國內(nèi)外低NOx旋流燃燒器研究進(jìn)展

殷慶棟，魏穎莉，魏 剛，劉文獻(xiàn)

(1.河北省電力研究院，河北石家莊 050021;2.河北省電力公司，河北石家莊 050021)

國內(nèi)外低NOx旋流燃燒器研究進(jìn)展

殷慶棟1，魏穎莉2，魏 剛1，劉文獻(xiàn)1

(1.河北省電力研究院，河北石家莊 050021;2.河北省電力公司，河北石家莊 050021)

針對日益嚴(yán)格的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，對國內(nèi)外典型的低NOx旋流燃燒器的研究進(jìn)展做了總體回顧，并詳細(xì)介紹了先進(jìn)的低NOx燃燒器的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用狀況，總結(jié)得出了低NOx旋流燃燒器的影響因素。

低NOx燃燒器;旋流;適應(yīng)性;風(fēng)煤比例

0 引言

NOx是大氣中的主要污染物，它是刺激人的呼吸系統(tǒng)，損害動(dòng)植物，并且引起酸雨、光化學(xué)煙霧、溫室效應(yīng)和破壞臭氧層的主要物質(zhì)之一。有關(guān)資料表明，電站鍋爐的NOx排放量占各種燃燒裝置NOx的排放量總和的一半以上，而且80%左右是由煤粉鍋爐排放的［1］。

1 降低NOx排放的現(xiàn)狀

目前，降低燃燒過程中的NOx排放有兩類方法:一是燃燒控制技術(shù)。采用各種措施抑制或者還原爐內(nèi)燃燒過程中產(chǎn)生的 NOx，如燃燒優(yōu)化、低NOx燃燒器、空氣分級等;二是煙氣后處理技術(shù)。在燃燒后將已形成的NOx還原成N2，如選擇性催化還原、非選擇性催化還原等。在各種降低NOx排放的技術(shù)中，低NOx燃燒器技術(shù)應(yīng)用較廣、相對簡單、經(jīng)濟(jì)并且有效。近年來，世界各國的大鍋爐公司，為使其鍋爐產(chǎn)品滿足日益嚴(yán)格的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，分別開發(fā)了不同類型的低NOx燃燒器，低NOx燃燒器迎來了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。

低NOx燃燒器的基本原理是:通過特殊設(shè)計(jì)的燃燒器結(jié)構(gòu)以及通過改變?nèi)紵鞯娘L(fēng)煤比例，在穩(wěn)定燃燒的基礎(chǔ)上，盡可能地降低著火氧濃度，適當(dāng)降低著火區(qū)溫度，達(dá)到最大限度地抑制NOx生成。

2 低NOx旋流燃燒器介紹

2.1 北美地區(qū)

2.1.1 DRB 燃燒器［3－4］

美國B＆W公司研制了雙調(diào)風(fēng)DRB煤粉燃燒器。一次風(fēng)管外有可調(diào)的內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)管，風(fēng)管中設(shè)有軸向可動(dòng)葉片，用于改變內(nèi)、外二次風(fēng)的比例和旋流強(qiáng)度，以調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)的混合。雙調(diào)風(fēng)燃燒器主要通過控制煤粉與空氣的混合，延遲燃燒過程，降低燃燒強(qiáng)度和火焰最高溫度來降低NOx的生成量。當(dāng)它燃用煙煤時(shí)，一次風(fēng)量約為20%，內(nèi)二次風(fēng)量約為20% ～25%，其余空氣為外二次風(fēng)，并以較高的旋流強(qiáng)度送入爐膛，一方面保證燃料燃盡;另一方面在火焰周圍形成氧化性氣氛，對防止結(jié)渣和高溫腐蝕十分有利。運(yùn)行實(shí)踐表明，采用DRB燃燒器進(jìn)行空氣分級燃燒后，距噴口1.2m處的火焰溫度由1600℃降至1400℃，NOx排放濃度可降低39%。

2.1.2 PAX 燃燒器［5－6］

PAX型燃燒器是加拿大B＆W公司在雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器的基礎(chǔ)上，增設(shè)了PAX裝置(一次風(fēng)置換裝置)，與直吹式制粉系統(tǒng)配套使用;當(dāng)一次風(fēng)粉氣流通過燃燒器入口彎頭時(shí)，由于離心力的作用，被分為兩股，彎頭內(nèi)側(cè)為淡風(fēng)粉氣流，將其作為三次風(fēng)在燃燒器周圍另開的三次風(fēng)口噴入爐膛;彎頭外側(cè)為濃風(fēng)粉氣流，進(jìn)入燃燒器與從二次風(fēng)箱引入的溫度為310℃～371℃的一部分熱風(fēng)相混合后作為一次風(fēng)噴入爐膛，在一次風(fēng)噴口處裝有多層盤式穩(wěn)焰器;二次風(fēng)通過軸向葉片形成旋轉(zhuǎn)氣流進(jìn)入爐內(nèi)。采取高濃度煤粉燃燒技術(shù)對燃燒低揮發(fā)分鍋爐降低NOx強(qiáng)化穩(wěn)燃的重要性。

2.1.3 XCL 燃燒器［5，7］

為了方便鍋爐改型，Babcock－Wilcox公司開發(fā)了XCL型燃燒器。XCL型燃燒器采用套閥調(diào)節(jié)內(nèi)、外氣流區(qū)，在內(nèi)、外氣流區(qū)采用可調(diào)節(jié)旋流度。其NOx排放比雙調(diào)風(fēng)燃燒器約低25%。XCL燃燒器最重要的優(yōu)點(diǎn)是它可以通過選用合適的葉輪使火焰形狀適應(yīng)爐型，對深度有限的爐窯(如單置墻式爐)，可使火焰長度減短。

2.2 德國

2.2.1 SM 燃燒器［3］

SM燃燒器的特點(diǎn)是一次風(fēng)和煤粉不旋轉(zhuǎn)，二次風(fēng)通過軸向葉片形成旋流。一、二次風(fēng)量占燃燒所需總空氣量的80% ～90%，在燃燒器噴口處形成富燃料區(qū)，其余空氣從燃燒器噴口周邊一定距離處對稱布置的四個(gè)二級空氣噴口以直流的形式送入爐膛，此二級燃燒空氣的作用類似于爐膛空氣分級燃燒的OFA，當(dāng)燃燒劣質(zhì)煤和無煙煤時(shí)，它的NOx排放量比一般燃燒器低22%～32%。

2.2.2 DS 型燃燒器［4－5，8］

在DRB型的基礎(chǔ)上，Babcock公司開發(fā)了第二、三代產(chǎn)品:WS型和DS型燃燒器。它充分考慮了減少NOx生成及可能出現(xiàn)的問題。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:中心風(fēng)速減緩，保證回流區(qū)的穩(wěn)定;增大一次風(fēng)射流的周界長度和一次風(fēng)粉氣流同高溫?zé)煔獾慕佑|面積，提高了煤粉的著火穩(wěn)定性;在一次風(fēng)道內(nèi)安裝了旋流導(dǎo)向葉片，使一次風(fēng)產(chǎn)生旋流，并將噴嘴端部設(shè)計(jì)成外擴(kuò)型;煤粉噴嘴出口加裝了環(huán)形齒穩(wěn)燃器;在外二次風(fēng)的通道中則采用各自的擴(kuò)張形噴口，以使內(nèi)、外二次風(fēng)不會提前混合;內(nèi)外二次風(fēng)道為切向進(jìn)風(fēng)渦殼式結(jié)構(gòu)，保證燃燒器出口斷面空氣分布均勻，增加了優(yōu)化燃燒所具備的旋流強(qiáng)度。DS型燃燒器主要由點(diǎn)火油槍、紫外火焰監(jiān)測器、一次風(fēng)風(fēng)道、中心管、內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)道、外二次風(fēng)風(fēng)道、紅外火焰監(jiān)測器組成、旋流葉片、火焰穩(wěn)定器。DS型低NOx燃燒器可實(shí)現(xiàn)NOx低于450mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。它既可用于前后墻對沖燃燒方式，也可用于切圓燃燒方式，對于燃用優(yōu)質(zhì)煤和劣質(zhì)煤均適用。

2.3 日本

2.3.1 IHI－FW 臥式分離器旋流燃燒器［3］

這種燃燒器的突出特點(diǎn)是加裝臥式旋風(fēng)分離器。從磨煤機(jī)來的一次風(fēng)粉流先導(dǎo)入旋風(fēng)分離器，分離器的導(dǎo)流板可處于高、低負(fù)荷的位置。燃用劣質(zhì)煤或低負(fù)荷燃燒時(shí)，導(dǎo)流板置于低負(fù)荷位置，被分離出的高濃度風(fēng)粉流被送入燃燒器中心的低負(fù)荷噴嘴(高濃度噴嘴)，在出口著火區(qū)形成高濃度燃燒。被分離出的低濃度風(fēng)粉流從另一低濃度風(fēng)粉管由高濃度噴口周圍的低濃度噴口進(jìn)入爐膛，與高濃度火焰形成濃淡燃燒。燃用優(yōu)質(zhì)煤或高負(fù)荷燃燒時(shí)，導(dǎo)流板置于高負(fù)荷位置，一次風(fēng)粉流可不經(jīng)分離器直接進(jìn)入低濃度噴嘴進(jìn)行正常燃燒。這種臥式分離器的作用相當(dāng)于濃縮器。這種燃燒器具有優(yōu)良的降低NOx的能力和低負(fù)荷穩(wěn)燃性能。

2.3.2 HT －NR 型燃燒器

在雙調(diào)風(fēng)燃燒器的基礎(chǔ)上，日本Babcock－Hitachi推出了HT－NR型燃燒器，HT－NR燃燒器的原理即火焰內(nèi)高溫還原NOx。燃燒區(qū)域分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)，A為脫揮發(fā)分區(qū)，B為烴根產(chǎn)生區(qū)，C為NOx還原區(qū)，D為氧化區(qū)。燃料在A區(qū)低空燃比條件下釋放出揮發(fā)分，產(chǎn)生大量的NOx;在下游B區(qū)形成烴根生成區(qū);在C區(qū)快速形成的烴根使NOx還原為N2;在D區(qū)實(shí)現(xiàn)充分燃燒。與雙調(diào)風(fēng)燃燒器不同的是，它在噴嘴出口處裝有陶瓷火焰穩(wěn)定環(huán)，從而在噴口附近形成回流區(qū)，使煤粉離開燃料噴嘴后迅速著火，加速了脫揮發(fā)分期間的燃燒速率。HTNR燃燒器的NOx排放水平比雙調(diào)風(fēng)燃燒器的還要低30%～50%。

2.4 中國

我國的低NOx燃燒器研究起步較晚，近年來隨著國家的重視，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)以及西安熱工院等單位開發(fā)出了一系列低NOx燃燒器，取得了一些成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了徑向濃淡旋流煤粉燃燒器，由直流二次風(fēng)通道、旋流器、旋流二次風(fēng)通道、一次風(fēng)通道、中心管、點(diǎn)火裝置、直流二次風(fēng)檔板、煤粉濃縮器、淡一次風(fēng)風(fēng)道、濃一次風(fēng)風(fēng)道組成［9］。原理是在一次風(fēng)通道中加入煤粉濃縮器，使一次風(fēng)粉混合物分成濃淡兩相。同時(shí)，二次風(fēng)也分成了兩部分:一部分經(jīng)過旋流二次風(fēng)通道以旋流的形式進(jìn)入爐膛;另一部分經(jīng)過直流二次風(fēng)通道以直流的形式進(jìn)入，改變直流二次風(fēng)擋板的開度，可以調(diào)節(jié)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度。旋流器為軸向彎曲葉片。NOx排放濃度為600mg/m3，鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷可達(dá)50%。

西安熱工院開發(fā)了DSB低氮型燃燒器，主要特點(diǎn)是在燃燒器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)稀相向二次風(fēng)擴(kuò)散，從而使得一次風(fēng)速可調(diào)，極大地提高了燃燒穩(wěn)定性和煤種適應(yīng)性。將其應(yīng)用于華能南京電廠1號爐改造，OFA配合，鍋爐NOx排放量從1300mg/m3降低到平均700mg/m3，降低率46%。

3 低NOx旋流燃燒器的影響因素

旋流煤粉燃燒器一般都是圓形布置，從中心向外依次是中心風(fēng)、含煤粉的一次風(fēng)、二次風(fēng)。通過二次風(fēng)旋流與中心處穩(wěn)燃錐的共同作用，在燃燒器出口形成一個(gè)高溫?zé)煔獾幕亓鲄^(qū)，而煤粉則往往是利用一次風(fēng)道中的煤粉濃縮器形成煤粉的內(nèi)濃外淡，從而在二次風(fēng)的旋流作用下，煤粉由中心向回流區(qū)邊緣移動(dòng)，有利于濃煤粉首先著火，引燃淡煤粉。隨著旋流強(qiáng)度增大，煙氣回流區(qū)加大，又增加了橫向湍流混合，有利于煤粉著火，故煤粉燃盡率提高?；亓鲄^(qū)是影響旋流燃燒器的最重要因素，回流區(qū)受一、二次風(fēng)等很多方面的影響。加大回流區(qū)，加強(qiáng)紊流效果，是評價(jià)燃燒器的重要準(zhǔn)則，主要有以下幾點(diǎn):

(1)中心風(fēng)氣流的大小對回流區(qū)影響很大，中心風(fēng)太大，回流區(qū)就會大大減小，為了適應(yīng)我國電站鍋爐普遍動(dòng)力用煤(劣質(zhì)煤)的需要，就需要減小中心風(fēng)風(fēng)速，以加大回流區(qū)，從而提高回流高溫?zé)煔饬?，使劣質(zhì)煤盡早接觸高溫?zé)煔舛稹?/p>

(2)內(nèi)二次風(fēng)對回流區(qū)影響次之，內(nèi)二次風(fēng)太大也會使回流區(qū)減小，但內(nèi)二次風(fēng)太小就會降低空氣供給量，影響煤粉的穩(wěn)定燃燒。因此，內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)速要選定一個(gè)合適的范圍，即能滿足穩(wěn)燃的需要，保證回流區(qū)穩(wěn)定;又不至于大大增加NOx的排放量。朱艷濤等人在進(jìn)行LN－B低NOx旋流燃燒器冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn):內(nèi)二次風(fēng)速度為0和5m/s時(shí)，回流區(qū)的平均風(fēng)速為 －2.8m/s和 －0.8m/s，由此可見內(nèi)二次風(fēng)速度對回流區(qū)有重要影響，減小內(nèi)二次速率有利于回流區(qū)的形成。

(3)外二次風(fēng)對回流區(qū)影響較小，因此，外二次風(fēng)速可以調(diào)節(jié)的范圍比較大，但是，在不同拉桿開度下，二次風(fēng)衰減很快，對于劣質(zhì)煤后期燃燒影響較大，它不能補(bǔ)充后期煤粉燃燒所需要的空氣，這樣會造成不完全燃燒損失增加，影響電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 結(jié)語

低NOx旋流燃燒器具有初投資少、基本不需增加運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有著火快、燃燒穩(wěn)定性好和燃盡率高的優(yōu)點(diǎn)，較為符合我國的國情，是降低我國電站鍋爐NOx排放量的有效手段。

［1］方立軍，高正陽，殷立寶.等.無煙煤與貧煤的混煤NOx排放特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.鍋爐技術(shù)，2001，32(9):11 －14.

［2］曾漢才.大型鍋爐高效低NOx燃燒技術(shù)的研究［J］.鍋爐制造，2001，3(1):1 －11.

［3］何季民.旋流燃燒器技術(shù)發(fā)展趨勢［J］.湖南電力，1995，(2):43－51.

［4］吳碧君，劉曉勤.燃煤鍋爐低NOx燃燒器的類型及其發(fā)展［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2004，20(9):24 －27.

［5］毛鍵雄，毛鍵全.煤的清潔燃燒［M］.北京:科學(xué)出版社，1998.

［6］金振齊.濃淡型煤粉燃燒器述評［J］.能源研究與利用，2001，(2):9－12.

［7］鐘 秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實(shí)例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［8］王軍，李如翔.低NOx燃燒器的新發(fā)展及在我國的應(yīng)用前景［J］.華北電力技術(shù)，1995，(3):59 －62.

［9］孫 銳，李爭起，孫紹增，等.徑向濃淡旋流煤粉燃燒器直流一次風(fēng)對流場及NOx排放的影響［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19(4):368－373.

Research development of typical low NOxSwirl Burners

The NOxemission standard is increasingly strict in recent years.The research development of typical low NOxswirl burners all of the wolrd are analyzed，detailed introductions are made on the technical features and application status of low NOxburners.Factors to low NOxswirl burners are also summarized.

low NOxburner;swirl;adaptability;the ratio of coal－air

X701.7

B

1674－8069(2012)03－024－03

2012-01-25;

2012-05-07

殷慶棟(1984-)，男，山東聊城人，碩士，工程師，主要從事電站鍋爐新技術(shù)研究工作。E－mail:hbdyyyqd@163.com