淺談ROFA與傳統(tǒng)低氮分級(jí)燃燒系統(tǒng)之比較

葉繼蘇

【摘 要】本文通過(guò)目前國(guó)內(nèi)外幾種低氮分級(jí)燃燒系統(tǒng)的介紹，分析比較了ROFA與OFA、SOFA在取風(fēng)方式，噴口安裝高度，抽取風(fēng)量及噴射速度的區(qū)別及造成對(duì)鍋爐穩(wěn)定燃燒、氮氧化物排放、SNCR、SCR等的影響。分析比較得出，ROFA技術(shù)在煤粉鍋爐低氮分級(jí)燃燒系統(tǒng)中的引入，不僅對(duì)鍋爐的穩(wěn)定燃燒，消除燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的安全隱患大有好處，而且還是只需通過(guò)物理手段就能夠控制爐內(nèi)氮氧化物初始濃度排放的解決方案，為國(guó)內(nèi)外燃燒工程公司、研究院所、工程公司、鍋爐制造廠商提供了借鑒。

【關(guān)鍵詞】低氮；分級(jí)燃燒；ROFA；OFA；SOFA

中圖分類號(hào)： X781.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）29-0001-002

【Abstract】In this paper，we introduce the introduction of several low-nitrogen staged combustion systems at home and abroad，and analyze and compare the difference between ROFA and OFA，SOFA in the way of taking the wind，the installation height of the nozzle，the extraction air volume and the jet speed，Oxide emissions，SNCR，SCR and other effects. The analysis and comparison shows that the introduction of ROFA technology in the low-nitrogen staged combustion system of pulverized coal boilers is not only beneficial to the stable combustion of the boiler but also to eliminate the potential safety hazard in the combustion process，and it is also possible to control the furnace by physical means The solution for the initial concentration of nitrogen oxides in the discharge is provided for the reference of domestic and foreign combustion engineering companies，research institutes，engineering companies and boiler manufacturers.

【Key words】Low nitrogen；Staged combustion；ROFA；OFA；SOFA

0 前言

目前，無(wú)論是電站鍋爐還是工業(yè)鍋爐大部分都是以燃煤鍋爐為主，而煤在燃燒過(guò)程中，會(huì)不斷釋放出氮氧化物等污染源，對(duì)大氣造成污染。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，人們對(duì)生命健康的重視，抑制NOx等污染源排放已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)、大專院校、節(jié)能環(huán)保公司、設(shè)備制造廠商等單位研究的新型課題。為了對(duì)氮氧化物的排放控制到一定水平，采取的處理措施也多種多樣，如煤質(zhì)中含氮量的控制，燃燒器的低氮改造，SNCR，SCR，煙氣再循環(huán)，空氣分級(jí)燃燒（ROFA，OFA，SOFA）等。而目前大部分鍋爐以分級(jí)燃燒來(lái)改善初始氮氧化物排放，再結(jié)合后續(xù)的化學(xué)手段將最終排放控制在國(guó)家和地方排放標(biāo)準(zhǔn)。本文主要通過(guò)筆者多年研究及實(shí)踐出發(fā)，簡(jiǎn)要談?wù)凴OFA與傳統(tǒng)低氮分級(jí)燃燒系統(tǒng)的區(qū)別及對(duì)燃燒和后續(xù)脫硝的影響。

1 ROFA與OFA，SOFA介紹

隨著國(guó)家和地方對(duì)環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位都在研究設(shè)計(jì)新的低氮分級(jí)燃燒技術(shù)，在燃燒前期利用非添加化學(xué)反應(yīng)劑的方法，通過(guò)物理手段在爐內(nèi)來(lái)降低氮氧化物的初始排放，降低后續(xù)的脫硝成本。為達(dá)到較好的效果，目前主流的低氮分級(jí)燃燒方式主要是通過(guò)ROFA，OFA和SOFA三種分級(jí)燃燒技術(shù)來(lái)降低NOx的原始排放，為后續(xù)SNCR和SCR減輕負(fù)擔(dān)。

ROFA是上海衛(wèi)源節(jié)能環(huán)保科技有限公司（摩博泰科公司）自主研發(fā)并擁有其專利的一種空氣分級(jí)燃燒技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)成功運(yùn)用到國(guó)內(nèi)外上百套火力發(fā)電廠、石化、冶金等行業(yè)電站鍋爐和工業(yè)鍋爐上，并取得良好的脫硝效果和客戶的一致好評(píng)。ROFA系統(tǒng)是國(guó)際上比較先進(jìn)的煤粉鍋爐爐內(nèi)分級(jí)燃燒技術(shù)，該系統(tǒng)風(fēng)源主要取自空預(yù)器出口二次風(fēng)母管，其風(fēng)量占鍋爐總風(fēng)量的20～30%，ROFA風(fēng)利用高壓離心風(fēng)機(jī)升壓后產(chǎn)生的高動(dòng)能再通過(guò)高于主燃燒器一定距離的非對(duì)稱布置的ROFA集成噴射箱高速送入爐膛進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)爐膛整體分級(jí)燃燒。采用該方法可以降低NOx的排放值為50～60%。

OFA是美國(guó)上世紀(jì)50～60年代開(kāi)發(fā)的低氮分級(jí)燃燒技術(shù)，它是將空氣分兩個(gè)階段燃燒。第一階段將供主燃燒器的空氣量減少到理論空氣量的80%左右，抑制NOx的生成量。第二階段將剩余的20%的空氣通過(guò)主燃燒器上方的噴口（OFA噴口）送入爐膛，完成全部燃燒過(guò)程。采用該方法可以降低NOx的排放15～30%。

SOFA是由OFA派生出來(lái)的一種分級(jí)燃燒技術(shù)，現(xiàn)在好多公司或研究機(jī)構(gòu)在OFA基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)發(fā)展，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，并配置不同形式的低氮燃燒器，在爐內(nèi)抑制NOx的排放比OFA有所進(jìn)步，一般達(dá)到30～40%。

2 ROFA與OFA，SOFA等的比較分析

2.1 取風(fēng)方式

ROFA風(fēng)主要從空預(yù)器出口二次風(fēng)母管引出，然后利用高壓離心風(fēng)機(jī)將二次熱風(fēng)通過(guò)安裝在鍋爐上的非對(duì)稱布置的空氣噴嘴將高速射流風(fēng)噴入爐膛。由于取風(fēng)口遠(yuǎn)離燃燒區(qū)主風(fēng)箱，所以壓力不會(huì)造成太大的波動(dòng)，對(duì)風(fēng)箱風(fēng)壓影響較小，因此對(duì)主燃燒器區(qū)域的風(fēng)源不會(huì)造成太大的波動(dòng)，爐內(nèi)的物料場(chǎng)，溫度場(chǎng)，空氣動(dòng)力場(chǎng)相對(duì)比較平穩(wěn)。而OFA和SOFA風(fēng)直接從二次風(fēng)箱引出，由于就近風(fēng)量的抽走，對(duì)風(fēng)箱內(nèi)的壓力波動(dòng)比較大，從而導(dǎo)致燃燒器二次風(fēng)噴口壓力波動(dòng)，燃燒不穩(wěn)定。endprint

2.2 噴口高度

OFA風(fēng)噴口一般緊挨燃燒器最上層噴口布置；SOFA風(fēng)噴口比OFA略高，一般距離燃燒器一次風(fēng)噴口3米左右；而ROFA風(fēng)噴口一般距離燃燒器最上層一次風(fēng)噴口5～6米左右；根據(jù)低氮燃燒分級(jí)原理，送風(fēng)位置越高，還原深度越好，分級(jí)燃燒效果越好，脫氮效果更明顯。

2.3 抽取風(fēng)量

OFA系統(tǒng)抽取風(fēng)量一般為鍋爐總風(fēng)量的5～10%；SOFA系統(tǒng)抽取風(fēng)量一般為鍋爐總風(fēng)量的15～20%；而ROFA系統(tǒng)抽取風(fēng)量一般為鍋爐總風(fēng)量的20～30%；燃燒區(qū)參與燃燒的空氣量越少，還原性氣氛就越濃烈，抑制NOx的產(chǎn)生。

2.4 噴射速度

燃料和空氣的混合，溫度的均布，動(dòng)力場(chǎng)的穩(wěn)定在低氮分級(jí)燃燒系統(tǒng)中取決于外界輸送的初始動(dòng)能。OFA和SOFA風(fēng)直接來(lái)自二次風(fēng)箱，壓力取決于風(fēng)箱壓力，噴射速度小，動(dòng)能小，對(duì)爐膛內(nèi)的物料空氣混合作用小，難免出現(xiàn)燃料或空氣高濃度局部聚集區(qū)及局部高溫區(qū)，對(duì)鍋爐的穩(wěn)定燃燒，燃燒器和鍋爐受熱面結(jié)焦及NOx的抑制都有不利影響。而ROFA風(fēng)來(lái)自于空預(yù)器出口母管，并通過(guò)高壓離心風(fēng)機(jī)二次增壓，噴射壓力高，動(dòng)能大，射流速度大，對(duì)爐膛形成的渦流擾動(dòng)大，使燃料和空氣快速均勻混合，加速了物料、煙氣、空氣與鍋爐受熱面的傳熱，提高了換熱效果，抑制了爐膛高溫，減少了NOx的生成。

從以上分析得知，ROFA風(fēng)的抽取位置由于遠(yuǎn)離主燃區(qū)風(fēng)源，不會(huì)對(duì)主燃區(qū)的送風(fēng)壓力產(chǎn)生波動(dòng)，從而不破壞原有的空氣動(dòng)力場(chǎng)平衡；而分級(jí)風(fēng)量和噴射位置的提高又加強(qiáng)了燃燒區(qū)的還原性氣氛，抑制了NOx的生成；高速的射流在爐膛內(nèi)帶來(lái)的旋轉(zhuǎn)渦流又使?fàn)t膛內(nèi)的物料場(chǎng)和溫度場(chǎng)趨于平衡，從而帶來(lái)燃料在燃燒區(qū)的穩(wěn)定燃燒和燃盡，結(jié)焦和腐蝕的降低，與鍋爐受熱面換熱效果的提高等。

3 ROFA抽取風(fēng)量后對(duì)鍋爐燃燒的影響

一般情況下，主燃燒區(qū)風(fēng)量的減少對(duì)鍋爐燃燒的影響，主要體現(xiàn)在結(jié)焦加劇、底渣和飛灰含碳量增加及鍋爐負(fù)荷下降的影響，這些都是業(yè)主方比較關(guān)心的問(wèn)題。這些不僅涉及到鍋爐安全運(yùn)行，同時(shí)這些因素的變化也是鍋爐運(yùn)行人員考核的指標(biāo)。因此，ROFA技術(shù)方案的介入，必然會(huì)帶給電廠相關(guān)人員一些猜忌和心里負(fù)擔(dān)。為了消除顧慮，項(xiàng)目立項(xiàng)前就必須幫他們分析講解此技術(shù)為何不會(huì)帶來(lái)燃燒方面的負(fù)面影響，從而有利于該技術(shù)最終被他們接納及最終實(shí)施。下面根據(jù)筆者多年研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要以國(guó)內(nèi)做過(guò)低氮分級(jí)燃燒和未做過(guò)低氮分級(jí)燃燒的鍋爐為例，分析利用ROFA技術(shù)不會(huì)帶來(lái)這些不利影響的真正原因。

3.1 針對(duì)未做過(guò)低氮分級(jí)燃燒改造過(guò)的鍋爐

1）由于一般鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際燃燒一定量的燃料所需要的空氣量一般比理論值要多，即留有一定的空氣過(guò)量系數(shù)，同時(shí)由于燃燒器在設(shè)計(jì)時(shí)均會(huì)綜合考慮鍋爐負(fù)荷及風(fēng)量范圍，來(lái)保證燃燒器穩(wěn)定燃燒及燃料燃盡；ROFA抽取一定風(fēng)量后，為了保證燃燒區(qū)原有的空氣動(dòng)力場(chǎng)平衡，會(huì)對(duì)二次風(fēng)噴口稍做調(diào)整，維持原來(lái)的射流速度，因此，即使ROFA將一部分風(fēng)從主燃區(qū)抽走，由于輸入的燃燒空氣量本來(lái)就存在一定余量和燃燒器對(duì)風(fēng)量本來(lái)就有一個(gè)適用范圍及燃燒區(qū)動(dòng)力場(chǎng)的及時(shí)調(diào)整，不會(huì)加劇主燃區(qū)結(jié)焦。

2）由于ROFA風(fēng)的介入，ROFA風(fēng)以高速射流的方式噴入爐膛上部空間，以旋渦的形式在爐膛整個(gè)斷面空間傳遞，使?fàn)t膛內(nèi)的物料場(chǎng)，空氣場(chǎng)混合均勻，溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定，同時(shí)由于射流力的作用，延緩了燃料及空氣在下部空間的停留時(shí)間，燃燒器區(qū)域部分空氣不至于還未燃燒就隨著煙氣上升到爐膛上部空間，保證了燃料在爐膛下部空間充分燃燒，底渣含碳不會(huì)增加，甚至能得到一定程度的減少。

3）由于主燃燒器區(qū)部分燃料碳未來(lái)得及燃燒可能會(huì)隨著煙氣上升導(dǎo)致?lián)牟煌耆紵懦鰻t外，造成飛灰含碳量上升，未燃盡碳增加，鍋爐負(fù)荷降低，為了保證設(shè)計(jì)負(fù)荷，又不得不增加燃料，而燃料的增加又導(dǎo)致后續(xù)除塵引風(fēng)系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)重，這樣迫使運(yùn)行人員為了保證鍋爐穩(wěn)定和安全，不得不采取措施減少燃料，負(fù)荷隨之下降。這點(diǎn)其實(shí)大可放心，即使部分未燃盡碳會(huì)隨著煙氣上升到爐膛上部空間，但由于ROFA的作用，加上后面還有特殊混流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的折焰角也對(duì)物料、煙氣、空氣混合起到一定輔助作用，未燃盡碳會(huì)在ROFA和折焰角區(qū)域保持夠長(zhǎng)的停留時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，未燃盡碳和空氣中的氮在高溫下會(huì)與氧 “競(jìng)爭(zhēng)”，根據(jù)化學(xué)元素活性表，N原子的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比C原子要低，因此未燃盡碳會(huì)迅速燃燒，而氮由于缺氧無(wú)法反應(yīng)只能隨著煙氣排出爐外，這樣既保證了飛灰含碳量不增反降，鍋爐負(fù)荷維持如前，甚至由于換熱面效果的提高，負(fù)荷還能有一定程度上提高，NOx也得到了一定的抑制。

3.2 針對(duì)做過(guò)低氮分級(jí)燃燒改造過(guò)的鍋爐

做過(guò)低氮分級(jí)燃燒改造（如OFA和SOFA）的鍋爐，在設(shè)計(jì)的時(shí)候就充分考慮了下部主燃燒區(qū)的空氣量，所以即使抽調(diào)20%～30%的空氣，主燃區(qū)所需要的空氣量仍然是夠的，但目前，盡管國(guó)內(nèi)有好多做低氮分級(jí)燃燒的廠家，但做得成功的卻比較少，未達(dá)到低氮設(shè)計(jì)的目的，主要是燃燒器未發(fā)揮低氮分級(jí)效果，因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行時(shí)當(dāng)從主燃區(qū)抽取一定風(fēng)量后，國(guó)內(nèi)幾乎所有此類鍋爐均會(huì)發(fā)生燃燒器區(qū)域結(jié)焦加劇、飛灰底渣含碳量增加、鍋爐負(fù)荷降低等情況。所以電廠運(yùn)行人員為了保證燃燒器安全穩(wěn)定運(yùn)行，只能通過(guò)運(yùn)行調(diào)整的方式，將抽走的風(fēng)量又返回到主燃燒器上，來(lái)緩解這些現(xiàn)象。這樣一來(lái)，主燃燒區(qū)溫度隨之上升，燃燒空氣量增加，NOX上升，燃燒器失去了原有的低氮分級(jí)燃燒效果。

而ROFA就不一樣，前面已經(jīng)講過(guò)，由于ROFA 噴口處的高動(dòng)能射流產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)渦流，打破了爐內(nèi)的大片層狀流動(dòng)，使得燃燒區(qū)域的溫度場(chǎng)和物料場(chǎng)分布更為均勻。從而改善了爐內(nèi)的煙氣溫度分布，物料分布，熱量吸收，因此不僅使燃燒區(qū)溫度穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生局部高溫，結(jié)焦不會(huì)因此加劇，燃料在爐內(nèi)也能充分燃燒燃盡，降低了飛灰和底渣含碳量。同時(shí)由于主燃燒區(qū)空氣量的減少，還原性氣氛濃烈，NOX生成越少，而ROFA區(qū)域上部空間也由于ROFA的作用，NOX也受到抑制，從而達(dá)到了低氮分級(jí)燃燒的效果。

4 ROFA對(duì)后續(xù)脫硝的影響

ROFA由于其能很好地將物料、煙氣、空氣很好地混合和溫度均布，必然導(dǎo)致后續(xù)SNCR和SCR系統(tǒng)中噴入的還原劑能與煙氣良好混合，還原劑液滴與煙氣中NOX反應(yīng)接觸面積大，反應(yīng)速度快，脫硝效率高，從而減少還原劑總耗量，而均布的流場(chǎng)又使得煙氣流穩(wěn)定，降低了噴槍、導(dǎo)流裝置、催化劑等的磨損。而OFA和SOFA噴射速度僅取決于風(fēng)箱風(fēng)壓，其混流效果遠(yuǎn)不如ROFA，這必然導(dǎo)致其不能給SNCR和SCR帶來(lái)比較積極的影響。

5 總結(jié)

ROFA低氮分級(jí)燃燒技術(shù)由于其特有的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，將鍋爐優(yōu)化燃燒和低氮排放有機(jī)地結(jié)合在一起，不僅是一種區(qū)別于傳統(tǒng)的低氮分級(jí)燃燒技術(shù)解決方案，更為后續(xù)的化學(xué)手段脫硝減輕了負(fù)擔(dān)，節(jié)約了能源。隨著該技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，該技術(shù)將會(huì)應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外更多項(xiàng)目，為當(dāng)今世界的節(jié)能減排工作作出貢獻(xiàn)。

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