摘要：燃煤锅炉是NOx的排放大户，NOx的排放会对人体健康及生态环境造成危害。为保护环境，我国要求控制燃煤锅炉NOx的排放。本文对NOx生成特性及控制机理，国内外低氮燃烧器技术的特点进行了概述与分析，通过对燃烧器进行改造，NOx减排率均达到43%以上，改造效果明显。
关键词：燃煤锅炉；低氮燃烧器；氮氧化物；锅炉效率
1 引言
目前，燃煤锅炉脱硝技术研究主要集中在燃烧中和燃烧后的NOx控制，在国际上把燃烧中NOx控制措施统称为一次措施，把燃烧后的NOx控制措施称为二次措施，又称为烟气脱硝技术。本文主要介绍在燃煤锅炉燃烧过程中常用的几种低氮燃烧技术及需要注意的几点问题。
2 NOx的生成机理
按照NOx生成机理的不同，可将占NOx分为三种：燃料型、温度型、快速温度型。燃料型NOx是指燃料挥发分中的氮受热分解和氧化产生的，其生成与煤质特性及燃烧条件密切相关，这部分NOx占NOx总量的80%-90%。控制燃料型NOx生成量的方法，是在燃料着火的初期，控制其过量空气系数，保持煤粉在着火初始阶段处于缺氧状态。温度型NOx主要是指在超过1800K的高温下，空气中的氮发生氧化反应，火焰温度越高，NOx的生成量越多。温度型NOx占NOx总量的10%-20%。控制这部分NOx的手段是使燃烧处于较低的燃烧水平，并且保持火焰温度分布均匀。快速温度型NOx主要由空气中的氮和燃料中碳氢化合物，首先在高温下反应生成中间产物N、NCH、CN等，然后与氧快速反应，所形成的NOx。这部分NOx占NOx总量的5%。
3 低氮燃烧技术
3.1 燃烧分级技术
燃烧分级技术是在主燃烧器形成初始燃烧区的上方喷入二次燃料，从而形成富燃料燃烧的再燃区，当NOx进入该区域时将被还原成N2。燃烧分级技术为了保证再燃区的不完全燃烧产物能够燃烬，需要在再燃区的上面布置燃尽风喷口。燃烧分级技术的关键因素是改变再燃烧区的燃料与空气的比例；存在的问题是为了减少不完全燃烧损失，需加空气对再燃区烟气进行三级燃烧，因此配风系统较复杂。
3.2 空气分级燃烧技术
空气分级燃烧技术（OFA）是现阶段应用较为广泛的低氮燃烧技术，它的主要原理是将燃料的燃烧过程分段进行。该技术是将燃烧用风分为一次风和二次风，目的是减少燃料燃烧区域的空气量（一次风），提高燃烧区域的燃料浓度，推迟一次风和二次风的混合时间，这样燃料进入炉膛时就形成了一个富燃料区，使燃料在富燃料区进行缺氧燃烧，以降低燃料型NOx的生成。缺氧燃烧产生的烟气再与二次风混合，使燃料完全燃烧。目前该技术与其他初级控制措施联合使用，已成为新建锅炉整体设计的一部分，在适度控制NOx排放的要求下，一般作为现阶段锅炉低氮排放改造的首选。空气分级燃烧技术又分水平方向和垂直方向燃烧技术，它们之间相互作用，彼此关联。（1）水平方向空气分级燃烧技术如图1所示。该燃烧方式是与烟气垂直的炉膛断面上组织分级燃烧，它是通过将一次风和二次风不等切圆，部分二次风射流偏向炉墙来实现的。该技术不但可以使主燃区处于还原性气氛从而减少NOx的排放量，还可使炉墙附近处于氧化性气氛，因此可以避免水冷壁的高温腐蚀以及因还原性气氛使灰熔融性温度下降而导致的燃烧器附近结渣。（2）垂直方向上空气分级燃烧技术如图2所示。将燃料所需的空气分成2部分送入炉膛：一部分为主二次风，约占总二次风量70%～85%；另一部分为燃尽风，约占总二次风量的15%～30%。因此，炉内的燃烧分成3个区域，即热解区、贫氧区和富氧区。上部燃尽风送入炉膛时，已经避开了高温火焰区，使未燃尽产物能够完全燃烧。
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3.3 M-PM燃烧器
M-PM燃烧器是三菱公司于2010年研发的，该燃烧器煤粉气流呈现中心浓，外部淡的分布，浓相煤粉被淡相煤粉包裹着在喷嘴出口处燃烧，并在出口形成均匀的着火面；煤粉着火时火焰处于一个还原性的气氛，还原性物质使NOx有效还原；控制二次风的混合，使外部火焰的氧浓度达到适合的状态，降低高温高氧区域。M-PM燃烧器不仅可以有效降低NOx排放浓度，具有较好的着火特性，同时可以有效防止煤粉气流贴壁，保障燃烧器区域水冷壁的安全。珠海电厂2×700MW机组，通过燃烧器改造后，满负荷运行时NOx排放浓度由360mg/m3降低到136mg/m3，NOx减排率达62%。
3.4 DRB-4Z燃烧器
DRB-4Z燃烧器是B&W公司于2000年研发的，该燃烧器在原来DRB-XCL双调风旋流燃烧器的基础上，增设了过渡性供风，相当于在一次风和内二次风之间增加了一个直流二次风，在一次风外围形成过渡区，过渡区内的空气推迟内二次风与着火后的煤粉气流的混合，使NOx生成量降低。某电厂300MW机组，使用DRB-4Z燃烧器替代原有燃烧器后，在满负荷运行时NOx排放浓度由488mg/m3以上控制到280mg/m3以下。
3.5 DSB燃烧器
DSB燃烧器是西安热工研究院研发的低氮燃烧器，该燃烧器一次风管道与二次风管道连通，在惯性力的作用下，一次风与二次风之间形成压差，一部分煤粉被分离到二次风内部，燃料在燃烧器内部形成一浓一淡两股相互隔离的煤粉，形成浓淡分离的燃烧方式。某电厂1、2号炉在燃用贫煤时NOx排放从改造前的1300mg/m3降低到700mg/m3，同时燃烧稳定性大幅度提升。
4 低氮燃烧技术的比较
低氮燃烧技术是应用最广，相对简单、经济的方法。在燃煤过程中排放的众多污染物中，NOx是唯一可以通过改进燃烧方式来降低其排放量的气体污染物。但在实施低氮燃烧技术时，会不同程度地遇到下列问题。（1）随着二段空气量增大，会使不完全燃烧损失也相应增大，实际中二段空气量约为空气总量的15％～20％。（2）较低温度、较低氧量的燃烧环境会降低锅炉的燃烧效率，在不提高燃料（例如煤粉）细度的情况下，飞灰可燃物含量会增加；由于在燃烧器区域缺氧燃烧，炉膛壁面附近的CO含量增加，可能会引起水冷壁管的金属腐蚀。（3）为了降低燃烧温度，延迟燃烧过程，在某些情况下会降低着火稳定性和导致锅炉低负荷燃烧稳定性下降。（4）大部分燃烧调整措施的应用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，最终导致炉膛出口烟温偏高。
5 结束语
本文概述了NOx的生产特性及抑制机理，并综合分析了国内外低氮燃烧器技术，如燃烧分级技术、空气分级燃烧技术、M-PM燃烧器、DRB-4Z燃烧器、DSB燃烧器等，低氮燃烧器主要通过改变燃烧器结构，进而改变风煤比例，在保证燃烧的基础上，尽可能的降低NOx的生成。上述三种低氮燃烧器改造后效果明显，NOx减排率均达到43%以上，此外与其他低氮燃烧技术配合后，NOx脱除效果将进一步提升。
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论文作者:许强
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
标签：燃烧器论文; 燃料论文; 技术论文; 锅炉论文; 炉膛论文; 温度论文; 空气论文; 《电力设备》2019年第4期论文;