燃煤锅炉低氮燃烧技术原理

燃煤锅炉低氮燃烧技术原理

 

低NOx燃烧技术一直是锅炉控制NOx产生的应用最广泛的措施，即便是安装了尾部烟气脱硝净化装置，仍采用低NOx燃烧技术来降低烟气脱硝装置入口的NOx浓度，从而降低后续的烟气脱硝系统的运行费用。

NOx生成机理有三种不同的类型分为热力型、燃料型和快速型，不同种类的NOx其生成机理是不同的，主要表现在三个方面:氮的来源、生成途径和生成条件，但它们之间又有一定的联系。

三种不同的NOx在锅炉燃烧过程中的情况是不同的。快速型NOx所占比例很小，不到5%;在温度小于1350℃时，几乎没有热力型NOx，只有当燃烧温度超过1600℃，如液态排渣煤粉炉中，热力型NOx才可能占到25%~30%。对常规煤燃烧设备，NOx主要是通过燃料型的生成途径而产生的。因此，控制和减少煤燃烧产生的NOx主要是控制燃料型NOx的生成。从燃料型NOx的生成和破坏机理可知，为了减少燃料型NOx，不仅要尽可能抑制NOx的生成，而且对已生成的NOx，则要创造促使NOx的破坏和还原的燃烧环境。

一、低NOx燃烧排放技术的分类

现有的低NOx燃烧技术，主要分为三类

(1) 第一类是指对运行和燃烧技术进行改进，包括降低燃烧过程的过剩空气系数(LEA)、降低空气预热温度(RAP)、部分燃烧器退出运行(BOOS)、浓淡燃烧(BBF)和烟气再循环(FGR)等，这些措施不必对燃烧系统进行大范围改动，方法简单、投资少适用于老厂改造。其缺点是效果相对较差，一般不超过 30%。

(2) 第二类是指空气分级低NOx燃烧器，主要是通过降低燃烧器一次区域内的氧气浓度，相应降低锅炉炉膛峰值温度，这是目前使用最为广泛的锅炉低NOx燃烧措施，其典型形式包括以 ABB-CE为主的用于切圆燃烧的低NOx同轴燃烧系统(LNCFS)、偏转二次风(CFSI和 CFSⅡ)和 BabcockⅡ墙式燃烧双调风燃烧器，其NOx的产生量大约降低 30%~50%，其NOx排放浓度可控制在600mg/m3左右。

(3) 第三类是在炉内燃烧器区域或炉膛内对已经产生的NOx进行还原，包括同时采用空气分级和燃料分级的低NOx燃烧器(三级燃烧方式)和炉膛内再燃法(IFNR)，可使NOx排放降至 300~400mg/m3。再燃技术是在20世纪80年代末德国首先提出来的，称为IFNR技术(In-Furnace NO,Reduction)，可将NOx排放量控制在 200mg/m3以下。该技术很快引起欧洲、北美和日本的普遍关注，逐步得到产业化。日本三菱重工在新建大型电站锅炉通过燃烧改进和采用IFNR方法，将NOx排放减少50%以上。美国能源与环境研究公司(EER)使用IFNR技术使NOx的产生量降低58%~77%。

二、低氮燃烧技术控制NOx排放的主要途径

1.空气分级燃烧

空气分级燃烧技术是通过降低燃烧过程的过剩空气系数α从而降低炉膛中NOx的产生量。助燃空气分两个阶段送入，燃烧过程分成两个区域。第一个区是富燃区(α<1)，此区域内助燃氧气不足而燃料相对过量，在缺氧条件下燃烧，燃烧速度和燃烧温度降低，热力型NOx的生成量降低，同时由于此时处于还原性气，燃料中释放的含氮中间产物HCN、NH3等会被还原成N2，因而NOx的生成量减少;第二区为燃烬区(α>1)，此时继续补充助燃氧气，燃料在富氧条件下燃烬，在此区间会有一部分的氮气氧化为NOx，但此时炉膛温度降低，热力型NOx的生成量减少。所以，在锅炉燃烧过程中，将空气分级送入降低了NOx总的生成量。

 

 

国外的研究表明，炉内空气分级燃烧可显著降低NOx的产生量，但也会造成煤的燃烧不完全，飞灰中未燃烬碳增加，降低了热效率，浪费了能源。有文献表明，在分级燃烧条件下，富燃区的一次风系数入和停留时间τ是两个重要的影响因素。另外，煤种、煤粉细度等对分级燃烧也有影响。挥发分越高，NOx排放量越低，煤粉越细有利于降NOx排放量，同时有利于煤粉的完全燃烧。实际运行过程中，空气分级燃烧技术也会引起了以下几个问题:

(1)分级燃烧影响了煤粉与空气的均匀混合，导致不完全燃烧，飞灰含碳量增加，热效率降低，同时飞灰含碳量高又影响飞灰的综合利用。

(2)分级燃烧导致燃烧器区域出现了还原性气氛，容易造成水冷壁腐蚀，引起燃烧室受热面结渣。

因此分级燃烧要首先保证锅炉燃烧效率不降低或降低不多，同时消除水冷壁腐蚀结渣的可能性，才能实现锅炉高效低NOx运行。

在空气分级燃烧条件下提高燃烧效率的方法是降低煤粉的粒径，并加强后期混合，防止水冷壁结渣的方法是偏转二次风或者采用贴壁风来使水冷壁附近保持较高的氧浓度。国外电站锅炉采用的OFA风量比较大，一般占总风量的20%~30%，这样可使炉膛主燃烧器区域处于还原性气氛(一般使λ=0.8~0.9)，可以还原已经产生的NOx，从而降低NOx产生量。根据国外运行经验，采用OFA技术一般可使NOx排放量降低20%~35%，有时甚至可降低得更多。

2.燃料分级燃烧

 

燃料分级燃烧是一种改进燃烧过程的技术，其原理是用燃料作为还原剂来还原燃烧过程中产生的NOx。燃料分级的过程是:大部分燃料从燃烧器进入一次燃烧区，而一小部分燃料喷到二次燃烧区。在一次燃烧区内生成的NOx，在二次燃烧区大量地被CHi还原成氮气分子N2。燃料分级可以分为炉内NOx还原和燃烧器NOx还原，这表明NOx再燃烧在炉内或在燃烧器内进行。有研究表明燃料分级燃烧可减少50%NOx排放量。

目前较为常用的燃料分级燃烧技术为细粉再燃技术。其基本原理是:细粉在主燃区上部的再燃区富燃料状态下燃烧，生成大量 CHi基团，形成还原性气氛，NO在遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C、CmHn时，发生NO还原反应;另外，细粉具有良好的燃烧特性，燃烧速率更快，极易燃烬，并且在燃烧过程中生成大量的CO气体，使碳颗粒表面的还原性气氛增加，还原部分以焦炭氮(C-H)形式析出的燃料NOx，降低NOx排放的总量。对于电站的燃煤锅炉，可以将从主燃料中分离出的细煤粉颗粒作为细粉送入炉膛内部燃烧，形成还原性气氛，类似于三次风的作用。一方面可以用作部分燃烬风;另一方面其中少量的细粉颗粒还可以形成还原性气氛，使部分NOx还原成N2。

3.低过剩空气系数燃烧(LEA)

低过剩空气系数燃烧就是降低燃烧过程的助燃空气，保证在尽可能接近理论空气量的条件下进行燃烧。燃烧过程中过剩空气系数低，可限制反应区内的氧量，因而对热力型NOx和燃料型 NOx的产生起着一定的控制作用。从能量守恒的观点出发，在低过剩空气的范围条件下进行的燃烧过程，可减少对燃料的使用，所以低过剩空气燃烧运行具有重要意义。一般说来，这种方法可降低NOx排放15%~20%。但过剩空气系数也不能过低，当过剩空气系数在低于3%下运行时，CO和未燃烬碳将增加，造成热损失增加，燃烧效率将降低，并伴随着有可能会出现结渣、堵塞等其他问题。

4.烟气再循环烟气:再循环是在锅炉尾部，一般是空气预热器前抽取一部分低温烟气重新送入炉膛内，或者是与一次风或二次风混合后送入炉膛内，这样由于烟气的稀释，降低了炉膛的燃烧温度，稀释了炉膛中的氧气浓度，从而降低烟气中 NOx的产生量。

烟气再循环技术的原理是烟气中含氧量较低及其温度较低，部分烟气再循环喷人炉膛内合适的位置，降低炉膛局部温度，形成局部还原性气氛，从而抑制NOx的生成。

5. 浓淡偏差燃烧

浓淡偏差燃烧是对装有两个燃烧器以上的锅炉，使部分燃烧器供应较多的空气(呈贫燃料区)即为燃料过淡燃烧，部分燃烧器供应较少的空气(呈富燃料区)即为燃料过浓燃烧。无论是过浓或者过淡燃烧，燃烧时过剩空气系数α都不等于1，前者α>1，后者α<1，故又称非化学当量比燃烧或偏差燃烧。

6.低NOx燃烧器

 

对煤粉锅炉来说，NOx的生成量与燃料和空气的混合情况密切，同时从NOx的生成机理看，占NOx绝大部分的燃料型NOx是在煤粉的着火阶段生成的。因此，通过特殊设计的燃烧器结构，以及通过改变燃烧器的风煤比例，可以将前述的空气分级、燃料分级和烟气再循环降低NOx浓度的原理用于燃烧器，达到抑制NOx生成的目的。根据NOx控制原理的不同，低 NOx燃烧器可分为阶段燃烧型、自身再循环型、浓淡燃烧型、分割火焰型和混合促进型五类。

不同类型的燃煤锅炉，由于其燃烧方式、煤种特性、锅炉容量以及其他具体条件不同，在选用不同的低 NOx燃烧技术时，必须根据其具体情况进行技术经济比较，使所选用的低NOx燃烧技术和锅炉的具体设计和运行条件相适应。

低NOx燃烧技术控制效果比较见表1。

表1 低 NOx燃烧技术控制效果比较表

 

 

从表1中可以看出，低NOx燃烧器投资低、效果较好，从控制NOx排放的效果和经济性上都是比较有优势的，是值得大力发展的低NOx燃烧器技术。

采用低氮燃烧技术的同时也需要注意到该技术有可能会产生锅炉炉膛结焦、燃烧器区域水冷壁高温腐蚀、灰渣含碳量高等问题。从NOx生成和抑制机理来分析，燃烧器快速着火还原区低过剩空气系数等技术的应用，使得燃烧器区域可能有可能发生结焦和高温腐蚀。根据高温腐蚀发生的机理，在水冷壁壁面附近保持氧化性气氛或保证水冷壁壁面光滑清洁可以防止结焦和高温腐蚀。在国外，还采用对主燃烧器区域水冷壁附近烟气成分进行实时监控的方法来修正低氮燃烧的燃料及配风控制。目前，国内所采用的低氮燃烧技术多数已在设计时考虑了这些问题，其中防止结焦和高温腐蚀的技术主要有同轴燃烧技术、燃烧器风包煤技术、在运行中加强炉室吹灰等;提高燃烬度的措施有可调燃尽风(包括角度、位置和比例)、煤粉细度调整等。

我国低NOx燃烧技术的研究开发起步较晚，目前尚无具有自主知识产权的商业化低NOx燃烧器产品。如何在消化吸收国外先进低NOx燃烧器的基础上，开发出适合我国燃煤特点、炉型特征和制粉系统形式、满足国产各类容量电站锅炉的低 NOx燃烧技术(或燃烧器)，对于控制电站锅炉以及其他工业锅炉的NOx的排放，具有较大的社会效益和环境效益。