低氮燃燒技術(shù)研究

周申瑜

摘要：改革開放以來我國經(jīng)濟(jì)每年均保持較高增速，促使我國能源需求居高不下，環(huán)境問題日益突出。我國與發(fā)達(dá)國家相比，現(xiàn)有的煤電機(jī)組設(shè)備總體技術(shù)水平落后，單位發(fā)電量煤耗高，能源利用率低，上游煤炭加工率低使得煤炭含硫、含氮量較高，進(jìn)一步加劇了煤炭燃燒造成的氣體排放及環(huán)境污染。雖然現(xiàn)階段社會(huì)上涌現(xiàn)出大量新型能源項(xiàng)目，但是由于種種原因還不能全面推廣。燃燒造成的煤煙型污染局面將在一定時(shí)期內(nèi)繼續(xù)存在，其的治理工作不可避免的成為政府和燃煤企業(yè)的重要課題。

一、國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)新建的大型電廠燃煤鍋爐的燃燒系統(tǒng)中普遍采用低氮燃燒技術(shù)。這些技術(shù)大多是隨鍋爐主設(shè)備一起引進(jìn)的，也有一些是屬于借鑒國外先進(jìn)技術(shù)自行設(shè)計(jì)開發(fā)的。經(jīng)過國內(nèi)電力生產(chǎn)企業(yè)和科研院所的消化吸收，目前低氮燃燒技術(shù)大都取得了良好的應(yīng)用；同時(shí)國內(nèi)的鍋爐生產(chǎn)廠家在低氮燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域也正逐步由以前的單純模仿向自主設(shè)計(jì)方向邁進(jìn)。

為控制燃燒過程中NOx的生成量，采取措施的原則為：

1.降低過量空氣系數(shù)和氧氣濃度，使煤粉在缺氧條件下燃燒；

2.降低燃燒溫度，防止產(chǎn)生局部高溫區(qū)；

3.縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間等。

二、技術(shù)方法和機(jī)理

（一）空氣分級(jí)燃燒工藝機(jī)理

燃燒區(qū)的氧濃度對(duì)各種類型的NOx生成都有很大影響。當(dāng)過量空氣系數(shù)a<1，燃燒區(qū)處于“貧氧燃燒”狀態(tài)時(shí)，對(duì)于抑制在該區(qū)中NOx的生成量有明顯效果。根據(jù)這一原理，把供給燃燒區(qū)的空氣量減少到全部燃燒所需用空氣量的70%左右，從而降低了燃燒區(qū)的氧濃度，也降低了燃燒區(qū)的溫度水平。因此，第一級(jí)燃燒區(qū)的主要作用就是抑制NOx的生成并將燃燒過程推遲。燃燒所需的其余空氣則通過燃燒器上面的燃盡風(fēng)噴口送入爐膛與第一級(jí)所產(chǎn)生的煙氣混合，完成整個(gè)燃燒過程。爐內(nèi)空氣分級(jí)燃燒分為軸向空氣分級(jí)燃燒（OFA方式）和徑向空氣分級(jí)燃燒。軸向空氣分級(jí)將燃燒所需的空氣分兩部分送入爐膛：一部分為主二次風(fēng)，約占總二次風(fēng)量的70～85%，另一部分為燃盡風(fēng)（OFA），約占總二次風(fēng)量的15～30%。爐內(nèi)的燃燒分為三個(gè)區(qū)域，熱解區(qū)、貧氧區(qū)和富氧區(qū)。徑向空氣分級(jí)燃燒是在與煙氣流垂直的爐膛截面上組織分級(jí)燃燒。它是通過將二次風(fēng)射流部分偏向爐墻來實(shí)現(xiàn)的。空氣分級(jí)燃燒存在的問題是二段空氣量過大，會(huì)使不完全燃燒損失增大；煤粉爐由于還原性氣氛易結(jié)渣、腐蝕。

（二）燃料分級(jí)燃燒工藝機(jī)理

在主燃燒器形成的初始燃燒區(qū)的上方噴入二次燃料，形成富燃料燃燒的再燃區(qū)。將80%～85%的燃料送入主燃區(qū)，燃料在主燃區(qū)燃燒生成NOx；15%～20%的燃料送入再燃區(qū)，再燃區(qū)過量空氣系數(shù)小于1.0（α<1.0），具有很強(qiáng)的還原性氣氛，在主燃區(qū)生成的NOx被還原；再燃區(qū)不僅能夠還原已經(jīng)生成的NOx，而且還抑制了新的NOx生成。為了保證再燃區(qū)不完全燃燒產(chǎn)物的燃盡，在燃盡區(qū)供給一定量的空氣（稱為燃盡風(fēng)），在再燃區(qū)的上面還需布置燃盡風(fēng)噴口。根據(jù)超細(xì)煤粉再燃低NOx燃燒技術(shù)原理和前期的研究結(jié)果，將整個(gè)爐膛燃燒區(qū)劃分為主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。各區(qū)域出口過量空氣系數(shù)目標(biāo)值為：主燃區(qū)出口α=0.9～1.0；再燃區(qū)出口α=0.8～0.9；燃盡區(qū)出口α=1.167。鍋爐主、再燃區(qū)均以鍋爐實(shí)際燃用煤為燃料，主燃區(qū)燃燒80%～90%的濃煤粉，再燃區(qū)噴入10%～20%的超細(xì)化煤粉作為再燃燃料。

三、煙氣再循環(huán)工藝

該技術(shù)是把空氣預(yù)熱之前抽取的溫度較低的煙氣與燃燒用的空氣混合，通過燃燒器送入爐內(nèi)從而降低燃燒溫度和氧的濃度，達(dá)到降低NOx生成量的目的。存在的問題是由于受燃燒穩(wěn)定性的限制，一般再循環(huán)煙氣率為15%～20%，投資和運(yùn)行費(fèi)較大，占地面積大。

4 低NOx燃燒器

通過特殊設(shè)計(jì)的燃燒器結(jié)構(gòu)（LNB）及改變通過燃燒器的風(fēng)煤比例，以達(dá)到在燃燒器著火區(qū)空氣分級(jí)、燃燒分級(jí)或煙氣再循環(huán)法的效果。在保證煤粉著火燃燒的同時(shí)，有效抑制NOx的生成。如燃燒器出口燃料分股：濃淡煤粉燃燒。在煤粉管道上的煤粉濃縮器使一次風(fēng)分成水平方向上的濃淡兩股氣流，其中一股為煤粉濃度相對(duì)高的煤粉氣流，含大部分煤粉；另一股為煤粉濃度相對(duì)較低的煤粉氣流，以空氣為主。我國低NOx燃燒技術(shù)起步較早，國內(nèi)新建的300MW及以上火電機(jī)組已普遍采用LNBs技術(shù)。對(duì)現(xiàn)有100～300MW機(jī)組也開始進(jìn)行LNB技術(shù)改造。采用LNB技術(shù)，只需用低NOx燃燒器替換原來的燃燒器，燃燒系統(tǒng)和爐膛結(jié)構(gòu)不需作任何更改。低氮燃燒技術(shù)的脫硝效率僅有25～40%，單靠這種技術(shù)已無法滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)我國脫硝而言，煙氣脫硝技術(shù)將勢(shì)在必行。

五、低氮燃燒技術(shù)的特點(diǎn)

（一）低氮燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.工藝簡(jiǎn)單、一些技術(shù)已經(jīng)成熟。目前，一些低氮燃燒技術(shù)被鍋爐生產(chǎn)廠家采用，大部分鍋爐在生產(chǎn)制造中已設(shè)計(jì)使用。此外，現(xiàn)有部分火電廠采用低氮燃燒技術(shù)對(duì)鍋爐進(jìn)行了改造，以達(dá)到煙氣中NOX的排放要求。

2.易于鍋爐改造，配套設(shè)施少、不占地。

3.投資較少、性價(jià)比好，新建火電機(jī)組配置低氮燃燒設(shè)施，增加初投資寥寥無幾，在老火電機(jī)組改造中只需對(duì)鍋爐爐膛進(jìn)行改造即可應(yīng)用低氮燃燒技術(shù)，投資僅為煙氣脫硝裝置的1/7～1/5；而運(yùn)行費(fèi)用幾乎為零。

（二）低氮燃燒技術(shù)的局限性：

1.較低溫度、較低氧量的燃燒環(huán)境勢(shì)必以犧牲燃燒效率為代價(jià)，因此，在不提高煤粉細(xì)度的情況下，飛灰可燃物含量會(huì)增加；

2.由于在燃燒器區(qū)域欠氧燃燒，爐膛壁面附近的CO含量增加，具有引起水冷壁管金屬腐蝕的潛在可能性；

3.為了降低燃燒溫度，推遲燃燒過程，在某些情況下，可能導(dǎo)致著火穩(wěn)定性下降和鍋爐低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性下降；

4.采取的大部分燃燒調(diào)整措施均可能使沿爐膛高度的溫度分布趨于平坦，使?fàn)t膛吸熱量發(fā)生不同程度的偏移，可能會(huì)使?fàn)t膛出口煙溫偏高。

5.脫硝效率較低（一般為30%-50%左右）。隨著火電廠大氣污染物排放新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，低氮燃燒技術(shù)已無法滿足排放要求。

三、結(jié)論

總之，該技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，投資、運(yùn)行費(fèi)用較低，是經(jīng)濟(jì)、有效的技術(shù)措施。所以，從技術(shù)成熟性和成本節(jié)約性的角度來看，在NOx排放要求不高的情況下，可采用低氮燃燒技術(shù)，也可作為其他煙氣脫硝技術(shù)的組合技術(shù)。