研发了一系列的DRB型旋流煤粉燃烧器，DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器结构可见图2-12。其二次风采用内外两个调风器，又称为双调风低NO_x燃烧器。在传统的双调风燃烧器的基础上增加了一个直流风通道，通过一次风喷口周围送入。其煤粉气流为不旋转的直流射流，一次风管四周与内二次风混合形成浓煤粉着火燃烧区域，有利于降低燃料型NO_x的生成。由于外二次风旋流强度较低，比例较大，可以降低火焰温度，对采用该燃烧器的火焰温度测量结果显示，在距离喷口1.2m处火焰温度降低至1400℃，有利于抑制热力型NO_x生成。同时，大量的外二次风有利于保护水冷壁，防止结渣、腐蚀。

2. SF型旋流煤粉燃烧器

CF/SF（控制流量/分离火焰）型旋流煤粉燃烧器是美国FW公司于1979年推出的，主要特点是将一次风分为四股，扩大煤粉气流与高温烟气的接触面积。在优化了空气/燃料输送系统后，FW公司推出了VF/SF型旋流煤粉燃烧器，其结构如图2-13所示。该型燃烧器煤种适用范围较广，从无烟煤到褐煤皆有应用经验。通过布置内外双调风结构可以实现燃烧器空气分级。而分离火焰喷口能够强化着火并起到燃料分级的作用。

3. DS型旋流煤粉燃烧器

德国Bobcock公司推出DS型旋流煤粉燃烧器，其结构如图2-14所示。采用截面积较大的中心风管，减缓了中心风速，保证回流区的稳定；增大一次风射流的周界长度和一次风煤粉气流同高温烟气的接触面积，提高了煤粉的着火稳定性；在一次风道内安装了旋流导向叶片，使一次风产生旋流，并将喷口设计成外扩型；煤粉喷口加装了齿环形稳燃器；在外二次风的通道中则采用各自的扩张形喷口，以使内、外二次风不会提前混合；内、外二次风道为切向进风蜗壳式结构，保证燃烧器出口断面空气分布均匀，增加了优化燃烧所具备的旋流强度。

4.HT-NR型旋流煤粉燃烧器

日本巴布科克-日立公司在DRB型双调风旋流煤粉燃烧器的基础上研发了HT-NR型旋流煤粉燃烧器。图2-15为HT-NR型低氮煤粉燃烧器1～4代结构示意及降氮效果示意。HT-NR型低氮煤粉燃烧器为单喷口分级燃烧方式，一次风喷口附近外浓内淡的煤粉分布形式有利于NO_x还原区的形成，NO_x具有能够快速转变成气相的特点，火焰内NO_x还原被加速，从而有助于降低炉内燃料型NO_x排放。

5. OPTI-FLOW型旋流煤粉燃烧器

美国ABT（先进燃烧技术）公司于20世纪90年代提出带梅花型一次风喷口的OPTI-FLOW型旋流煤粉燃烧器。该型燃烧器通过采用梅花型一次风喷口强化着火，提高煤粉着火初期加热速率，提升高温缺氧气氛下煤粉挥发分释放比例，在大幅降低燃料型NO_x生成量的同时，提升低氮燃烧模式下火焰燃烧稳定性。燃烧器结构如图2-16所示。

6. Airjet型旋流煤粉燃烧器

Airjet型旋流煤粉燃烧器是B&W公司提出的旋流煤粉燃烧器，为解决传统双调风低氮旋流燃烧器推迟着火设计导致的燃尽性差的问题而提出。该型燃烧器煤粉气流内、外两侧皆有二次风，使得煤粉燃烧形成稳定、强烈火焰，加速燃烧初期挥发分的释放。燃烧器出口形成富燃料气氛强化燃烧是该型燃烧器实现高效低氮燃烧的关键。燃烧器结构示意见图2-17。

从全国投运的前后对冲低氮旋流煤粉燃烧器调查结果看：目前引进技术的旋流煤粉燃烧器主要适合燃烧烟煤。对于贫煤、劣质烟煤等高灰分煤，这些燃烧器都或多或少存在煤粉着火不及时，燃尽率差的问题，而且炉膛两侧墙都存在较严重的高温腐蚀问题。这说明，这些引进技术旋流煤粉燃烧器并不是很适合燃烧国内低挥发分、高灰分、低热值煤种。还非常有必要开发适合国内劣质煤的强卷吸低温低氮旋流煤粉燃烧器，并依据煤质的变化量体裁衣设计。

四、W型火焰低氮燃烧技术

为满足低挥发分煤（V_daf<13%）着火及燃尽需求，W 型火焰炉被提出。W型火焰煤粉气流的着火主要依靠煤粉气流自身形成的高温火焰的对流加热，煤粉气流由上往下喷射形成火焰，然后再折返向上运动，呈W型火焰，其经历的行程较长，当火焰运动至喷口处时，火焰温度较高，这一高温火焰被一次风卷吸、汇合后便使煤粉气流得到快速加热、着火。尽管W型火焰锅炉对于低挥发分煤着火与燃尽有较大优势，但是W型火焰燃烧方式因炉膛火焰集中，又敷有卫燃带以提高炉温，因此其NO_x排放水平明显高于具有降低NO_x措施的常规煤粉燃烧方式（四角燃烧和墙式燃烧），部分W型火焰锅炉实测的干烟气中NO_x含量达到1100～1500mg/m3（换算到6%氧量、标态）［5］。

美国FW公司在W型火焰锅炉上采用旋风分离式旋流燃烧器实现浓淡燃烧，结构示意见图2-18。煤粉气流经过分配器后分为两路各进入一个旋风子，来自磨煤机的煤粉气流进入旋风分离器后形成高浓度的风粉流和低浓度的风粉流，高浓度风粉流经过喷嘴呈旋涡状低速向下进入炉膛着火燃烧，从旋风子上部引出的低浓度煤粉气流由空气喷嘴喷入炉膛燃烧。低浓度煤粉气流靠高浓度火焰点燃并维持燃烧，而W型火焰有利于引燃高浓度火焰根部，提高着火稳定性。对燃用无烟煤的W型炉膛，需提高煤粉浓度以加强燃烧。

五、流化床低氮燃烧技术

循环流化床燃烧技术是20世纪70年代末开始出现的清洁煤燃烧技术，结构示意见图2-19。循环流化床燃烧在800～900℃条件下进行，由于其中温燃烧、炉内存在大量还原性物料等特点，相较于煤粉锅炉具有天然的NO_x低排放优势，一般可以达到200mg/m3以下［6］。循环流化床中，燃烧室、分离器及返料器组成主循环通路。燃料燃烧产生的灰分及脱硫石灰石在系统中累积，在燃烧室下部形成鼓泡床或湍流床，上部形成快速床。下部的大量热物料为燃料着火提供足够的热源，因此对燃料要求比较宽松。流化过程气固混合强烈，降低了燃烧或脱硫化学反应的传质阻力，加快了反应速率。在800～900℃条件下，燃烧比较稳定，加入石灰石颗粒，石灰石中的碳酸钙可以分解成高孔隙率的氧化钙，进而吸收燃烧产生的二氧化硫；此温度下氮氧化物的生成量显著下降，另外，低温燃烧形成的多孔灰颗粒对重金属有很强的吸附能力，烟气中重金属排放低。循环流化床是适应劣质煤的低成本污染控制的洁净燃烧技术。