关于锅炉燃烧器结构与布置对生成污染物的探究

王朝威

（江苏大学，江苏 镇江 212013）

2014年，环保部发布《锅炉大气污染物排放标准》，各个企业部门不得不进行技术升级。近几年，我国环保部门对燃煤管控日趋严格，如何控制燃煤产生的污染物也成为一个非常重要的课题。

1 对氮氧化物的影响与控制

1.1 氮氧化物的生成机理

锅炉中的氮氧化物主要来源于以下2部分：①燃料中的含氮物质燃烧生成氮氧化物。这种方式携带的氮元素含量较低。②由空气中携带的大量氮气在高温作用下生成，这也是氮氧化物产生的最主要原因。氮氧化物的生成量主要取决于氧气与氮气浓度、燃烧温度，一般浓度越大，温度越高，产生的氮氧化物越多。按氮氧化物的形成机理来分，可将其分为燃料型、热力型和快速型。燃料型氮氧化物形成的机理比较复杂，与燃料特性、燃料结构比例等诸多因素有关，主要影响因素是燃料挥发分含量与燃烧过程中的过量空气系数。虽然燃料性质无法改变，但过量的空气系数可通过燃烧器结构的优化来控制。热力型氮氧化物在燃烧温度低于1 000℃时生成量比较少，1 300～1 500℃时生成量比较多，因此，可以采取控制燃烧温度的方式来抑制。考虑到煤料灰熔点，避免结渣和氮氧化物的生成，一般锅炉燃烧温度控制在1 200℃以下为宜。快速型氮氧化物主要产生于碳氢化合物含量较高、氧浓度比较低的富燃料区，因此，可以通过控制空气供给量、燃料浓度或者氧气浓度来抑制氮氧化物的生成。

1.2 燃烧器结构与布置措施

1.2.1 烟气再循环

采用烟气再循环技术的优点就是尾部烟气具有一定温度，通入炉膛既可以降低燃烧温度，又不至于让燃烧温度过低。在实际工作中，调节烟气供给与空气供给的比例，并进行有效的控制，有利于遏制热力型氮氧化物的生成。燃烧器的布置方法主要有2种：①氧气与烟气混合后一同携带煤粉进入炉膛燃烧。这种方法不利于煤粉与氧气的充分接触。②先让空气作为一次风携带煤粉进行燃烧，然后将烟气与二次风混合再喷入燃烧区进一步燃烧。这种方法既有利于煤粉初步燃烧，又使得燃烧温度不至于过高。

1.2.2 分级燃烧

分级燃烧的主要措施是：①将燃料分为2部分，由不同燃烧器喷嘴喷入炉膛，燃料比较多的一部分先进行富氧燃烧，然后再与较少的另一部分混合，将一级燃烧生成的氮氧化物还原。②将炉内燃烧空间分为2部分，不同的燃烧区域采用不同的氧气浓度。炉内底部为主燃烧区，控制此处的温度，使空气供给不足，即可形成缺氧燃烧的局面，抑制氮氧化物的生成。然后燃料在烟气流带动下进入富氧区（可以通过燃烧器喷嘴二次进风），在此区域内完全燃烧，有效抑制氮氧化物的生成，而且温度也可以用进风温度来调节。③为了使效果更加显著，可以将以上方法结合，即将烟气循环与空气混合，再分级进入锅炉控制燃烧温度和氧气浓度。同时，采用两部分分级法，一部分是燃烧器内分级，另一部分是锅炉内燃烧器布置分级。燃烧器内分级是将煤粉与空气以及烟气分级供给，通过控制空气进给量（或者氧气进给量）辅以烟气调节燃烧温度，实现对氮氧化物生成量的控制。锅炉内燃烧器布置是将炉内空间分为主燃烧区、主还原区和完全燃烧区，分级喷入不同浓度的燃料、空气和烟气，以达到进一步减少氮氧化物的目的。分级燃烧的缺陷是，烟气与空气的混合比例难以控制，过多的烟气和空气会使炉内温度降低过多，不利于煤粉充分燃烧，且容易带走炉内热量，降低锅炉效率；过少的空气会导致燃料不能充分燃烧。

2 对硫化物的影响与控制

2.1 硫化物的生成机理

硫化物主要是指二氧化硫和三氧化硫，煤料中的含硫物质（煤中硫的主要存在形式可以分为3种，即有机硫、硫铁矿硫和硫酸盐硫）在高温作用下，与空气中的氧生成二氧化硫，或者与富氧进一步生成三氧化硫。

2.2 燃烧器结构与布置安排

干法脱硫技术结构与布置安排是：①大多数锅炉都要将煤磨制成粉，同样可以同时将石灰石磨成粉，然后与煤粉一起通过燃烧器通入炉内。煤粉燃烧时，将热量传递给石灰石粉末，石灰石粉末在高温作用下生成氧化钙，氧化钙继续与生成的二氧化硫反应生成固体化合物。这时，锅炉燃烧器不仅要进气、进煤粉，还要进石灰石粉。石灰石粉的颗粒大小要根据燃烧温度而定，过粗的粉末易下沉，不利于充分吸收燃烧物中的二氧化硫，且会对燃烧器造成磨损，而过细的石灰石粉则会增加运行成本。②前面已述，可以采用燃烧空间分级的方法进行燃烧。对于石灰石脱硫，同样可以采用在不同的燃烧空间分级喷钙的方式。石灰石粉末可以利用再循环烟气喷入炉膛内，这样既不会降低炉膛温度，又能达到输送石灰石粉末的目的，反应过程与1.2中所述内容一致。这种方法是将燃烧中产生的硫化物固定在固体物质中。③上述2种方法可以结合使用，在燃烧器端混合石灰石与煤粉，煤料燃烧时，释放大量热能，使石灰石粉分解得更加充分，氧化钙生成量更多，更有利于实时吸收生成的硫化物。在燃烧过程中，喷钙有利于二氧化硫的进一步吸收，使炉膛出口处的烟气污染物含量降至最低。这种方法的优点是，将同一种脱硫方式应用于锅炉的不同部位，操作简单易行，运行成本不高；缺点是石灰石粉与煤粉的比例不易控制，过多的石灰石粉末会吸收一部分热能，其作为废渣排出时也会带走一部分热能，而过少的石灰石粉末会使炉内硫化物吸收得不充分，过粗的石灰石粉末易对燃烧器喷嘴造成磨损。

3 结束语

为了从燃烧端控制氮氧化物和硫化物的生成，出现了许多低氮燃烧器的设计，其主要设计思路都是在过量空气系数、氧配比上进行研究，以有效抑制氮氧化物的生成。除了从燃烧端控制外，在烟气处理部分进行的研究也卓有成效，综合运用已知技术是处理污染物的关键。本文根据当前燃烧器的设计思路，提出了运用烟气再循环与分级燃烧技术以抑制氮氧化物生成的方案，以及运用燃烧器内部与炉膛内燃烧器布置及时吸收硫化物的方案，以期将硫化物排放量降至最低。

［1］王雷.电厂锅炉低氮燃烧器改造项目综合评价研究［D］.北京：华北电力大学，2016.

［2］徐宁.关于京隆电厂低氮燃烧器改造的研究［D］.北京：华北电力大学，2015.

［3］孙铁朦.氮氧化物的形成及控制技术［D］.长沙：中南大学，2017.