淺談低氮燃燒技術及其改造方法

吳鳳玲+劉民+江輝+趙修華+吳曉烽

摘 要：針對某公司熱電廠現有4號燃煤鍋爐氮氧化物排放濃度超標的問題，淺談燃燒過程中氮氧化物的生成機理、及采取的低氮燃燒技術改造措施。通過文章的分析，希望對相關工作起到指導意義

關鍵詞：低氮燃燒技術；生成機理；燃燒分級技術；空氣分級燃燒技術；低氮燃燒器

1 概述

根據《國家環境保護“十二五”規劃》和新的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）的要求，現有火力發電鍋爐自2014年7月1日起，氮氧化物排放濃度限值為100mg/Nm3。烏魯木齊某公司熱電廠現有4號燃煤鍋爐（410t/h），氮氧化物排放濃度高達750mg/Nm3，已嚴重超標，必須對其進行脫硝技術改造。

鍋爐脫硝技術實質就是控制燃料燃燒過程中NOx污染的產生或減少因燃燒產生的煙氣中NOx污染的減量技術。燃料燃燒的生命周期可分為燃燒前、燃燒中和燃燒后三個主要階段，因此，鍋爐脫硝實質就是控制燃燒前、燃燒中或燃燒后的NOx污染。

目前有關降低NOx的控制技術大致可分為兩類，爐內脫氮和尾部脫氮。爐內脫氮即低氮NOx燃燒技術，是降低燃煤鍋爐氮氧化物排放最主要也是比較成熟的技術措施。

2 燃煤鍋爐燃燒過程NOx的生成機理

NOx主要是通過熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx三種途徑生成的，并且都在煤燃燒過程中出現。

2.1 快速型NOx

快速型NOx是由燃料揮發物中的碳氫化合物高溫分解生成的CH自由基和空氣中氮反應生成的HCN和N，再進一步與氧作用以極快的反應速率生成NO，它的生成與溫度關系不大。對于煤粉鍋爐快速型NOx僅占NOx總排放量的5%左右。

2.2 熱力型NOx

熱力型NOx是由于燃燒用助燃劑空氣中的氮在高溫下氧化而產生的，反應過程如下：

N+O2=NO+O（t>816℃）；O+N2=NO+N（t>1530℃）

其中，NO與氧進一步氧化生成NO2。

熱力型NOx是隨燃燒溫度的升高呈指數規律增加，占NOx總排放量的20～50%。試驗表明，當燃燒溫度低于1500℃時，溫度每增加100℃反應速率將增大6～7倍；當溫度低于1350℃時，NOx的生成量很少。

2.3 燃料型NOx

燃料型NOx是燃料中的氮氧化物在燃燒過程中發生氧化而形成的，分為“揮發性NOx”和“焦炭型NOx”兩種，占NOx總排放量的60～80%?！皳]發性NOx”是由揮發份中的氮化物熱裂解產生N、CN、HCN和NHi等中間產物，或以熱解焦油的形式析出產生的，占燃料型NOx的60～80%；剩余部分氮則殘存在焦炭中與氧反應生成“焦炭型NOx”。

3 低氮燃燒技術

目前常用的低NOx燃燒技術主要包括燃燒分級燃燒技術、空氣分級燃燒技術和低氮燃燒器技術。

3.1 燃燒分級燃燒技術

燃料分級燃燒技術又稱為再燃燒技術或三級燃燒技術，它的主要原理是將二次燃料送入一次燃燒區上方，形成富燃料燃燒的再燃區，在高溫和還原氣氛下，燃料生成碳氫原子團，與一次燃燒產生的NOx反應生成N2，此外，在再燃區的上方送入二次風以保證再燃區的不完全燃燒產物能夠燃盡。具體示意圖如圖1所示。

燃料分級燃燒技術的主要影響因素包括再燃燃料種類、再燃區內過量空氣系數、溫度和停留時間、再燃量和再燃區混合狀況等，其中，改變再燃燒區燃料與空氣的比例是控制NOx排放量的關鍵。

3.2 空氣分級燃燒技術

空氣分級燃燒技術的主要原理是將燃料所需的空氣分級送入爐內，使燃料在爐內分級分段燃燒。一級富燃區燃料在缺氧條件下燃燒，燃燒速度和溫度降低，熱力NOx減少，燃料中釋放的含氮中間產物HCN、NH3等將NO還原為N2；到了燃盡區，燃料再與二次風混合，使燃料完全燃燒。

空氣分級燃燒技術主要包括軸向空氣分級燃燒（OFA方式）和徑向空氣分級燃燒。

3.2.1 徑向空氣分級燃燒

徑向空氣分級燃燒技術是在與煙氣垂直的爐膛斷面上組織分級燃燒，通過二次風射流部分偏向爐墻來實現。該技術不僅能使主燃區處于還原性氣氛而實現NOx排放的降低，還能使爐墻附近處于氧化性氣氛，避免高溫腐蝕和燃燒器附近結渣。

3.2.2 軸向空氣分級燃燒

軸向空氣分級燃燒技術將燃燒分為三個區，分別為熱解區、貧氧區和富氧區。該技術是將燃料所需要的空氣以主二次風和燃盡風兩部分的形式送入爐膛，其中，主二次風約占總二次風量70%～85%；燃盡風約占總二次風量的15%～30%。當上部燃盡風送入爐膛時，已經避開了高溫火焰區，對未燃盡產物起完全燃燒的作用。

3.3 低氮燃燒器技術（LNB）

低氮燃燒器的設計原理采用空氣分級燃燒原理，盡可能地降低著火區的氧濃度和溫度，從而實現控制NOx生成量的目的，一般而言，采用低NOx燃燒器可降低NOx排放濃度約30～40%。

低NOx燃燒技術是應用最廣、技術較成熟、相對簡單、經濟的方法。在燃煤過程中排放的眾多污染物中，NOx是唯一可以通過改進燃燒方式來降低其排放量的氣體污染物。該技術通過降低燃燒反應溫度，減少過量空氣系數，縮短煙氣在高溫區的停留時間等手段達到控制NOx的目的，是目前降低燃煤鍋爐NOx排放最主要、比較經濟的方法。由于低NOx燃燒技術工藝成熟，投資及運行費用較低，已在火電廠的NOx排放控制中得到了較多應用。

4 技術改造方案

在低氮燃燒技術階段，某公司熱電廠4號鍋爐需改造或更換現有低氮燃燒器LNB，降低燃燒過程中NOx的生成量；增設一套燃盡風SOFA系統，進一步降低燃燒過程中生成的NOx。本次改造主要包括三部分內容：

4.1 燃燒器改造

低氮燃燒器用于控制每一個燃燒器的燃料和空氣的混合，燃料和空氣分級送入燃燒設備，其特點在于降低初始燃燒區域內的氧濃度，從而也相應的降低火焰峰值溫度，達到了較少NOx的形成目的。在噴口水平中線裝有傾斜裝置，增加燃燒的傾斜區域來實現深度分級，燃燒器噴口四周的平衡周界風，延遲一二次風的混合，這些區域可以進一步阻止燃料中的N形成NOx。富燃料區域的存在使火焰最高溫度被降低，從而減少了熱力型NO的形成。為了在較低的飛灰含碳量下獲得較低的NOx濃度，煤粉分布盤布置在煤粉噴嘴入口至燃燒器之間的彎頭位置的下游。煤粉分布盤對煤粉流有很好的濃縮作用，使來流煤粉更集中于燃燒器的中軸線形成一個特殊的風包粉狀態，這樣的煤粉流噴入爐膛內，從煤粉流中心形成一個較大欠氧燃燒的火焰，使初始燃燒的NOx生成率更低，同時風包粉的煤粉流使切圓燃燒的煤粉遠離爐膛四壁避免結渣。

4.1.1 一次風改造內容

（1）移除全部濃淡分離器；（2）減小噴嘴面積，保持高寬比；（3）保持內部鈍體不變；（4）增加兩塊內部水平隔板；（5）同時減小連接風管接口尺寸；（6）周界風出口保持不變，周界風寬度變為25。

4.1.2 二次風改造內容

（1）減小OFA層噴嘴尺寸；（2）減小CC層噴嘴尺寸；（3）減小AB層噴嘴尺寸；（4）OFA、CC、AB增加兩塊內部垂直隔板夾角為10°和15°，以保證風向。

4.2 新加裝SOFA噴嘴及風道

被燃燒器導向的燃燒空氣在爐膛下部形成富燃料區，煤在低氧區揮發，迫使燃料里的氮形成N2而不是NO。在進入鍋爐對流區之前，缺氧燃燒產生的煙氣再與燃盡風系統產生的高動量的氣流在爐膛上部混合，使燃料完全燃燒。

（1）共新增8只SOFA噴嘴，每墻各2只；（2）新加燃盡風風道從二次風道至SOFA噴嘴。

4.3 水冷壁及平臺改造

（1）為SOFA噴嘴在水冷壁對應位置開孔；（2）在開孔位置加密封盒；（3）改造平臺避讓新加燃盡風風道，并加裝平臺便于噴嘴及風道檢修維護。

5 應用效果

目前，4號爐已改造完畢并投運，應用效果良好，具體指標如下：

（1）低氮燃燒系統改造后鍋爐正常運行。（2）低氮燃燒系統脫硝效率達到40%。（3）低氮燃燒系統出口NOx排放濃度小于450mg/Nm3。（4）低氮燃燒系統確保鍋爐50%負荷穩燃。（5）低氮燃燒系統改造后未造成鍋爐受熱面明顯結焦。（6）低氮燃燒系統改造后空氣動力場試驗達到要求。

參考文獻

[1]賈宏祿.鍋爐低氮燃燒改造后的結渣原因分析及處理[J].動力工程，2009，29（1）：27-35.

[2]應明良，戴成峰，胡偉鋒，等.600MW機組對沖燃燒鍋爐低氮燃燒改造及運行調整[J].中國電力，2011，44（4）：55-58.

[3]高明.低氮燃燒及煙氣脫硝國內外研究現狀[J].廣州化工，2012，40（17）：18-22.

[4]唐高，劉曉斌.低氮燃燒改造在某煤粉爐上的應用實施[J].科技風，2013（8）：108-109.

[5]侯建鵬，朱云濤，唐燕萍.煙氣脫硝技術的研究[J].電力環境保護，2007，23（3）：24-27.

[6]陳進生，燃煤電廠煙氣脫硝技術-選擇性催化還原法[M].北京：中國電力出版社，2008.

作者簡介：吳鳳玲（1975-），女，本科，工程師，主要從事熱能動力設計工作。

低氮燃燒器用于控制每一個燃燒器的燃料和空氣的混合，燃料和空氣分級送入燃燒設備，其特點在于降低初始燃燒區域內的氧濃度，從而也相應的降低火焰峰值溫度，達到了較少NOx的形成目的。在噴口水平中線裝有傾斜裝置，增加燃燒的傾斜區域來實現深度分級，燃燒器噴口四周的平衡周界風，延遲一二次風的混合，這些區域可以進一步阻止燃料中的N形成NOx。富燃料區域的存在使火焰最高溫度被降低，從而減少了熱力型NO的形成。為了在較低的飛灰含碳量下獲得較低的NOx濃度，煤粉分布盤布置在煤粉噴嘴入口至燃燒器之間的彎頭位置的下游。煤粉分布盤對煤粉流有很好的濃縮作用，使來流煤粉更集中于燃燒器的中軸線形成一個特殊的風包粉狀態，這樣的煤粉流噴入爐膛內，從煤粉流中心形成一個較大欠氧燃燒的火焰，使初始燃燒的NOx生成率更低，同時風包粉的煤粉流使切圓燃燒的煤粉遠離爐膛四壁避免結渣。

4.1.1 一次風改造內容

（1）移除全部濃淡分離器；（2）減小噴嘴面積，保持高寬比；（3）保持內部鈍體不變；（4）增加兩塊內部水平隔板；（5）同時減小連接風管接口尺寸；（6）周界風出口保持不變，周界風寬度變為25。

4.1.2 二次風改造內容

（1）減小OFA層噴嘴尺寸；（2）減小CC層噴嘴尺寸；（3）減小AB層噴嘴尺寸；（4）OFA、CC、AB增加兩塊內部垂直隔板夾角為10°和15°，以保證風向。

4.2 新加裝SOFA噴嘴及風道

被燃燒器導向的燃燒空氣在爐膛下部形成富燃料區，煤在低氧區揮發，迫使燃料里的氮形成N2而不是NO。在進入鍋爐對流區之前，缺氧燃燒產生的煙氣再與燃盡風系統產生的高動量的氣流在爐膛上部混合，使燃料完全燃燒。

（1）共新增8只SOFA噴嘴，每墻各2只；（2）新加燃盡風風道從二次風道至SOFA噴嘴。

4.3 水冷壁及平臺改造

（1）為SOFA噴嘴在水冷壁對應位置開孔；（2）在開孔位置加密封盒；（3）改造平臺避讓新加燃盡風風道，并加裝平臺便于噴嘴及風道檢修維護。

5 應用效果

目前，4號爐已改造完畢并投運，應用效果良好，具體指標如下：

（1）低氮燃燒系統改造后鍋爐正常運行。（2）低氮燃燒系統脫硝效率達到40%。（3）低氮燃燒系統出口NOx排放濃度小于450mg/Nm3。（4）低氮燃燒系統確保鍋爐50%負荷穩燃。（5）低氮燃燒系統改造后未造成鍋爐受熱面明顯結焦。（6）低氮燃燒系統改造后空氣動力場試驗達到要求。

參考文獻

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[5]侯建鵬，朱云濤，唐燕萍.煙氣脫硝技術的研究[J].電力環境保護，2007，23（3）：24-27.

[6]陳進生，燃煤電廠煙氣脫硝技術-選擇性催化還原法[M].北京：中國電力出版社，2008.

作者簡介：吳鳳玲（1975-），女，本科，工程師，主要從事熱能動力設計工作。

低氮燃燒器用于控制每一個燃燒器的燃料和空氣的混合，燃料和空氣分級送入燃燒設備，其特點在于降低初始燃燒區域內的氧濃度，從而也相應的降低火焰峰值溫度，達到了較少NOx的形成目的。在噴口水平中線裝有傾斜裝置，增加燃燒的傾斜區域來實現深度分級，燃燒器噴口四周的平衡周界風，延遲一二次風的混合，這些區域可以進一步阻止燃料中的N形成NOx。富燃料區域的存在使火焰最高溫度被降低，從而減少了熱力型NO的形成。為了在較低的飛灰含碳量下獲得較低的NOx濃度，煤粉分布盤布置在煤粉噴嘴入口至燃燒器之間的彎頭位置的下游。煤粉分布盤對煤粉流有很好的濃縮作用，使來流煤粉更集中于燃燒器的中軸線形成一個特殊的風包粉狀態，這樣的煤粉流噴入爐膛內，從煤粉流中心形成一個較大欠氧燃燒的火焰，使初始燃燒的NOx生成率更低，同時風包粉的煤粉流使切圓燃燒的煤粉遠離爐膛四壁避免結渣。

4.1.1 一次風改造內容

（1）移除全部濃淡分離器；（2）減小噴嘴面積，保持高寬比；（3）保持內部鈍體不變；（4）增加兩塊內部水平隔板；（5）同時減小連接風管接口尺寸；（6）周界風出口保持不變，周界風寬度變為25。

4.1.2 二次風改造內容

（1）減小OFA層噴嘴尺寸；（2）減小CC層噴嘴尺寸；（3）減小AB層噴嘴尺寸；（4）OFA、CC、AB增加兩塊內部垂直隔板夾角為10°和15°，以保證風向。

4.2 新加裝SOFA噴嘴及風道

被燃燒器導向的燃燒空氣在爐膛下部形成富燃料區，煤在低氧區揮發，迫使燃料里的氮形成N2而不是NO。在進入鍋爐對流區之前，缺氧燃燒產生的煙氣再與燃盡風系統產生的高動量的氣流在爐膛上部混合，使燃料完全燃燒。

（1）共新增8只SOFA噴嘴，每墻各2只；（2）新加燃盡風風道從二次風道至SOFA噴嘴。

4.3 水冷壁及平臺改造

（1）為SOFA噴嘴在水冷壁對應位置開孔；（2）在開孔位置加密封盒；（3）改造平臺避讓新加燃盡風風道，并加裝平臺便于噴嘴及風道檢修維護。

5 應用效果

目前，4號爐已改造完畢并投運，應用效果良好，具體指標如下：

（1）低氮燃燒系統改造后鍋爐正常運行。（2）低氮燃燒系統脫硝效率達到40%。（3）低氮燃燒系統出口NOx排放濃度小于450mg/Nm3。（4）低氮燃燒系統確保鍋爐50%負荷穩燃。（5）低氮燃燒系統改造后未造成鍋爐受熱面明顯結焦。（6）低氮燃燒系統改造后空氣動力場試驗達到要求。

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[6]陳進生，燃煤電廠煙氣脫硝技術-選擇性催化還原法[M].北京：中國電力出版社，2008.

作者簡介：吳鳳玲（1975-），女，本科，工程師，主要從事熱能動力設計工作。