低氮燃烧技术研究

周申瑜

摘要：改革开放以来我国经济每年均保持较高增速，促使我国能源需求居高不下，环境问题日益突出。我国与发达国家相比，现有的煤电机组设备总体技术水平落后，单位发电量煤耗高，能源利用率低，上游煤炭加工率低使得煤炭含硫、含氮量较高，进一步加剧了煤炭燃烧造成的气体排放及环境污染。虽然现阶段社会上涌现出大量新型能源项目，但是由于种种原因还不能全面推广。燃烧造成的煤烟型污染局面将在一定时期内继续存在，其的治理工作不可避免的成为政府和燃煤企业的重要课题。

一、国内技术现状

目前，国内新建的大型电厂燃煤锅炉的燃烧系统中普遍采用低氮燃烧技术。这些技术大多是随锅炉主设备一起引进的，也有一些是属于借鉴国外先进技术自行设计开发的。经过国内电力生产企业和科研院所的消化吸收，目前低氮燃烧技术大都取得了良好的应用；同时国内的锅炉生产厂家在低氮燃烧系统设计领域也正逐步由以前的单纯模仿向自主设计方向迈进。

为控制燃烧过程中NOx的生成量，采取措施的原则为：

1.降低过量空气系数和氧气浓度，使煤粉在缺氧条件下燃烧；

2.降低燃烧温度，防止产生局部高温区；

3.缩短烟气在高温区的停留时间等。

二、技术方法和机理

（一）空气分级燃烧工艺机理

燃燒区的氧浓度对各种类型的NOx生成都有很大影响。当过量空气系数a<1，燃烧区处于“贫氧燃烧”状态时，对于抑制在该区中NOx的生成量有明显效果。根据这一原理，把供给燃烧区的空气量减少到全部燃烧所需用空气量的70%左右，从而降低了燃烧区的氧浓度，也降低了燃烧区的温度水平。因此，第一级燃烧区的主要作用就是抑制NOx的生成并将燃烧过程推迟。燃烧所需的其余空气则通过燃烧器上面的燃尽风喷口送入炉膛与第一级所产生的烟气混合，完成整个燃烧过程。炉内空气分级燃烧分为轴向空气分级燃烧（OFA方式）和径向空气分级燃烧。轴向空气分级将燃烧所需的空气分两部分送入炉膛：一部分为主二次风，约占总二次风量的70～85%，另一部分为燃尽风（OFA），约占总二次风量的15～30%。炉内的燃烧分为三个区域，热解区、贫氧区和富氧区。径向空气分级燃烧是在与烟气流垂直的炉膛截面上组织分级燃烧。它是通过将二次风射流部分偏向炉墙来实现的。空气分级燃烧存在的问题是二段空气量过大，会使不完全燃烧损失增大；煤粉炉由于还原性气氛易结渣、腐蚀。

（二）燃料分级燃烧工艺机理

在主燃烧器形成的初始燃烧区的上方喷入二次燃料，形成富燃料燃烧的再燃区。将80%～85%的燃料送入主燃区，燃料在主燃区燃烧生成NOx；15%～20%的燃料送入再燃区，再燃区过量空气系数小于1.0（α<1.0），具有很强的还原性气氛，在主燃区生成的NOx被还原；再燃区不仅能够还原已经生成的NOx，而且还抑制了新的NOx生成。为了保证再燃区不完全燃烧产物的燃尽，在燃尽区供给一定量的空气（称为燃尽风），在再燃区的上面还需布置燃尽风喷口。根据超细煤粉再燃低NOx燃烧技术原理和前期的研究结果，将整个炉膛燃烧区划分为主燃区、再燃区和燃尽区。各区域出口过量空气系数目标值为：主燃区出口α=0.9～1.0；再燃区出口α=0.8～0.9；燃尽区出口α=1.167。锅炉主、再燃区均以锅炉实际燃用煤为燃料，主燃区燃烧80%～90%的浓煤粉，再燃区喷入10%～20%的超细化煤粉作为再燃燃料。

三、烟气再循环工艺

该技术是把空气预热之前抽取的温度较低的烟气与燃烧用的空气混合，通过燃烧器送入炉内从而降低燃烧温度和氧的浓度，达到降低NOx生成量的目的。存在的问题是由于受燃烧稳定性的限制，一般再循环烟气率为15%～20%，投资和运行费较大，占地面积大。

4 低NOx燃烧器

通过特殊设计的燃烧器结构（LNB）及改变通过燃烧器的风煤比例，以达到在燃烧器着火区空气分级、燃烧分级或烟气再循环法的效果。在保证煤粉着火燃烧的同时，有效抑制NOx的生成。如燃烧器出口燃料分股：浓淡煤粉燃烧。在煤粉管道上的煤粉浓缩器使一次风分成水平方向上的浓淡两股气流，其中一股为煤粉浓度相对高的煤粉气流，含大部分煤粉；另一股为煤粉浓度相对较低的煤粉气流，以空气为主。我国低NOx燃烧技术起步较早，国内新建的300MW及以上火电机组已普遍采用LNBs技术。对现有100～300MW机组也开始进行LNB技术改造。采用LNB技术，只需用低NOx燃烧器替换原来的燃烧器，燃烧系统和炉膛结构不需作任何更改。低氮燃烧技术的脱硝效率仅有25～40%，单靠这种技术已无法满足日益严格的环保法规标准。对我国脱硝而言，烟气脱硝技术将势在必行。

五、低氮燃烧技术的特点

（一）低氮燃烧技术的优点

1.工艺简单、一些技术已经成熟。目前，一些低氮燃烧技术被锅炉生产厂家采用，大部分锅炉在生产制造中已设计使用。此外，现有部分火电厂采用低氮燃烧技术对锅炉进行了改造，以达到烟气中NOX的排放要求。

2.易于锅炉改造，配套设施少、不占地。

3.投资较少、性价比好，新建火电机组配置低氮燃烧设施，增加初投资寥寥无几，在老火电机组改造中只需对锅炉炉膛进行改造即可应用低氮燃烧技术，投资仅为烟气脱硝装置的1/7～1/5；而运行费用几乎为零。

（二）低氮燃烧技术的局限性：

1.较低温度、较低氧量的燃烧环境势必以牺牲燃烧效率为代价，因此，在不提高煤粉细度的情况下，飞灰可燃物含量会增加；

2.由于在燃烧器区域欠氧燃烧，炉膛壁面附近的CO含量增加，具有引起水冷壁管金属腐蚀的潜在可能性；

3.为了降低燃烧温度，推迟燃烧过程，在某些情况下，可能导致着火稳定性下降和锅炉低负荷燃烧稳定性下降；

4.采取的大部分燃烧调整措施均可能使沿炉膛高度的温度分布趋于平坦，使炉膛吸热量发生不同程度的偏移，可能会使炉膛出口烟温偏高。

5.脱硝效率较低（一般为30%-50%左右）。随着火电厂大气污染物排放新标准的实施，低氮燃烧技术已无法满足排放要求。

三、结论

总之，该技术相对简单，投资、运行费用较低，是经济、有效的技术措施。所以，从技术成熟性和成本节约性的角度来看，在NOx排放要求不高的情况下，可采用低氮燃烧技术，也可作为其他烟气脱硝技术的组合技术。