淺談低氮燃燒技術(shù)及其改造方法

吳鳳玲+劉民+江輝+趙修華+吳曉烽

摘 要：針對(duì)某公司熱電廠現(xiàn)有4號(hào)燃煤鍋爐氮氧化物排放濃度超標(biāo)的問題，淺談燃燒過程中氮氧化物的生成機(jī)理、及采取的低氮燃燒技術(shù)改造措施。通過文章的分析，希望對(duì)相關(guān)工作起到指導(dǎo)意義

關(guān)鍵詞：低氮燃燒技術(shù)；生成機(jī)理；燃燒分級(jí)技術(shù)；空氣分級(jí)燃燒技術(shù)；低氮燃燒器

1 概述

根據(jù)《國家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》和新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）的要求，現(xiàn)有火力發(fā)電鍋爐自2014年7月1日起，氮氧化物排放濃度限值為100mg/Nm3。烏魯木齊某公司熱電廠現(xiàn)有4號(hào)燃煤鍋爐（410t/h），氮氧化物排放濃度高達(dá)750mg/Nm3，已嚴(yán)重超標(biāo)，必須對(duì)其進(jìn)行脫硝技術(shù)改造。

鍋爐脫硝技術(shù)實(shí)質(zhì)就是控制燃料燃燒過程中NOx污染的產(chǎn)生或減少因燃燒產(chǎn)生的煙氣中NOx污染的減量技術(shù)。燃料燃燒的生命周期可分為燃燒前、燃燒中和燃燒后三個(gè)主要階段，因此，鍋爐脫硝實(shí)質(zhì)就是控制燃燒前、燃燒中或燃燒后的NOx污染。

目前有關(guān)降低NOx的控制技術(shù)大致可分為兩類，爐內(nèi)脫氮和尾部脫氮。爐內(nèi)脫氮即低氮NOx燃燒技術(shù)，是降低燃煤鍋爐氮氧化物排放最主要也是比較成熟的技術(shù)措施。

2 燃煤鍋爐燃燒過程N(yùn)Ox的生成機(jī)理

NOx主要是通過熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx三種途徑生成的，并且都在煤燃燒過程中出現(xiàn)。

2.1 快速型NOx

快速型NOx是由燃料揮發(fā)物中的碳?xì)浠衔锔邷胤纸馍傻腃H自由基和空氣中氮反應(yīng)生成的HCN和N，再進(jìn)一步與氧作用以極快的反應(yīng)速率生成NO，它的生成與溫度關(guān)系不大。對(duì)于煤粉鍋爐快速型NOx僅占NOx總排放量的5%左右。

2.2 熱力型NOx

熱力型NOx是由于燃燒用助燃劑空氣中的氮在高溫下氧化而產(chǎn)生的，反應(yīng)過程如下：

N+O2=NO+O（t>816℃）；O+N2=NO+N（t>1530℃）

其中，NO與氧進(jìn)一步氧化生成NO2。

熱力型NOx是隨燃燒溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律增加，占NOx總排放量的20～50%。試驗(yàn)表明，當(dāng)燃燒溫度低于1500℃時(shí)，溫度每增加100℃反應(yīng)速率將增大6～7倍；當(dāng)溫度低于1350℃時(shí)，NOx的生成量很少。

2.3 燃料型NOx

燃料型NOx是燃料中的氮氧化物在燃燒過程中發(fā)生氧化而形成的，分為“揮發(fā)性NOx”和“焦炭型NOx”兩種，占NOx總排放量的60～80%?！皳]發(fā)性NOx”是由揮發(fā)份中的氮化物熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN和NHi等中間產(chǎn)物，或以熱解焦油的形式析出產(chǎn)生的，占燃料型NOx的60～80%；剩余部分氮?jiǎng)t殘存在焦炭中與氧反應(yīng)生成“焦炭型NOx”。

3 低氮燃燒技術(shù)

目前常用的低NOx燃燒技術(shù)主要包括燃燒分級(jí)燃燒技術(shù)、空氣分級(jí)燃燒技術(shù)和低氮燃燒器技術(shù)。

3.1 燃燒分級(jí)燃燒技術(shù)

燃料分級(jí)燃燒技術(shù)又稱為再燃燒技術(shù)或三級(jí)燃燒技術(shù)，它的主要原理是將二次燃料送入一次燃燒區(qū)上方，形成富燃料燃燒的再燃區(qū)，在高溫和還原氣氛下，燃料生成碳?xì)湓訄F(tuán)，與一次燃燒產(chǎn)生的NOx反應(yīng)生成N2，此外，在再燃區(qū)的上方送入二次風(fēng)以保證再燃區(qū)的不完全燃燒產(chǎn)物能夠燃盡。具體示意圖如圖1所示。

燃料分級(jí)燃燒技術(shù)的主要影響因素包括再燃燃料種類、再燃區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)、溫度和停留時(shí)間、再燃量和再燃區(qū)混合狀況等，其中，改變?cè)偃紵齾^(qū)燃料與空氣的比例是控制NOx排放量的關(guān)鍵。

3.2 空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

空氣分級(jí)燃燒技術(shù)的主要原理是將燃料所需的空氣分級(jí)送入爐內(nèi)，使燃料在爐內(nèi)分級(jí)分段燃燒。一級(jí)富燃區(qū)燃料在缺氧條件下燃燒，燃燒速度和溫度降低，熱力NOx減少，燃料中釋放的含氮中間產(chǎn)物HCN、NH3等將NO還原為N2；到了燃盡區(qū)，燃料再與二次風(fēng)混合，使燃料完全燃燒。

空氣分級(jí)燃燒技術(shù)主要包括軸向空氣分級(jí)燃燒（OFA方式）和徑向空氣分級(jí)燃燒。

3.2.1 徑向空氣分級(jí)燃燒

徑向空氣分級(jí)燃燒技術(shù)是在與煙氣垂直的爐膛斷面上組織分級(jí)燃燒，通過二次風(fēng)射流部分偏向爐墻來實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)不僅能使主燃區(qū)處于還原性氣氛而實(shí)現(xiàn)NOx排放的降低，還能使?fàn)t墻附近處于氧化性氣氛，避免高溫腐蝕和燃燒器附近結(jié)渣。

3.2.2 軸向空氣分級(jí)燃燒

軸向空氣分級(jí)燃燒技術(shù)將燃燒分為三個(gè)區(qū)，分別為熱解區(qū)、貧氧區(qū)和富氧區(qū)。該技術(shù)是將燃料所需要的空氣以主二次風(fēng)和燃盡風(fēng)兩部分的形式送入爐膛，其中，主二次風(fēng)約占總二次風(fēng)量70%～85%；燃盡風(fēng)約占總二次風(fēng)量的15%～30%。當(dāng)上部燃盡風(fēng)送入爐膛時(shí)，已經(jīng)避開了高溫火焰區(qū)，對(duì)未燃盡產(chǎn)物起完全燃燒的作用。

3.3 低氮燃燒器技術(shù)（LNB）

低氮燃燒器的設(shè)計(jì)原理采用空氣分級(jí)燃燒原理，盡可能地降低著火區(qū)的氧濃度和溫度，從而實(shí)現(xiàn)控制NOx生成量的目的，一般而言，采用低NOx燃燒器可降低NOx排放濃度約30～40%。

低NOx燃燒技術(shù)是應(yīng)用最廣、技術(shù)較成熟、相對(duì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方法。在燃煤過程中排放的眾多污染物中，NOx是唯一可以通過改進(jìn)燃燒方式來降低其排放量的氣體污染物。該技術(shù)通過降低燃燒反應(yīng)溫度，減少過量空氣系數(shù)，縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間等手段達(dá)到控制NOx的目的，是目前降低燃煤鍋爐NOx排放最主要、比較經(jīng)濟(jì)的方法。由于低NOx燃燒技術(shù)工藝成熟，投資及運(yùn)行費(fèi)用較低，已在火電廠的NOx排放控制中得到了較多應(yīng)用。

4 技術(shù)改造方案

在低氮燃燒技術(shù)階段，某公司熱電廠4號(hào)鍋爐需改造或更換現(xiàn)有低氮燃燒器LNB，降低燃燒過程中NOx的生成量；增設(shè)一套燃盡風(fēng)SOFA系統(tǒng)，進(jìn)一步降低燃燒過程中生成的NOx。本次改造主要包括三部分內(nèi)容：

4.1 燃燒器改造

低氮燃燒器用于控制每一個(gè)燃燒器的燃料和空氣的混合，燃料和空氣分級(jí)送入燃燒設(shè)備，其特點(diǎn)在于降低初始燃燒區(qū)域內(nèi)的氧濃度，從而也相應(yīng)的降低火焰峰值溫度，達(dá)到了較少NOx的形成目的。在噴口水平中線裝有傾斜裝置，增加燃燒的傾斜區(qū)域來實(shí)現(xiàn)深度分級(jí)，燃燒器噴口四周的平衡周界風(fēng)，延遲一二次風(fēng)的混合，這些區(qū)域可以進(jìn)一步阻止燃料中的N形成NOx。富燃料區(qū)域的存在使火焰最高溫度被降低，從而減少了熱力型NO的形成。為了在較低的飛灰含碳量下獲得較低的NOx濃度，煤粉分布盤布置在煤粉噴嘴入口至燃燒器之間的彎頭位置的下游。煤粉分布盤對(duì)煤粉流有很好的濃縮作用，使來流煤粉更集中于燃燒器的中軸線形成一個(gè)特殊的風(fēng)包粉狀態(tài)，這樣的煤粉流噴入爐膛內(nèi)，從煤粉流中心形成一個(gè)較大欠氧燃燒的火焰，使初始燃燒的NOx生成率更低，同時(shí)風(fēng)包粉的煤粉流使切圓燃燒的煤粉遠(yuǎn)離爐膛四壁避免結(jié)渣。

4.1.1 一次風(fēng)改造內(nèi)容

（1）移除全部濃淡分離器；（2）減小噴嘴面積，保持高寬比；（3）保持內(nèi)部鈍體不變；（4）增加兩塊內(nèi)部水平隔板；（5）同時(shí)減小連接風(fēng)管接口尺寸；（6）周界風(fēng)出口保持不變，周界風(fēng)寬度變?yōu)?5。

4.1.2 二次風(fēng)改造內(nèi)容

（1）減小OFA層噴嘴尺寸；（2）減小CC層噴嘴尺寸；（3）減小AB層噴嘴尺寸；（4）OFA、CC、AB增加兩塊內(nèi)部垂直隔板夾角為10°和15°，以保證風(fēng)向。

4.2 新加裝SOFA噴嘴及風(fēng)道

被燃燒器導(dǎo)向的燃燒空氣在爐膛下部形成富燃料區(qū)，煤在低氧區(qū)揮發(fā)，迫使燃料里的氮形成N2而不是NO。在進(jìn)入鍋爐對(duì)流區(qū)之前，缺氧燃燒產(chǎn)生的煙氣再與燃盡風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的高動(dòng)量的氣流在爐膛上部混合，使燃料完全燃燒。

（1）共新增8只SOFA噴嘴，每墻各2只；（2）新加燃盡風(fēng)風(fēng)道從二次風(fēng)道至SOFA噴嘴。

4.3 水冷壁及平臺(tái)改造

（1）為SOFA噴嘴在水冷壁對(duì)應(yīng)位置開孔；（2）在開孔位置加密封盒；（3）改造平臺(tái)避讓新加燃盡風(fēng)風(fēng)道，并加裝平臺(tái)便于噴嘴及風(fēng)道檢修維護(hù)。

5 應(yīng)用效果

目前，4號(hào)爐已改造完畢并投運(yùn)，應(yīng)用效果良好，具體指標(biāo)如下：

（1）低氮燃燒系統(tǒng)改造后鍋爐正常運(yùn)行。（2）低氮燃燒系統(tǒng)脫硝效率達(dá)到40%。（3）低氮燃燒系統(tǒng)出口NOx排放濃度小于450mg/Nm3。（4）低氮燃燒系統(tǒng)確保鍋爐50%負(fù)荷穩(wěn)燃。（5）低氮燃燒系統(tǒng)改造后未造成鍋爐受熱面明顯結(jié)焦。（6）低氮燃燒系統(tǒng)改造后空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)達(dá)到要求。

參考文獻(xiàn)

[1]賈宏祿.鍋爐低氮燃燒改造后的結(jié)渣原因分析及處理[J].動(dòng)力工程，2009，29（1）：27-35.

[2]應(yīng)明良，戴成峰，胡偉鋒，等.600MW機(jī)組對(duì)沖燃燒鍋爐低氮燃燒改造及運(yùn)行調(diào)整[J].中國電力，2011，44（4）：55-58.

[3]高明.低氮燃燒及煙氣脫硝國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].廣州化工，2012，40（17）：18-22.

[4]唐高，劉曉斌.低氮燃燒改造在某煤粉爐上的應(yīng)用實(shí)施[J].科技風(fēng)，2013（8）：108-109.

[5]侯建鵬，朱云濤，唐燕萍.煙氣脫硝技術(shù)的研究[J].電力環(huán)境保護(hù)，2007，23（3）：24-27.

[6]陳進(jìn)生，燃煤電廠煙氣脫硝技術(shù)-選擇性催化還原法[M].北京：中國電力出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：吳鳳玲（1975-），女，本科，工程師，主要從事熱能動(dòng)力設(shè)計(jì)工作。

低氮燃燒器用于控制每一個(gè)燃燒器的燃料和空氣的混合，燃料和空氣分級(jí)送入燃燒設(shè)備，其特點(diǎn)在于降低初始燃燒區(qū)域內(nèi)的氧濃度，從而也相應(yīng)的降低火焰峰值溫度，達(dá)到了較少NOx的形成目的。在噴口水平中線裝有傾斜裝置，增加燃燒的傾斜區(qū)域來實(shí)現(xiàn)深度分級(jí)，燃燒器噴口四周的平衡周界風(fēng)，延遲一二次風(fēng)的混合，這些區(qū)域可以進(jìn)一步阻止燃料中的N形成NOx。富燃料區(qū)域的存在使火焰最高溫度被降低，從而減少了熱力型NO的形成。為了在較低的飛灰含碳量下獲得較低的NOx濃度，煤粉分布盤布置在煤粉噴嘴入口至燃燒器之間的彎頭位置的下游。煤粉分布盤對(duì)煤粉流有很好的濃縮作用，使來流煤粉更集中于燃燒器的中軸線形成一個(gè)特殊的風(fēng)包粉狀態(tài)，這樣的煤粉流噴入爐膛內(nèi)，從煤粉流中心形成一個(gè)較大欠氧燃燒的火焰，使初始燃燒的NOx生成率更低，同時(shí)風(fēng)包粉的煤粉流使切圓燃燒的煤粉遠(yuǎn)離爐膛四壁避免結(jié)渣。

4.1.1 一次風(fēng)改造內(nèi)容

（1）移除全部濃淡分離器；（2）減小噴嘴面積，保持高寬比；（3）保持內(nèi)部鈍體不變；（4）增加兩塊內(nèi)部水平隔板；（5）同時(shí)減小連接風(fēng)管接口尺寸；（6）周界風(fēng)出口保持不變，周界風(fēng)寬度變?yōu)?5。

4.1.2 二次風(fēng)改造內(nèi)容

（1）減小OFA層噴嘴尺寸；（2）減小CC層噴嘴尺寸；（3）減小AB層噴嘴尺寸；（4）OFA、CC、AB增加兩塊內(nèi)部垂直隔板夾角為10°和15°，以保證風(fēng)向。

4.2 新加裝SOFA噴嘴及風(fēng)道

被燃燒器導(dǎo)向的燃燒空氣在爐膛下部形成富燃料區(qū)，煤在低氧區(qū)揮發(fā)，迫使燃料里的氮形成N2而不是NO。在進(jìn)入鍋爐對(duì)流區(qū)之前，缺氧燃燒產(chǎn)生的煙氣再與燃盡風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的高動(dòng)量的氣流在爐膛上部混合，使燃料完全燃燒。

（1）共新增8只SOFA噴嘴，每墻各2只；（2）新加燃盡風(fēng)風(fēng)道從二次風(fēng)道至SOFA噴嘴。

4.3 水冷壁及平臺(tái)改造

（1）為SOFA噴嘴在水冷壁對(duì)應(yīng)位置開孔；（2）在開孔位置加密封盒；（3）改造平臺(tái)避讓新加燃盡風(fēng)風(fēng)道，并加裝平臺(tái)便于噴嘴及風(fēng)道檢修維護(hù)。

5 應(yīng)用效果

目前，4號(hào)爐已改造完畢并投運(yùn)，應(yīng)用效果良好，具體指標(biāo)如下：

（1）低氮燃燒系統(tǒng)改造后鍋爐正常運(yùn)行。（2）低氮燃燒系統(tǒng)脫硝效率達(dá)到40%。（3）低氮燃燒系統(tǒng)出口NOx排放濃度小于450mg/Nm3。（4）低氮燃燒系統(tǒng)確保鍋爐50%負(fù)荷穩(wěn)燃。（5）低氮燃燒系統(tǒng)改造后未造成鍋爐受熱面明顯結(jié)焦。（6）低氮燃燒系統(tǒng)改造后空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)達(dá)到要求。

參考文獻(xiàn)

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[6]陳進(jìn)生，燃煤電廠煙氣脫硝技術(shù)-選擇性催化還原法[M].北京：中國電力出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：吳鳳玲（1975-），女，本科，工程師，主要從事熱能動(dòng)力設(shè)計(jì)工作。

低氮燃燒器用于控制每一個(gè)燃燒器的燃料和空氣的混合，燃料和空氣分級(jí)送入燃燒設(shè)備，其特點(diǎn)在于降低初始燃燒區(qū)域內(nèi)的氧濃度，從而也相應(yīng)的降低火焰峰值溫度，達(dá)到了較少NOx的形成目的。在噴口水平中線裝有傾斜裝置，增加燃燒的傾斜區(qū)域來實(shí)現(xiàn)深度分級(jí)，燃燒器噴口四周的平衡周界風(fēng)，延遲一二次風(fēng)的混合，這些區(qū)域可以進(jìn)一步阻止燃料中的N形成NOx。富燃料區(qū)域的存在使火焰最高溫度被降低，從而減少了熱力型NO的形成。為了在較低的飛灰含碳量下獲得較低的NOx濃度，煤粉分布盤布置在煤粉噴嘴入口至燃燒器之間的彎頭位置的下游。煤粉分布盤對(duì)煤粉流有很好的濃縮作用，使來流煤粉更集中于燃燒器的中軸線形成一個(gè)特殊的風(fēng)包粉狀態(tài)，這樣的煤粉流噴入爐膛內(nèi)，從煤粉流中心形成一個(gè)較大欠氧燃燒的火焰，使初始燃燒的NOx生成率更低，同時(shí)風(fēng)包粉的煤粉流使切圓燃燒的煤粉遠(yuǎn)離爐膛四壁避免結(jié)渣。

4.1.1 一次風(fēng)改造內(nèi)容

（1）移除全部濃淡分離器；（2）減小噴嘴面積，保持高寬比；（3）保持內(nèi)部鈍體不變；（4）增加兩塊內(nèi)部水平隔板；（5）同時(shí)減小連接風(fēng)管接口尺寸；（6）周界風(fēng)出口保持不變，周界風(fēng)寬度變?yōu)?5。

4.1.2 二次風(fēng)改造內(nèi)容

（1）減小OFA層噴嘴尺寸；（2）減小CC層噴嘴尺寸；（3）減小AB層噴嘴尺寸；（4）OFA、CC、AB增加兩塊內(nèi)部垂直隔板夾角為10°和15°，以保證風(fēng)向。

4.2 新加裝SOFA噴嘴及風(fēng)道

被燃燒器導(dǎo)向的燃燒空氣在爐膛下部形成富燃料區(qū)，煤在低氧區(qū)揮發(fā)，迫使燃料里的氮形成N2而不是NO。在進(jìn)入鍋爐對(duì)流區(qū)之前，缺氧燃燒產(chǎn)生的煙氣再與燃盡風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的高動(dòng)量的氣流在爐膛上部混合，使燃料完全燃燒。

（1）共新增8只SOFA噴嘴，每墻各2只；（2）新加燃盡風(fēng)風(fēng)道從二次風(fēng)道至SOFA噴嘴。

4.3 水冷壁及平臺(tái)改造

（1）為SOFA噴嘴在水冷壁對(duì)應(yīng)位置開孔；（2）在開孔位置加密封盒；（3）改造平臺(tái)避讓新加燃盡風(fēng)風(fēng)道，并加裝平臺(tái)便于噴嘴及風(fēng)道檢修維護(hù)。

5 應(yīng)用效果

目前，4號(hào)爐已改造完畢并投運(yùn)，應(yīng)用效果良好，具體指標(biāo)如下：

（1）低氮燃燒系統(tǒng)改造后鍋爐正常運(yùn)行。（2）低氮燃燒系統(tǒng)脫硝效率達(dá)到40%。（3）低氮燃燒系統(tǒng)出口NOx排放濃度小于450mg/Nm3。（4）低氮燃燒系統(tǒng)確保鍋爐50%負(fù)荷穩(wěn)燃。（5）低氮燃燒系統(tǒng)改造后未造成鍋爐受熱面明顯結(jié)焦。（6）低氮燃燒系統(tǒng)改造后空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)達(dá)到要求。

參考文獻(xiàn)

[1]賈宏祿.鍋爐低氮燃燒改造后的結(jié)渣原因分析及處理[J].動(dòng)力工程，2009，29（1）：27-35.

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[6]陳進(jìn)生，燃煤電廠煙氣脫硝技術(shù)-選擇性催化還原法[M].北京：中國電力出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：吳鳳玲（1975-），女，本科，工程師，主要從事熱能動(dòng)力設(shè)計(jì)工作。