火力发电厂燃烧过程脱硝技术研究
引 言
我国作为世界能源利用大国之一，随着市场经济的不断深入和发展，工业化的程度不断提高，化石燃料的消耗是非常巨大的，随之而来的是严重的环境污染问题。在我国能源结构中，煤炭占了主要地位，从1980年以来煤炭在能源消耗总量中一直在75%以上，石油和天然气分别约占20%和5%,因此煤炭是我国主要利用的能源。而煤炭消耗过大引起的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放问题亦日趋严峻，再加上我国对这方面的研究起步较晚，技术还不能达到世界顶级水平，这就决定了我国煤炭燃烧产生的二氧化硫和氮氧化物的排放量较高，氮氧化物则占亚洲氮氧化物总排放量的49%，这意味着我国对于酸性气体排放的控制和研究面临着严峻的考验。随着环保意识的增加，政府和人们重视程度的提高，对于环境治理和保护的投入也不断提高，研究亦不断深化。近十多年来我国环境保护和治理工作己取得了不小的进展。煤燃烧过程中释放大量的有害物质，火力电厂每吨煤炭排放的各种污染物数量见表1-1，可见火力发电是NOx的主要发生源，随着我国电力行业的发展，尽管大容量机组在总装机容量中的比例不断增加，发电煤耗也不断下降以及单位发电量NOx的排放也在逐年减少，但是由于发电量的迅速发展，2000年燃煤发电厂NOx排放为290万吨，预计2010年加上汽车等燃油产生的NOx,我国的NOx总排放量可能超过1001万吨。所以，研究NOx的生成机理、探索控制NOx排放量的途径和方法，用以降低火力发电厂的NOx排放，对于我国的环境保护和国民经济的发展是十分重要的。
[1]
注：s为含硫率，A为含灰率，C为除尘率
氮氧化物控制技术可分为两大类，即燃烧中控制技术和燃烧后控制技术。其中燃烧中控制技术是根据氮氧化物的形成机理而开发的，主要有低氧燃烧法，分级燃烧法，烟气再循环法，低NOx燃烧器法等；燃烧后控制技术可分为干法，湿法和干一湿结合法三大类，其中干法又可分为选择性催化还原法，吸附法，电子
束法;干一湿结合法是催化氧化和相应的湿法组合而成的一种脱氮方法。在多种脱氮技中,SCR、SNCR技术能大幅度地把NOx排放量降低到200mg/Nm3以下,因而受到发达国家的青睐,被大规模的工业应用。但是由于它们都是对燃烧后的烟气进行处理,因而均需要额外的设备及场地。且SCR技术由于需要价格昂贵的催化剂,因而运行费用高；而SNCR技术的有效反应温度范围狭窄。各种低NOx燃烧技术与尾部烟气脱硝相比,具有应用广泛、简单、经济等特点,而且对于即使因为排放标准的原因而采用烟气脱硝的机组来说,低NOx燃烧技术的实施也可以提高烟气脱硝的效率和降低其成本。考虑到我国目前的国情,在今后一段时期内,我国更适合发展投资少且比较有效的低NOx燃烧技术。通过锅炉运行调整、精确地测量与控制风煤量,实现优化燃烧可较大幅度地降低NOx排放而不引起运行费用的增加。综合考虑NOx值和成本两个方面，使用低NOx燃烧器是既经济又有效方法。
第一章 氮氧化物的形成机理和控制途径
1.1氮氧化物的危害
氮氧化物(NOx)是一种危害人体健康和破坏大气环境的剧毒污染物,[2]主要是在燃烧过程中产生的。燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO和NO2, 通常把这两种氮的氧化物称为NOx ,其中NO约占90%以上。NOx已成为与CO ,SO2并列齐名的主要污染物。NO为无色无味的气体,它与血红蛋白的亲和能力强,破坏人畜血液中的血红蛋白,容易造成缺氧; 且NO氧化成NO2, 其毒性更强,对人的眼睛和呼吸器官有强刺激作用;此外NO还有致癌作用,对细胞分裂和遗传信息的传递有不良影响。NO2红棕色,溶于水,具有氧化性,人呼吸时,可达肺部,引起呼吸系统疾病,此外NO2在紫外线的照射下,与碳氢化合物作用,形成臭氧(O3)为主的光化学氧化物, 称为光化学烟雾,构成对大气环境的严重污染,引起肺气肿、哮喘、支气管炎,乃至死亡。,SO2对人体的危害立竿见影,当时就有反应,而NOx的危害是在不知不觉中缓慢积累, 其危害隐蔽而持久。引发一系列明显的NOx综合症,诸如胸闷、头晕、乏力、呼吸系统不畅及老年痴呆症等, 以致在人发病后竟不知病源来自何方。NOx又被称为“隐形杀手”。国家环保局从我国实行可持续发展战略, 促进经济和社会协调发展的高度, 制定了“九五”、“十五” NOx环境整治的总目标,并积极考虑逐步开征NOx排放税。国家环保局最新修订的《火电厂大气污染排放标准》(GB13223296)对于300MW及以上机组要求NOx排放量不超过650mg∕m3, 这一规定已于1997年1月1日实施。
煤燃烧产生的NOx即氮氧化物, NO占有90%以上, NO2占5% - 10%,NOx生成机理一般分为如下三种。[3] 1.2氮氧化物生成机理
1.2.1热力型NOx生成机理
分子式:
N2 + O2 → 2NO （1-1）
NO + 1/2O2 →NO2 （1-2）
热力NOx的生成量和燃烧温度关系很大, 在温度足够高时, 热力NOx的生成
, 随着反应温度T的升高, 其反应速率按指数规律增加。量可占到NOx总量的30%
当T1300℃时, T每增加100℃, 反应速率增大6～7倍。T1300℃时, T每增加
100℃, 反应速率增大6～7倍。
1.2.2快速型NOx生成机理
快速型NOx是在碳氢化合物燃料在燃料过浓时燃烧, 燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中氮气反应生成HCN和N,再进一步与氧气作用以极快的速度生成,其形成时间只需要60ms。快速NOx在燃烧过程中的生成量很小。影响快速NOx生成的主要因素有空气过量条件和燃烧温度。
由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度, 在600～800℃时就会生成燃料型NOx, 它在煤粉燃烧NOx产物中60～80%。在生成燃料型NOx过程中, 首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N,CN, HCN和等中间产物基团, 然后再氧化成NOx。由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成, 故燃料型NOx的形成也由气相氮的氧化(挥发分) 和焦炭中剩余氮的氧化(焦炭)两部分组成, 其中挥发份NOx占燃料型NOx大部分。影响燃料型NOx生成的因素有燃料的含氮量、燃料的挥发分含量、燃烧过程温度、着火阶段氧浓度等。燃料的挥发分增加NOx转换量就越大;火焰温度越高NOx转换量就越大; 挥发分NOx转化率随氧浓度的平方增加。 1.2.3燃料型NOx生成机理 1.3氮氧化物生成的影响因素及其控制途径 1.3.1 热力型NOx的影响因素及控制途径
热力型NOx的生成是一种缓慢的反应过程，是由燃烧空气中的N2与反应物如O和OH以及分子O2反应而成的。温度是影响NOx生成的最重要和最显著的因素。空气中N2在高温下氧化，是通过一组不分支的链锁反应进行的。所以，降低热力NOx的生成主要采用如下具体措施：
① 降低燃烧温度，避免局部高温;
② 降低氧气浓度;
③ 缩短在高温区内的停留时间;
④ 在偏离a=1的条件下进行燃烧。
1.3.2 燃料型NOx的影响因素及其控制
对于燃料型NOx,燃料中的N通常以原子状态与各种碳氢化合物相结合，形成环状化合物或链状化合物。如氮苯CSH6N,芳香胺C6H6NH2等。与空气中的氮相比，其结合链能量较小，在燃烧时很容易分解出来，经氧化反应生成大量的燃料型NOx。影响燃料型NOx的因素主要有:
① 燃料与氧的化学当量比燃料与氧量的化学当量比在燃烧过程中影响燃料氮向NOx的转化率，早期研究表明:随着当量比的增加，进入燃料过浓区域后，燃料氮向NO的转化率降低，而相应地向HCN和NH3的转化率却增加了，其中存在一个最佳当量比使NO转化率达到最小值。超过此最佳当量比后，若继续增加当量比，燃料氮向NO的转化率却开始增加，这主要是由于HCN和NH3与多余的空气混合后又部分转化为NO的缘故而造成的。Rees等人研究了一阶化学当量比对烟煤烟气中NO排放的影响，试验是在一环形的燃煤量13.5Kg/h的小燃烧器上进行的，中心是一次风，外环是同轴的二次风入口。试验结果发现:最小的NO排放出现在当虽比为0.6-0.7之间，这时的总含氮成分(NO.NH3和HCN)的排放量相对当量比为1.15时的大致降低50％。Asay等人在相似的燃烧器上通过变化二次风总量针对不同的当量比计算了燃烧时NO的生成总量，当量比分别为：0.57，0.87和1.17，得到NO排放最少的是在当量比最小的条件下，含氮成分总量最少是在当量比为0.87的条件下。可见当量比是影响NOx排放的重要因素之一。
② 燃烧区温度
燃料型NOx对温度的依赖性虽然不如热力型NOx那么明显，但在当量比较低时，温度的影响不容忽视。试验发现，NOx的浓度随火焰温度的增加而降低，这是因为，温度的升高促进了燃料型氮向挥发分氮的转化，而挥发分氮在高温下产生的NOx又得到了还原。因此，调整燃烧区域的温度也是控制NOx排放的有效措施。
③ 煤与空气混合程度的影响
煤在燃烧过程中空气和燃料的混合情况直接决定了燃烧的过程和NOx排放，控制空气和燃料的混合，有效地利用NOx的还原区域，是低NOx燃烧的原理之一。旋流燃烧器就是基于这一原理来设计的，空气在其出口的旋流运动将调整空气和燃料的混合情况。由于旋流的存在，旋转射流使得在轴向和径向上都建立了压力梯度，这两个压力梯度反过来又影响流场。在强旋转下，旋转射流的内部建立了一个回流区。这样，旋转射流不但从射流外侧卷吸周围介质，而且还从内回流区中卷吸介质。在燃烧过程中，从内、外回流区卷吸的烟气对着火的稳定性起着十分重要的作用。因此，合理的二次风旋流强度对于旋流燃烧器的正常运行是至关重要的。一般地，适当增加旋流数，可得到混合良好的空气和燃料.有利于形成循环流以确保形成NOx的还原区，增加停留时间，进而降低NOx排放。但旋流数不能很大，过大的强旋流将会破坏还原区而导致NOx增加。
① 燃料与氧的化学当量比燃料与氧量的化学当量比在燃烧过程中影响燃料氮向NOx的转化率，早期研究表明:随着当量比的增加，进入燃料过浓区域后，燃料氮向NO的转化率降低，而相应地向HCN和NH3的转化率却增加了，其中存在一个最佳当量比使NO转化率达到最小值。超过此最佳当量比后，若继续增加当量比，燃料氮向NO的转化率却开始增加，这主要是由于HCN和NH3与多余的空气混合后又部分转化为NO的缘故而造成的。Rees等人研究了一阶化学当量比对烟煤烟气中NO排放的影响，试验是在一环形的燃煤量13.5Kg/h的小燃烧器上进行的，中心是一次风，外环是同轴的二次风入口。试验结果发现:最小的NO排放出现在当虽比为0.6-0.7之间，这时的总含氮成分(NO.NH3和HCN)的排放量相对当量比为1.15时的大致降低50％。Asay等人在相似的燃烧器上通过变化二次风总量针对不同的当量比计算了燃烧时NO的生成总量，当量比分别为：0.57，0.87和1.17，得到NO排放最少的是在当量比最小的条件下，含氮成分总量最少是在当量比为0.87的条件下。可见当量比是影响NOx排放的重要因素之一。
② 燃烧区温度
燃料型NOx对温度的依赖性虽然不如热力型NOx那么明显，但在当量比较低时，温度的影响不容忽视。试验发现，NOx的浓度随火焰温度的增加而降低，这是因为，温度的升高促进了燃料型氮向挥发分氮的转化，而挥发分氮在高温下产生的NOx又得到了还原。因此，调整燃烧区域的温度也是控制NOx排放的有效措施。
③ 煤与空气混合程度的影响
煤在燃烧过程中空气和燃料的混合情况直接决定了燃烧的过程和NOx排放，控制空气和燃料的混合，有效地利用NOx的还原区域，是低NOx燃烧的原理之一。旋流燃烧器就是基于这一原理来设计的，空气在其出口的旋流运动将调整空气和燃料的混合情况。由于旋流的存在，旋转射流使得在轴向和径向上都建立了压力梯度，这两个压力梯度反过来又影响流场。在强旋转下，旋转射流的内部建立了一个回流区。这样，旋转射流不但从射流外侧卷吸周围介质，而且还从内回流区中卷吸介质。在燃烧过程中，从内、外回流区卷吸的烟气对着火的稳定性起着十分重要的作用。因此，合理的二次风旋流强度对于旋流燃烧器的正常运行是至关重要的。一般地，适当增加旋流数，可得到混合良好的空气和燃料.有利于形成循环流以确保形成NOx的还原区，增加停留时间，进而降低NOx排放。但旋流数不能很大，过大的强旋流将会破坏还原区而导致NOx增加。
根据其影响因素，控制燃料NOx生成的途径主要是:
① 含N量低的燃料:
② 过浓燃料:
③ 燃料与空气的混合。
目前，燃料型NOx的控制技术主要体现在控制空气和燃料比、燃料种类、主燃烧区域的气氛和燃料的粒径等。主要的控制技术如下:
① 主燃烧区域气氛的方法:通过调节助燃空气来控制上燃烧区域气氛。如低过量空气燃烧、分级燃烧、低NOx燃烧设备：
② 空气的加入方式的方法:通过改变助燃空气的吹入方式来控制空气和燃料的混合。如分级燃烧、低NOx燃烧设备;
③ 燃料氮的转化的方法:通过调整燃烧区域形成瞬间高温区，在煤热解过程控制氮向含氮中间产物转化。如撞击燃烧;
④ 还原方法:引入二次燃料或分段喷入燃料促进NOx还原。如燃料再燃方式、烟气再循环。
由于各方面的原因，我国对SO2的重视较多，而对NOx的脱除还不普遍，尤其是对电厂及其它大型工业锅炉NOx的脱除还未提到日程上来。随着我国对SO2治理工作地不断深入，NOx可能取代SO2成为我国大气酸性降雨的主要污染源。例如，1970年至1986年之间，西欧发达国家和美国的SO2排放量分别下降了40%和25%，而在同一时间，上述地区的NOx排放量几乎与S02排放量持平，其中火电厂的排放量约占35%至40%的西方发达国家在20世纪60年代末期对NOx的污染己给予了充分的重视，纷纷制定出严格的排放标准，各种脱氮(脱硝)装置应运而生。我国也在近期制定了NOx但脱氮技术水平与国外差距较大，实践经验不足，需广大科研人员加强研究开发，发展适合我国国情的脱氮技术。氮氧化物主要包括NO和NO2, 氮氧化物控制技术可分为两大类，即燃烧中控制技术和燃烧后控制技术。其中燃烧中控制技术是根据氮氧化物的形成机理而开发的，主要有空气分级燃烧，燃料分级燃烧，烟气再循环 ，低过剩空气燃烧等;燃烧后控制技术可分为干法，湿法和干一湿结合法三大类，其中干法又可分为选择性催化还原法，吸附法，电子束法;干一湿结合法是催化氧化和相应的湿法组合而成的一种脱氮方法。下面分别简要介绍燃烧中控制氮氧化物脱除的技术。
根据第一章中的NOx生成机理可知，煤燃烧过程中影响NOx生成的主要因素有:
① 煤种特性，如煤的含氮量、挥发分含量、燃料中固定碳／挥发分之比以及挥发分中含H量／含N量之比等；
② 燃烧区域的温度峰值；
③ 反应区中氧、氮、一氧化氮和烃根等的含量；
④ 可燃物在反应区中的停留时间。
由此，对应的低NOx燃烧技术的主要途径如下：
① 减少燃料周围的氧浓度。包括：减少炉内过剩空气系数，以减少炉内空气总量；减少一次风量和减少挥发分燃烬前燃料与二次风的掺混，以减少着火区段的氧浓度。
② 氧浓度较少的条件下，维持足够的停留时间，使燃料中的N不易生成NOx，
且使生成的NOx经过均相或多相反应而被还原分解。
③ 过剩空气的条件下，降低温度峰值，以减少热力型NOx的生成，如采用第二章 低NOx燃烧技术
降低热风温度和烟气再循环等。
④ 入还原剂，使还原剂生成CO、NH3和HCN，它们可将NOx还原分解。 具体方法有：分级燃烧、燃料再燃、浓淡偏差燃烧、低过剩空气燃烧和烟气再循环等。
下面对各种低NOx燃烧技术进行详细的介绍。
空气分级燃烧法是美国在20世纪50年代首先发展起来的，[4]它是目前使用最为普遍的低NOx燃烧技术之一。空气分级燃烧的基本原理为：将燃烧所需的空气量分成两级送入，使第一级燃烧区内过量空气系数在0.8左右，燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，因而抑制了热力型NOx的生成。同时，燃烧生成的CO与NO进行还原反应，以及燃料N分解成中间产物(如NH、CN、HCN和NH3等)相互作用或与NO还原分解，抑制了燃料型NOx的生成： NH+NH → N2+H2 (2-1) NH+N0 → N2+0H (2-2) 在二级燃烧区内，将燃烧用的空气的剩余部分以二次空气输入，成为富氧燃烧区。此时空气量虽多，一些中间产物被氧化生成NO：
CN+02 → C0+N0 (2-3) 但因火焰温度低，生成量不大，因而总的NOx生成量是降低的，最终空气分级燃烧可使NOx生成量降低30％～40﹪。当采用空气分级燃烧后，火焰温度峰值明显比不采用空气分级燃烧时降低，故热力型NOx降低。
分级燃烧可以分成两类，一类是燃烧室(炉内)中的分级燃烧，另一类是单个燃烧器的分级燃烧。燃烧室中的分级燃烧方法是，通常在主燃烧器上部装设空气喷口，形成所谓的“火上风”(over fire air，也称为燃烬风)。[5.6]2.1空气分级燃烧
OFA是燃烧室内空气分级燃烧的一种基本形式，也是目前达到商业应用的一种方法。此方法将燃烧用的空气分为两部分：在主燃烧器区供人大约80％的燃烧空气量，使主燃烧器区处于富燃料状态；剩下的空气则从“火上风”喷口供入，使可燃物燃烬。因而在燃烧室内沿高度分成两个区域，即主燃烧区的富燃料区和“火上风” 喷口附近的燃烬区。燃烧室(炉内)分级燃烧方法目前在各类燃烧系统。单个燃烧器的分级燃烧有两种形式，分别为内分级混合的方式和外分级混合的方式。前者的一、二次风均从燃烧器旋口送入，但二次风被分成两股送入，由内通道送人的称内二次风，而由外通道送入的称外二次风；后者的部分二次风是
从主火嘴周围的一些空气喷口送入。在上述两种方式下，二次风都是逐渐送入，因而首先在燃烧器出口附近形成富氧区，抑制了燃料NOx的生成；然后二次风逐渐全部混入，使燃料燃烬，形成了燃烬区。由于二次风延迟与燃料混合，燃烧速度降低，使火焰温度降低，因此也抑制了热力型NOx的生成。 如图2-1所示：
图2-1 空气分级燃烧示意图
国内外各大厂商基于单个燃烧器的分级燃烧技术，开发了多种低NOx燃烧器。采用空气分级燃烧时，由于在第一级燃烧区内a＜1，燃烧是在低于理论空气量的情况下进行的，因此必然会产生大量不完全燃烧产物，以及大量没有完全燃烧
在第一级燃烧区内的过量空气系数越小，的燃料，十分有利于二抑制NOx的生成。
对抑制NOx的生成效果越好，但是产生的不完全燃烧产物却越大，因而导致燃烧效率降低及引起结渣和腐蚀的可能性也越大。因此，为了保证能减少NOx的排放，又保证锅炉燃烧的经济性和可靠性，必须正确地组织空气分级燃烧。 2.2燃料分级燃烧 2.2.1 概述
燃料分级燃烧，又称为燃料再燃技术。大约一个世纪前，Party and Engle首先发现了利用碳氢化合物可以降低NO的排放，紧接着Drummond也在研究中发现了这一现象。Weldt等第一次提出了“再燃”这个概念；同时他还通过实验发现，假如将甲烷(CH4)在主燃烧区的下游(紧贴主燃烧区的地方)作为燃料喷入的话，可以使NO的排放降低50％。Myerson提出通过甲烷(CH4)降低NO的总反应
方程式为：
2NO+2CH4——2HCN+2H20+H2+88kal (2-4)
6NO+2CH4——2C0+4H20+3N2+428kal (2-5)
20世纪80年代初，再燃技术被三菱重工第一次应用于传统的全尺寸锅炉，NOx排放降低幅度超过50％；Babcock—Hitachi K．K.公司成功地将再燃技术应用于大量的墙式燃烧锅炉。由于这些成功的范例以及再燃在降低NOx排放上的高效率，许多学者对再燃技术展开了大量的小型实验及中试研究。[7]
Folsom等通过实验提出：通过再燃技术可以使NOx和SO2的排放分别降低了 60﹪和20％。此外，据EER(美国加州能源与环境公司)报道，他们在一个墙式燃烧锅炉进行的再燃实验中，用天然气代替部分煤粉作为二次燃料，还可降低C02的排放大约6％～8﹪。美国的一些电厂已开始使用再燃技术，并得到了很多实验数据。根据GRI和Folsom等在三台全尺寸燃煤锅炉上进行的长时间气体再燃研究的结果，在172MW的墙式燃烧锅炉上可降低NOx排放60％；在一个旋风炉上可降低NOx排放65％；而在一个71MW的四角切圆燃烧锅炉上，可降低NOx排放55％。如图2-2所示：
2.2.2燃料分级燃烧技术原理
分级燃烧技术其原理如下：由于已生成的N0在遇到烃根CHi和未完全燃烧产物C0、H2、C和CnHm时，会发生NO还原反应，这些反应的总反应方程式为：
4N0+CH4→2N2+C02+2H20 (2-6)
2NO+2CnHm+(2n-1+m／2)02→N2+2nC02+mH20 (2-7)
2NO +2C0→N2+2C02 (2-8)
2N0+2C→N2+2CO (2-9)
2N0+2H→N2+2H20 (2-10)
再燃燃烧技术就是利用这个NO破坏原理来降低排放的。具体来说就是：燃料分级送入炉膛，在燃烧区火焰的上方喷入另外的碳氢燃料，以建立一个富燃料区使生成的NOx转化为HCN，并最终得到无害的N2。比较典型的就是，将80％～85％的燃料(称为一次燃料)送人第一级燃烧区(主燃烧区)，在a>1的条件下燃烧生成NOx；其余15％～20％的燃料(称为二次燃料、再燃燃料)则在主燃烧器的上部送人二级燃烧区(再燃区)，在a
再燃区中不仅能使已生成区生成的NO。就会通过以上反应被还原成氮分子(N2)。
的NOx得到还原，同时还抑制了新的NOx生成，可使NOx的排放浓度进一步降低。
此外，再燃区的上面还需布置啦“火上风” 喷口以形成第三级燃烧区(即燃烬区)，以保证在再燃区中生成的未完全燃烧产物的燃烬。所以这种再燃法又叫三级燃烧技术。
2.3烟气再循环 图2-2 燃料分级燃烧示意图
除了空气和燃料分级降低NOx的排放量之外，目前使用较多的还有烟气再循环法。它是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉内，或者是与一次风或二次风混合后送入炉内，这样不但可以降低燃烧温度，而且也降低了氧气浓度，因而可以降低NOx的排放浓度。如图2-3所示：
烟气再循环技术,其核心在于利用烟气所具有的低氧以及温度较低的特点，将部分烟气再循环喷人炉膛合适的位置，降低局部温度及形成局部还原性气氛，从而抑制NOx的生成。烟气再循环技术在很多情况下是被用来防止锅炉运行中的结焦问题。对于燃烧无烟煤等难燃煤种以及煤质不是很稳定的电站锅炉，则不宜采用烟气再循环技术。其原理为从空气预热器前抽取温度较低的烟气，通过再循环风机将抽取的烟气送入空气烟气混合器，和空气混合后一起送去炉内。
将再循环烟气送入炉内的方法很多，如通过专门的喷口送入炉内，或用来输送二次燃料。但效果更好的方法是采用空气烟气混合器，把烟气掺混到燃烧空气中去，采用混合器的方法比较适合于大型锅炉机组。
烟气再循环法降低NOx排放的效果与燃料种类及烟气再循环率有关。烟气再循环率是再循环烟气量与不采用烟气再循环时的烟气量的比值。经验表明，当烟气再循环率为15％～20％时，煤粉炉的NOx排放浓度可降低25％左右。为NOx的
降低率与烟气再循环率的关系。NOx的降低率随着烟气再循环率的增加而增加，并且与燃料种类和炉内燃烧温度有关，燃烧温度越高，烟气再循环率对NOx降低率的影响越大。
但是，在采用烟气再循环法时，烟气再循环率的增加是有限的。当采用更高的再循环率时，由于循环烟气量的增加，燃烧会趋于不稳定，而且未完全燃烧热损失会增加。因此，电站锅炉的烟气再循环率一般控制在10％～20﹪左右。另外，采用烟气再循环时要加装再循环风机、烟道，还需要场地，从而增大了投资，其系统也较复杂。同时，对原有设备进行改装时还会受到场地条件的限制。烟气再循环法可以在一台锅炉上单独使用，也可以和其他低NOx燃烧技术配合使用。它可以用来降低主燃烧器的空气浓度，也可以用来输送二次燃料，具体如何使用取决于对NOx排放量的限制要求和其他具体情况，需进行技术经济比较来决定。
图2-3 锅炉烟气循环示意图
2.4低过量空气燃烧
低过量空气燃烧也叫低氧燃烧，就是使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行。低过量空气燃烧运行具有重要意义之点就是从能量守恒的观点出发，在低过量空气范围的条件下运行，可使用较少的燃料。因此，可以认为，低过量空气运行可以作为减少氮氧化物的形成和燃料消耗量的基本改进燃烧方法之一。
对于每台锅炉，由于燃烧条件不一样，因此过量空气系数a对NOx的影响程度是不可能相同的；因而在采用低氧燃烧后，NOx降低的程度也不可能相同。例如，燃用同一燃料，由于燃烧器的布置方式不同，其过剩空气系数a对NOx的影响是不同的。燃烧器四角布置时，由于炉内气流旋转，燃料与空气混合均匀，
避免了局部过剩空气过多(特别是在燃烧前期过剩空气过多)，因而过剩空气系数对NOx的影响较小；而当燃烧器前墙布置时，情况正相反。因此，应通过试验来确定低过量空气燃烧的效果。
实际锅炉采用低氧燃烧时，不仅降低NOx，而且锅炉排烟热损失减少，对提高锅炉热效率有利；但是，如果炉内氧的浓度过低，低于3﹪时会造成C0浓度的急剧增加，从而大大增加化学未完全燃烧热损失，同时也会引起飞灰含碳量的增加，导致机械未完全燃烧损失增加，因而使燃烧效率降低。此时，燃烧效率就成为了降低NOx的制约因素。因此在确定a范圈时，必须兼顾燃烧效率、锅炉效率较高和NOx等有害物质量少的要求。
对于煤粉炉，要实现低氧燃烧，必须准确控制各燃烧器的燃料与空气均匀分配，并使炉内燃料和空气平衡；必须减少漏风，监测和控制炉内含氧量与CO含量。多数燃用烟煤电站锅炉设计在a=1.17～1.20(02=3.5％～4.0％)下运行，在此工况下的C0=30～40mg／L。若02降低到3％以下，则CO浓度将急剧增加，不仅导致化学不完全燃烧热损失急剧增加，而且会引起炉膛的结渣与腐蚀。因此要控制炉内02浓度在3％以上，或以CO=200ug／g作为最小口的选择依据。
低过量空气燃烧用来降低NOx的排放是一种经过充分证明的、有效的基本方法，但在锅炉设计和运行时，必须全面考虑，选取最合理的过量空气系数，避免出现为降低NOx，的排放而产生诸如降低燃烧效率、引起炉膛结渣与腐蚀等其他问题。 2.5浓淡偏差燃烧
浓淡偏差燃烧是近几年国内外采用的一种降低锅炉燃烧排放NOx的燃烧技术。此法原理是对装有两个燃烧器以上的锅炉，使部分燃烧器供应较多的空气(呈贫燃料区)，即燃料过淡燃烧；部分燃烧器供应较少的空气(呈富燃料区)，即燃料过浓燃烧。无论是过浓或者过淡燃烧，燃烧时a都不等于1，前者a>1，后者a
对NOx生成特性的研究表明，NOx的生成量和一次风一煤比有关。一次风-煤比在3～4kg／kg煤时，NOx的生成量最高；偏离该数值，不管是煤粉浓度高还是低，NOx的排放量均下降。因此，如果把煤粉流分离成两股含煤粉量不同的气流，即含煤粉量多的浓气流和含煤粉量少的淡气流，分别送人炉内燃烧，对于整个燃烧器，其NOx生成量与燃用单股C0浓度煤粉流相比，生成的NOx要低。 实现煤粉浓淡燃烧的关键是，如何将一次风煤气流由常规浓度0.3～0.5kg煤粉／
kg空气浓缩到O.6～1.0kg煤粉／kg空气。煤粉浓缩方法有多种，如W型火焰锅炉采用的旋风分离浓缩，美国FW公司采用百叶窗锥形轴向浓缩分离器等。例如某厂500MW锅炉的均等配风烟煤型直流燃烧器，采用平行控制调节上、下两层一次风喷口的给粉机转速比，当转速比由0.84增加到2时，NOx减少了12﹪左右。对于四角切圆燃烧锅炉，可采用管道转弯使煤粉浓缩或者浓淡燃烧器实现浓淡偏差燃烧。
值得一提的是，为了实现浓淡燃烧，国内外的研究者开发了各种各样的浓淡转换装置和浓淡燃烧器。
2.6 低NOx燃烧器
低NOx燃烧器是根据NOx的形成机理，通过特殊设计的燃烧器结构,以及通过改变燃烧器的风煤比例,可以将空气分级、燃料分级和烟气再循环降低NOx浓度的原理应用于燃烧器,以尽可能地降低着火区氧的浓度,适当降低着火区的温度,达到最大限度地抑制NOx生成目的。因此,低NOx燃烧器不仅要能保证煤粉着火和燃烧的需要,而且要能有效地抑制NOx的生成. 根据所采取的措施的不同,各种不同类型的低NOx燃烧器可以达到的NOx降低率一般在30%～60%之间。一般低NOx燃烧器可使烟气中的NOx减少48%左右，加上分段燃烧后，总的NOx可减少68%左右。低NOx燃烧器不仅能保证煤粉着火和燃烧的需要，并且能有效地抑制NOx的生成。由于低NOx燃烧器能在煤粉的着火阶段就抑制NOx的生成，可以达到更低的NOx排放量，因此低NOx燃烧器得到了广泛的开发和利用。世界各地的大锅炉公司，为使其锅炉能满足日益严格的NOx排放标准的要求，分别发展了不同类型的低NOx燃烧器。
在多种脱氮技术中,SCR、SNCR 技术能大幅度地把NOx排放量降低到200 mg/Nm3以下,因而受到发达国家的青睐,被大规模的工业应用。但是由于它们都是对燃烧后的烟气进行处理,因而均需要额外的设备及场地。 且SCR技术由于需要价格昂贵的催化剂,因而运行费用高;而SNCR技术的有效反应温度范围狭窄。各种低NOx燃烧技术与尾部烟气脱销相比,具有应用广泛、简单、经济等特点,而且对于即使因为排放标准的原因而采用烟气脱硝的机组来说,低NOx燃烧技术的实施也可以提高烟气脱硝的效率和降低其成本。 考虑到我国目前的国情,在今后一段时期内,我国更适合发展投资少且比较有效的低NOx燃烧技术。
结合我国国情,应该优先采用投资和运行成本都较低的低NOx燃烧技术来降低NOx的排放,既节约了能源,又保护了环境。低NOx燃烧技术是一种从根本上来控
制NOx生成的技术。如果在设计阶段综合考虑环保和高效燃烧等方面,应用低NOx燃烧器,锅炉的总初投资和运行费用不会增加。特别对于国力较弱和资源有限的国家,应加大力度继续开发和研究高标准的低NOx燃烧器,配合合理的分级风燃烧技术；同时对整个锅炉的供粉系统进行调整,使输粉系统与燃烧器相配合,达到煤粉量与空气量的精确配合,形成低NOx生成量、高NOx还原量的煤粉燃烧的配风系统。从而达到对氮氧化物的控制。
燃烧器是锅炉设备的重要部件，它保证燃料稳定着火、燃烧和燃料的燃烬等过程；另一方面，从NOx的生成机理看，占NOx绝大部分的燃料型NOx是在煤粉的着火阶段完成的。因此，通过特殊设计的燃烧器结构，以及通过改变燃烧器的风煤比例，可以将其他降低NOx的原理用于燃烧器，以尽可能地降低着火区氧的浓度，适当降低着火区的温度，达到最大限度抑制NOx生成的目的。具有这种功能的燃烧器就是低NOx燃烧器。
低NOx燃烧是以确保运行经济性(不降低锅炉效率)和安全性(不结焦)为前提的。目前我国燃煤电站锅炉采用的低NOx燃烧器按其出口流动特性可分为直流式与旋流式两大类。 第三章 低NOx燃烧器 3.1 低NOx燃烧器分类 3.1.1 旋流燃烧器
旋流式燃烧器是其出口气流是旋转射流。气流旋转的情况有两种,一种是一次风粉气流和二次风都旋转,一种是二次风旋转而一次风为直流。按促使气流旋转的旋流部件的形式分,一般有蜗壳型旋流燃烧器和叶片型旋流燃烧器两类。蜗壳型旋流燃烧器又可以分为双蜗壳型旋流燃烧器和单蜗壳型旋流燃烧器两种。
① 蜗壳型旋流燃烧器
双蜗壳型旋流燃烧器的一二次风均利用在蜗壳中的流动而产生旋转,两股射流的旋转方向相同。大蜗壳中是二次风,小蜗壳中是一次风。燃烧器中心有一中心管,可以在管中设置油喷嘴。二次风进口处装有舌形挡板,用来调整二次风的旋流强度。由于一二次风都是旋转气流,因此在进入燃烧室后就扩散成为空心锥环状气流。在气流的卷吸作用下,空心锥的内外表面部会受到高温烟气的加热。这种燃烧器旋流强度的调节幅度小,当煤种变化时可能会因火焰位置不好调整而容易结渣。另外,一二次风的阻力大,煤粉在一次风气流中的分布不均匀,也是这种燃烧器的不足之处。
② 蜗壳型旋流燃烧器
单蜗壳型旋流燃烧器的一次风为直流,二次风气流利用蜗壳产生旋转后沿环状通道进入燃烧室。一次风由中心风管进入燃烧室,在一次风出口处装有一个蘑菇形扩散锥,扩散锥后产生的回流区有助于煤粉气流的着火。扩散锥可通过手轮和拉杆前后移动,从而改变一次风粉气流的扩散角度,但扩散锥处于高温烟气回
流区,容易结渣或烧坏。
③ 叶片型旋流燃烧器
轴向可动叶片型旋流燃烧器。它的一次风为直流,二次风是旋转的。这种燃烧器的中心有一根中心风管,中心风管外是一次风的环形通道,中心风管内可以设置油喷嘴。二次风气流在通过二次风叶轮时受轴向叶片的引导而产生旋转。二次风叶轮可通过调整机构沿轴向移动,从而调整二次风的旋流强度。二次风通道是一个环锥形的套筒,二次风叶轮也是环锥形的,叶轮装在套筒内。用叶轮上的拉杆轴向移动叶轮,就可改变叶轮与环锥形通道之间的径向间隙。流经环状通道径向间隙的气流是不旋转的直流气流,因此调节叶轮的位置便可改变旋转气流与直流气流的比例,从而达到调整二次风气流旋流强度的目的。一次风虽为直流,但可以用一次风壳上装设的舌形挡板调节,使一次风出口气流有一定的扩展。旋流式燃烧器的特点是气流的扩展角大,中心的回流区可以卷吸来自燃烧室深处的高温烟气,加热煤粉气流的根部,这对着火有利;但从另一方面看,二次风与一次风相距很近,一二次风的混合较早,又使着火升温所需的热量增大而又对着火不利。旋转射流的旋转效应消失得很快,而且最大轴向气流速度的衰减也快,这样对挥发分低或挥发分中等而灰分大的煤种,旋流式燃烧器前期混合显得偏早,而后期混合又不够强烈,所以容易导致着火不稳定或燃烬较困难的情况。旋流燃烧器的射程小,火焰粗而短,对燃烧室的截面形状不要求是正方形或接近正方形,可以是较扁的长方形。长方形截面的燃烧室,深度小,这有利于在锅炉后部布置空气预热器和送风机等辅助设备。旋流式燃烧器常见的布置方式:前墙布置和前后墙对冲或错列布置。在大容量锅炉上,往往又布置成多排多层。 3.1.2 直流式燃烧器
直流式燃烧器的出口气流是直流射流,它的特征是扩散角小、射程远,仅就单股射流来说,它较旋流式燃烧器的周围卷吸作用小而且没有中心回流,这对着火不利。但是直流式燃烧器采用的是四角布置、切圆燃烧方式,炉内的气流流动由四角燃烧器的四股射流共同形成,总体上组成一个旋转气流。燃烧器射出的煤粉气流经过燃烧室中部区域变成强烈燃烧的高温烟气,一部分直接补充到相邻燃烧器射流的根部,使相邻燃烧器的升温引燃。射流本身的卷吸和邻角的相互点燃特 点,使直流式燃烧器四角布置、切圆燃烧方式具有良好的着火性能。直流式燃烧器的另一个持点是二次风的送入方式,由于二次风口与一次风口相对独立,相互间的排列自由,可以在布置上变化出多种形式,控制二次风与一次风混合的迟早,
满足不同的燃料对混合的不同要求,改善着火性能。此外,由于一次风衰减慢和二次风的加强作用,使煤粉气流的后期混合强烈,加之炉内的气流旋转,煤粉在炉内螺旋上升,通过的路程长,故直流式燃烧器切圆燃烧又具有燃烬程度好的特点。各种直流式燃烧器的主要不同在于其一、二次风口的排列布置。简单介绍几种直流式燃烧器的风口布置情况。一、二次风间隔布置,着火后二次风混入快,适应于高挥发分煤种对二次风混入及时的要求。一、二次风口间的距离可根据煤种的性质决定,对优质烟煤距离可设计为零。这种燃烧器是一种典型的烟煤燃烧器。具有周界风的直流燃烧器。其特点是一次风相对集中,提高局部煤粉浓度；一、二次风的距离较大,混合较迟,以利提高着火性能;一次风口为狭长方形,煤粉气流的迎火周界长,对着火有利；一次风口周围是周界风,但周界风风量不大而风速较高,具有冷却一次风喷口的作用。上二次风风口有2 个,可以进行分级配风,有利于调节。这种燃烧器用来燃烧无烟煤,适应无烟煤挥发分低、着火困难和碳化程度高、燃尽困难的特性。直流燃烧器作四角布置切圆燃烧时,燃烧室的最佳截面是正方形,但实际上由于锅炉结构设计方面的原因,也常采用长方形的截面,但其宽度 与深度的比值接近于1 ,一般不超过1.2。假想切圆的直径应结合燃料的着火性能与结渣性能综合考虑。切圆直径较大时,炉中心火焰旋转强烈,冲刷过来的火焰离风口根部近,甚至可能引起气流贴壁,火焰冲向水冷壁引起结渣；切圆直径太小会使燃烧室中心火焰变小,对燃烧不利。 3.1.3 旋流燃烧器与直流燃烧器相比的特点[8]
① 旋流燃烧气流具有旋转运动，因此其卷吸率高、射程短，这一方面减少一方面易形成高温回流区，燃烧稳定; 了火焰的碰撞，沿炉膛深度方向的热负荷比较均匀，炉膛的结渣和腐蚀较轻。另
② 旋流燃烧器的一、二次风的混合早且强烈，这虽然使未燃尽炭的损失少，但相对于直流燃器，其NOx的生成量相对较高，可以通过增加燃烧器之间的距离和分级配风来降低NOx的生成量。B&W公司开发的双调风旋流燃烧器以及我国开发的径向浓淡旋流燃烧器降低NOx生成量的效果很显著；旋流燃烧器可以采用前后墙布置，因此炉膛出口以及水平烟道内的温差较小。
直流燃烧器与旋流燃烧器相比，它们的相同点是一次风均为带粉的气流,一次风的作用根据选用的磨煤机的不同稍有差别。如果选用的是带中间仓储的送粉方式,则一次风要克服输粉管道的提升和弯头阻力；而在直吹式磨煤机系统中,3.2 低NOx旋流煤粉燃烧器
一次风除了克服输粉管道的提升和弯头阻力外,还要将煤带进磨煤机,再将制成的煤粉带出磨煤机,这样对一次风机的压头要求比较大。两种燃烧器都有二次风(有时还有三次风) ,它们是为煤粉的充分燃烧而提供的。而旋流燃烧器的一次风和二次风可以都是旋转的,也可以局部气流旋转,使旋转的气流形成有利于煤粉着火和稳燃的回流区；这种燃烧器可以前墙布置,也可以前后墙对冲布置,但以对冲布置形式为优,它对炉膛的形状要求不高,不像直流燃烧器要求近于方形的结构,这样有利于炉内受热面的布置。旋流燃烧器的单个燃烧器可以单独组织燃烧,不需要借助其它燃烧器气流的支持来维持炉内的空气动力场。但相对来说,由于旋流燃烧器的气流混合较早,使燃烧区域较集中,燃烧器区温度较高,NO的生成量高。对燃煤电站锅炉来说,如果炉内的容积热负荷和燃烧器区的截面热负荷较低,使炉膛内的总炉膛温度低于1500 ℃,那么只要降低燃料型NOx的生成,就可明显降低NOx总排放。采用低NOx燃烧器可在炉内形成有利于较低的燃烧温度的空气动力场,在煤粉燃烧过程中建立过量空气系数
旋流煤粉燃烧器一般都是圆形布置,从中心向外依次是中心风、含煤粉的一次风、二次风。通过二次风旋流与中心处稳燃锥的共同作用,在燃烧器出口形成一个高温烟气的回流区,而煤粉则往往是利用一次风道中的煤粉浓缩器形成煤粉的内浓外淡,从而在二次风的旋流作用下,煤粉由中心向回流区边缘移动,有利于浓煤粉首先着火,引燃淡煤粉。随着旋流强度增大,烟气回流区加大,又增加了横向湍流混合,有利于煤粉着火,故煤粉燃尽率提高。但为防止燃烧器喷口烧坏和结渣,热回流量有一最佳值；考虑到燃料着火,煤粉浓淡比也有一最佳值,对于旋流燃烧器而言,二次风旋流强度大小不仅要考虑对热回流区大小的影响,而且它直接影响二次风与一次风煤粉混合的强烈强度,因此旋流强度大小有一最佳值,既有利于热回流对煤粉的提早点火, 又不至于大大增加NOx排放。目前应用的大部分低NOx旋流煤粉燃烧器都是在考虑上面的各种因素设计的。
三井巴布科克的LNASB型低NOx轴向旋流燃烧器结构见图3-1。[9]煤粉和一次风混合物切向进入一次风管道,经扩锥管内的旋流片使煤粉气流分配均匀,在燃烧器一次风管道内旋转前进,经燃烧器一次风管内的一次风粉分割器(芯风管) 分割为4股独立的风粉流,一方面相对地增大煤粉与周围轴向旋流二次风的接触比表面积,可以控制一次风环型套筒周围风煤比的变化;另一方面使一次风粉在3.2.1 LNASB型低NOx轴向旋流燃烧器
一次风管喷口内部就形成4股独立的相对浓煤粉气流和其周围的相对淡煤粉气流的“浓淡分级燃烧”,从而形成在总体供氧水平极低、温度水平相对低的炉内气氛前提下,保证煤粉顺利着火和稳定燃烧,还可以大大地抑制NOx生成。这种燃烧器的燃烧用风分为两级,即旋流二次风和旋流三次风。旋流二次风由手动套筒挡板和手动旋流器拉杆调节风量和旋流强度;而三次风仅由手动旋流器拉杆调节旋流强度,安装时预先将旋流器位置调整好,运行中不能调整。在二次风压不变的前提下,改变二次风套筒挡板位置,使二次风量与三次风量的比例发生变化。三次风和二次风的气流形成独立的旋流,支持挥发分充分燃烧,同时最大限度地减少NOx的生成量。与燃烧器主体炉膛侧相接的为一渐扩形的耐火砖旋口, 以便保证 风粉在燃烧器出口充分展开,产生足够的回流区,有利于各股气流的混入。
图3-1 低NOx轴向旋流燃烧器
性能试验表明,LNAB型燃烧器的性能稳定,高负荷不结渣,低负荷稳燃能力强,NOx排放浓度低,运行经济性高,是一种清洁燃烧的煤粉旋流燃烧器。应用在华能大连电厂二期2×350MW 上的燃用晋北烟煤的这种燃烧器的排放测试结果不高于616mg/m3 。
3.2.2 直流扰动式双调风燃烧器
德国Babcock 公司的直流扰动式双调风旋流煤粉燃烧器的结构见3-2。[10] 点火油枪放在中心管内,中心管喷口同时便于形成稳定的回流区;切向进入的一次风煤粉气流经中心管外的环形一次风通道喷入炉膛。燃烧用的二次风分为2部分:内二次风环道中设有旋流叶片,使气流旋转；外二次风由外环道直流射入。
改变各二次风入口挡板的开度,可改变它们的入口风量。内二次风旋转带着直流一次风旋转,在燃烧器的出口处形成回流区,高温烟气回流有利于煤粉的着火和稳燃。在煤粉着火燃烧后,只加入了一部分燃烧所需风量:旋流二次风,使这个燃烧区的过量空气系数a 1) ,形成富氧气氛,使剩余的焦炭颗粒完全燃烧,形成第二级的主燃烧区。由于燃烧过程延长,降低了火焰温度,进一步抑制NOx的生成。可见,双调风燃烧器是按有利于低NOx排放的原理组织各射流工况,属于空气分级的低氮燃烧器。神头第二电厂引进的2×500MW 锅炉采用的这种燃烧器经过燃烧调整优化后,NOx的排放低于650mg/m3 ,达到国家的排放标准。
图3-2 直流扰动式双调风旋流煤粉燃烧器(单位:mm)
3.2.3 DRB型双调风低NOx燃烧器
美国巴布科克·威尔科克斯(B&w)公司的DRB型双调风低NOx旋流燃烧器实际上是高强度扰动式燃烧器，[11.17]因而也是高NOx发生器，但是，只要采取一些空气调节手段，推迟燃料与空气的混合，就能使其转变为低NOx发生器，而且，这种燃烧器还具有燃烧稳定，在相当低的燃烧速度下不至于出现过多未燃物损失 的优点。双调风旋流燃烧器是这种燃烧方式的典型结构形式。
图3-3是美国巴一威公司的DRB型双调风低NOx燃烧器，其主要特点是二次风分为内、外二次风两部分。它有三个同心的环形喷口，中心为一次风喷口，一次风量占总风量的15％～20％。外面是内外层双调风器喷口，内二次风的风量占总风量的35％～45％，外二次风量占总风量的55％～65％。此外，在一次风喷口周围还有一股冷空气或烟气，它对抑制在挥发分析出和着火阶段的生成也起
着较大作用。在燃烧器周围布置有二级燃烧空气喷口，以维持炉内过量空气系数为1.2左右，从而保证煤粉的燃烬。由于这种燃烧器的二次风采用内、外两个调风器，故又称之为双调风低NOx燃烧器。
该燃烧器的一次风一煤粉混合物为不旋转的直流射流，在燃烧器出口处一次风与内二次风混合形成富燃料着火燃烧区。外二次风的旋流强度较低，因而可使燃烧过程推后，并降低火焰温度。采用该双调风燃烧器进行分级燃烧后，根据对火焰温度的测量结果，在距喷口为1.2m处的火焰温度由1600℃降低到了1400℃，因而可抑制热力型NOx的生成。运行结果表明，在单独使用这种燃烧器时可使锅炉的NOx排放浓度降低39％；如果与炉膛分级燃烧同时使用，可使NOx的排放量降低63％。一般该燃烧器的外二次风所占比例较大，因而可以把燃烧中心由富燃料燃烧形成的还原性气氛与炉墙水冷壁分隔开来，以防止结渣或腐蚀。
图3-3 DRB型双调风低NOx燃烧器
图3-4 DRB燃烧器和该公司普通旋流燃烧器NOx 排放量的比较
3.2.4 DS型低NOx燃烧器
WB型煤粉燃烧器为20世纪80年代德国巴威公司研制开发的低NOx煤粉燃烧器(图3-5)。这种燃烧器最主要的特点是将二次风道分为内、外二次风道。在内二次风道内装有旋流叶片。一次风和外二次风为直流射流，内二次风为旋转射流。一次风量约占总风量的20％，内二次风约占总风量的20％～30％，其余风量作为外二次风送入炉膛。燃烧器运行时，一次风射流由内二次风旋转射流启旋，并在燃烧器出口形成回流区。由于其二次风分为内、外二次风，且内二次风量及其旋转动量较小，因此，一方面使回流区卷吸热烟气的能力减弱，减缓了煤粉的着火燃烧；另一方面约占总风量50％的外二次风同一次风粉气流的混合推迟，燃烧过程受到控制，火焰温度峰值降低。所以这种分级燃烧方式有效地降低NOx的生成。采用这种燃烧器的锅炉，NOx排放量一般在650mg／m3标况左右。这种燃烧器宜用于优质烟煤锅炉。
该燃烧器的一次风一煤粉混合物为不旋转的直流射流，在燃烧器出口处一次风与内二次风混合形成富燃料着火燃烧区。外二次风的旋流强度较低，因而可使燃烧过程推后，并降低火焰温度。采用该双调风燃烧器进行分级燃烧后，根据对火焰温度的测量结果，在距喷口为1.2m处的火焰温度由1600℃降低到1400℃，因而可抑制热力型NOx的生成。运行结果表明，在单独使用这种燃烧器时可使锅炉的NOx排放浓度降低39％；如果与炉膛分级燃烧同时使用，可使NOx的排放量降低63％。一般该燃烧器的外二次风所占比例较大，因而可以把燃烧中心由富燃料燃烧形成的还原性气氛与炉墙水冷壁分隔开来，以防止结渣或腐蚀。
和DRB型燃烧器类似,所不同的是它增加了中心风,往炉膛供入少量的较低温度的空气,有利于火焰温度的降低;此外它的外二次风不旋转,因而可进一步推迟它与富燃料火焰的混合时间,从而减少着火区NOx的生成量。一般NOx排放量为650mg/ m 。对安装在一台800MWe 煤粉炉上的WS 燃烧器的测试表明,在单独使用这种燃烧器时,锅炉的NOx 排放值可以减少40 %以上,而对炉膛的腐蚀、传热和燃料的燃尽没有明显的影响。在一台700MWe 的锅炉上测试值为:在炉膛没有OFA 时,NOx 的排放浓度低于800mg/Nm3 ,飞灰含碳量低于5 %
在20世纪80年代后期，德国巴威公司在WB型低NOx燃烧器的基础上，开发了WSF型低NOx燃烧器(图3-6)。与WB型低NOx燃烧器相比，它增加了中心风和外二次风旋流叶片。增加中心风的目的，是为煤粉燃烧初期提供必要的氧量；增加外二次风旋流叶片，是为在燃烧煤质较差的燃料时，多一种调节手段，它可3
以增加燃烧器的旋流强度，加强回流区的卷吸能力，在极限情况下，可以成为一个纯旋流燃烧器。
WSF型燃烧器主要用于劣质烟煤锅炉。
图3-5 WB型低NOx燃烧器示意图
图3-6 WSF型低NOx燃烧器
DS型煤粉燃烧器是德国巴威公司于20世纪90年代开发的一种新型低NOx煤粉燃烧器(图3-7)。在WS型的基础上,Babcock 公司1995 年又开发了第三代产品DS型燃烧器, 它充分考虑了NOx减少生成和可能出现的燃烧不良等问题,具有如下结构特点:采用截面积较大的中心风管,减缓了中心风速,保证回流区的稳定;增大一次风射流的周界长度和一次风粉气流同高温烟气的接触面积,提高了煤粉的着火稳定性;在一次风道内安装了旋流导向叶片,使一次风产生旋流,并将喷嘴端部设计成外扩型;煤粉喷嘴出口加装了齿环形稳燃器;在外二次风的通道中则采用各自的扩张形喷口,以使内、外二次风不会提前混合;内外二次风道为切
向进风涡壳式结构,保证燃烧器出口断面空气分布均匀,增加了优化燃烧所具备的旋流强度。DS型低NOx燃烧器可实现NOx低于450mg/m3的排放标准。这是目前采用空气分级燃烧技术降低NOx幅度最高的燃烧器。而且,它既可用于前后墙对冲燃烧方式,也可用于切圆燃烧方式,对于燃用优质煤和劣质煤均适用。图3-8是WS型燃烧器和DS型燃烧器NOx排放值的比较。由图可以看出,DS型燃烧器在高过量空气系数下,NOx排放值WS型燃烧器有大幅下降。在德国Babcock公司新设计的锅炉上，普遍采用这种燃烧器。
该燃烧器从整体上看，接近WSF燃烧器，有中心风管、一次风道和内外二次风道。内、外二次风道内均装有旋流叶片，其结构特点如下。
① 采用了截面面积较大的中心风管，其目的是减缓中心风速，保证回流区的稳定，同时在煤粉喷嘴出口面积不变(或一次风速不变)的情况下，增加了一次风射流的周界长度，增加了一次风粉气流同高温烟气接触的面积，增强了煤粉着火的稳定性。
② 在燃烧器一次风道内加装了旋流导向叶片，在煤粉喷嘴出口加装了齿环稳燃器(图3-9)。旋流导向叶片使一次风粉气流在燃烧器一次风道内产生旋转，一方面改善了一次风粉气流通过输粉管进入燃烧器前的最后一个弯头所造成的煤粉浓度在燃烧器一次风道内周向分布不均现象，即接近弯头外侧煤粉浓度高，煤粉颗粒粗，弯头内侧则相反；另一方面，一次风粉气流由于受旋流的作用，形成新的径向分布不均，即贴近一次风道管壁处煤粉浓度高，煤粉颗粒较粗，贴近中心管外壁处，情况则相反。在煤粉喷嘴出口处，经过旋流导向叶片的风粉气流，受到齿环稳燃器的作用，较粗的煤粉颗粒则从燃烧器一次风道内贴壁处折向趋中射入炉内，浓集于旋流燃烧器所形成的大回流区边界，加大了回流区边界处的浓度梯度，强化了反应流体的传质和燃烧。而较细的煤粉颗粒则绕流过齿环稳燃器，在齿环稳燃器的每个齿后，产生一个较小的涡流，整个齿环形成一圈小涡流圈，附在大回流区的根部。在这些小涡流内，煤粉细，流速低，极易着火，它虽然不 足以点燃整个煤粉射流，但可以将热量传给未着火的煤粉，强化了煤粉的着火(图3-10)。由于小涡流的存在，主射流受到“挤压”，使得主射流形成的大回流区沿 着燃烧器出口方向向前伸展，形成狭长型回流区，使煤粉颗粒在燃烧初期的欠氧区时间延长，为NOx的还原反应提供了更多的机会。
③ 一次风喷嘴端部设计成外扩型，延迟了内二次风向一次风粉气流的混合，阻碍了大回流区因二次风的卷吸向宽度方向发展，保证了回流区有足够的长度和
燃烧器出口有一较长的高燃料区。内二次风喷嘴端部也为外扩型，推迟了外二次风向内的直接混合，保证了更强的分级送风效果。
④ 内外二次风道为切向进风涡壳式结构，目的为保证燃烧器出口断面空气分布均匀，同时增加了优化燃烧应具备的旋流强度。对安装在一台800MW煤粉炉上的WSF燃烧器的测试表明，在单独使用这种燃烧器时，锅炉的NOx排放量可减
少40﹪以上，而对炉膛的腐蚀、传热和燃料的燃烬没有明显的影响。
图3-7 德国Babcock公司DS型燃烧器
图3-8 WS型燃烧器和DS型燃烧器NOx排放值的比较
图3-9齿环稳燃器
图3-10 DS燃烧器火焰形成过程
在一台700MW的锅炉上测试值为，在炉膛没有“火上风”时，NOx的排放浓度低于800mg／m3(标况)，飞灰含碳量低于5％。而采用DS燃烧器的锅炉，NOx排放量可以降为450mg／m(标况)左右。在相同的过量空气系数下，DS燃烧器的NOx排放值比WS燃烧器可进一步降低50％以上。上面对各种低NOx直流与旋流煤粉燃烧器原理和结构作了简单的介绍,虽然它们NOx的排放水平总体上来说,在当时发明和设计时,许多性能指标能满足需要,但随着各种严格的、高要求环保标准的施行,还必须从结构和原理上作改进,以满足不断提高的控制标准要求。
我国以煤作为主要能源, 70%～80%电力是由燃煤火电机组产生。但是发电厂煤质多变, 质量较差,一些即使按优质或中等质量烟煤设计的火电机组,也要经常烧煤质较差或劣质烟煤, 甚至还要烧低挥发分的贫煤; 按贫煤设计的火电机组, 常常还要燃烧或掺烧无烟煤。加上机组调峰的需要, 锅炉适合的燃烧器及其稳燃问题日益受到电厂的关注。燃煤电厂火电机组燃料燃烧的完善性, 也就是燃料的燃烧效率或燃烧后灰中残炭的质量分数是机组运行经济性的一个重要指标, 33.2.5 花瓣燃烧器
锅炉燃烧系统应保证锅炉有更高的燃烧效率。环保要求的日益严格对锅炉NOx的排放提出了更高的要求, 并且还会进一步提高。严格控制锅炉燃烧后NOx的排放,也是燃烧器的设计和运行应高度重视的问题。锅炉运行的安全性与燃烧器型式和设计关系很大。严重影响锅炉可靠运行的锅炉水冷壁结渣和高温腐蚀问题, 与燃烧器系统的设计密切相关; 在我国电厂锅炉炉型中, 几乎作为唯一一种炉型的热器和高温再热器的可靠运行。与四角切圆布置的直流燃烧器相比, 墙式对冲布置的旋流燃烧器在这方面具有明显的优越性。但现有旋流燃烧器在燃烧低挥发分煤时的着火和稳燃问题还未得到很好解决, 现结合这一问题, 研究一种既有良好稳燃性能, 又有利于降低锅炉NOx排放和减小飞灰残炭损失的新型旋流燃器—花瓣燃烧器。
1 花瓣燃烧器的提出
旋流燃烧器是靠二次风旋流及出口加装扩锥而形成炉内高温烟气的反向回流来加热煤粉气流并使之着火燃烧的。中心回流区的存在是这类燃烧器的重要特点, 它为煤粉着火提供主要热量来源。通过模拟旋流燃烧器中心回流区的流场分布, 分析得出传统旋流燃烧器不能适应贫煤、无烟煤等低挥发分煤燃烧的原因为:
① 传统旋流燃烧器风粉气流与热烟气之间的热质交换主要靠回流区边界剪切层流体的脉动, 脉动速度较小, 比主流速度约小2个数量级, 脉动产生的热质交换强度比宏观对流强度要低很多, 进入回流区的煤粉气流绝大多数是从剪切层尾部进入回流区的。
② 煤粉气流在进入炉内后,由于中心风管扩锥的导向作用,不仅会使气流向外扩展, 还会引导气流中的煤粉颗粒向外扩散。扩锥扩口角度增加, 煤粉颗粒的“趋外”现象更加明显;当二次风旋流强度增大时, 有些煤粉颗粒甚至会穿过风粉层冲向二次风区,煤粉颗粒将更难从煤粉气流中进入回流区。该燃烧器的一次风粉气流被煤粉浓缩器分离为内浓外淡2股: 内二次风为流量和旋流强度均较大的漩流风; 外二次风为直流风。在一次风管扩锥和内二次风旋流作用下, 燃烧器出口产生较大的中心回流区, 但燃烧贫煤的稳燃性并不好, 常发生高负荷熄火现象。
③ 扩口还会造成动量损失, 使部分煤粉撞击扩锥后还未燃烧就直接落入冷灰斗, 造成炉渣残炭不完全燃烧损失及扩口的磨损。
[18]п型锅炉, 炉膛出口水平烟道两侧的烟温偏差, 已严重影响到大型锅炉高温过
④ 对于不设中心风管和扩锥的旋流燃烧器,如B&W公司的DRB型燃烧器, 中心回流区是靠气流强烈旋转产生的。当旋流强度不大时, 不能产生明显的高温烟气中心回流；[12.13] 当旋流强度较大时, 虽然回流的高温烟气较多, 但旋流产生的离心力也会加速煤粉颗粒快速向二次风扩散, 与扩锥角度增加产生类似的效果。
根据传统旋流燃烧器流场存在的问题, 东南大学研制开发了旋流燃烧器新型稳燃装置—花瓣燃烧器。
2 花瓣燃烧器结构
花瓣燃烧器为一扩锥型结构,[14.15] 出口边界为花瓣形曲线, 故名为“花瓣”。花瓣凸出的地方称为瓣峰, 凹陷的地方称为瓣谷。花瓣燃烧器主要解决低挥发分煤及低负荷时煤粉的及时着火、稳燃和降低NOx排放等完善燃烧问题, 着重从增加高温烟气回流,增加一次风粉气流与回流高温烟气接触边界, 加强两者之间的混合, 促使煤粉颗粒进入中心回流区( 内回流区) , 以加大中心回流区燃烧的煤粉量等方面加以考虑。
1—中心风管; 2—花瓣燃烧器
图3-11 花瓣燃烧器
3 花瓣燃烧器的优点
① 花瓣燃烧器的周界长, 是扩口、扩锥无法相比的, 增加了一次风粉气流与高温回流烟气的接触面积。
② 花瓣燃烧器除中心回流区外, 在每个花瓣的后面都存在1个径向和1对轴向回流区, 这种特殊的流场, 加速了一次风粉气流和高温回流烟气之间的混合, 多种回流区成为风粉气流迅速着火和稳定燃烧的热源。
③ 花瓣燃烧器的存在, 把厚度很大的环状一次风粉气流分割为除一较薄层的环状外, 还有相当于花瓣瓣数的数个片状气流, 片状气流被回流高温烟气两
面加热, 容易着火, 煤粉燃烧较彻底。片状和薄层环状气流互不分割, 连成一体, 气流稳定性不受影响。
④ 花瓣的特殊形状和每片花瓣后径向回流区的存在, 可促使一次风粉气流中一部分煤粉颗粒进入高温回流区, 并可在回流区内循环一定时间。煤粉颗粒在回流区内燃烧, 既可提高回流区中的烟气温度( 这对贫煤和无烟煤燃烧特别重要) , 又延长了煤粉颗粒在炉内的燃烧时间, 使燃烧较完全。
⑤ 进入中心回流区的煤粉颗粒在缺氧条件下燃烧, 对降低NOx十分有利。
⑥ 花瓣稳燃器本身为流线型, 流动阻力小, 且气粉流的磨损较轻, 使用寿命长。
4 花瓣燃烧器的实际应用
某电厂燃用贫煤的210MW机组锅炉, 燃烧器为前后墙对冲布置的径向浓淡旋流燃烧器, 具有中心风管、一次风管及内部的浓淡分离器装置和二次风管, 二次风分旋流内二次风和直流外二次风。该型燃烧器飞灰、炉渣含碳质量分数偏高, 在燃烧煤质偏差的贫煤时常发生熄火。为考验花瓣燃烧器的稳燃性能, 并本着改造工作量小的原则, 仅对其中心风管进行了改造。在该锅炉上还有B&WE公司的旋流燃烧器同时进行试验, 由于同一台炉子上燃烧器型式较多, 故未进行有关燃烧器参数的相悉测量, 只考验燃烧低挥发分煤的稳燃问题。花瓣燃烧器运行以来, 进行了高、低负荷及不同煤种的试验与测试, 测试结果如下:
① 花瓣燃烧器点火迅速, 稳燃情况良好, 未发生熄火现象 ② 花瓣燃烧器燃烧稳定, 二次风挡板开度调节对其影响不大
③ 从中心风管看火孔看, 花瓣燃烧器的火焰温度不高, 并有煤粉颗粒漂流的现象, 与以往燃烧器的稳燃机理完全不同。花瓣燃烧器的设计有意将部分煤粉, 特别是粗煤粉颗粒引进燃烧器的中心回流区,并在那里着火燃烧。由于煤粉颗粒及着火过程存在,所以观察到烟气温度水平不高。但煤粉颗粒迅速进入中心回流区对低挥发分煤的着火和稳定燃烧有重要作用, 也有利于煤粉的燃尽。
④ 花瓣燃烧器不结渣, 因燃烧器通道无任何阻挡, 不会发生积粉现象, 也不会发生结渣; 对于燃烧较好的煤种, 发生过花瓣背流面少量结渣( 着火离喷口太近) , 但开启中心风可立即将结渣清除。
传统旋流燃烧器对于旋流燃烧器的稳燃问题都是从回流区大小及煤粉质量浓度两个方面考虑的, 未能实现煤粉气流进入炉膛后与高温烟气的迅速混合和强烈的热质交换。花瓣燃烧器充分考虑了煤粉气流进入炉膛后与高温烟气的强烈混合问题, 从多角度提高风粉气流与高温烟气的热质交换。花瓣燃烧器能在煤粉
气流中形成轴向和径向多种回流区, 使煤粉气流进入炉膛后即与高温烟气迅速混合, 有利于难燃煤粉的着火和燃烧。花瓣燃烧器能使较多煤粉颗粒进入回流区,在燃烧区域形成低温负氧燃烧, 有利于低NOx燃烧和煤粉的燃尽。
第四章 低NOx燃烧技术比较
不同的燃煤锅炉，由于其燃烧方式、煤种特性、锅炉容量以及其他条件的不同，在选用不同的低NOx燃烧技术时，必须根据具体的条件进行技术经济比较，使所选用的低NOx燃烧技术和锅炉的具体设计和运行条件相适应。不仅要考虑锅炉降低NOx的效果，而且还要考虑在采用低NOx燃烧技术以后，对火焰的稳定性、燃烧效率、过热蒸汽温度的控制、受热面结渣和腐蚀等可能带来的影响。下面从控制原理、控制效果及经济性等方面对各种不同的低NOx技术进行一下比较。
4.1控制原理比较
注： 控制原理 ■关系密切 ▲有关系
影响程度 ■高 ▲中等 ●因设施类型而异 应用难度 ■可维持现状 ▲要稍加修改 ●要翻新改造 考虑问题 ■关系密切 ▲有关系 ●能获改进
图4-1所示，为根据美国的经验，在燃烧四种不同的美国烟煤时，不同的煤
xx图4-1不同低NOx技术控制效果比较
图4-3[16]为四种低NOx燃烧技术设备和改装费用的成本(美元／kw)和锅炉容量的关系。由图可见，从成本的相对比较看，其中低NOx燃烧器的成本最低，而且成本随着锅炉容量的增加而降低。
图4-3改装成本和锅炉锅炉容量的关系图
结 论
通过对以上几种低NOx燃烧器的介绍，可知每种低NOx燃烧器各有特点。由于氮氧化物的控制效果与煤种的不同，锅炉负荷的变化，运行经验的不同等因素密切相关。所以不能确定哪种燃烧器的控制效果更好。要根据具体情况选择合理的燃烧器以达到经济有效的氮氧化物的控制效果。同时低NOx燃烧器这种氮氧化物控制技术不应该是孤立的，它应该结合其他控制技术，通过锅炉运行调整，精确合理的测量与控制风煤量，实现优化燃烧，从而达到有效控制氮氧化物的效果。 同时我们也应该看到，虽然低NOx燃烧器的使用在我国正得到逐步的重视，但仍有相当大数量的燃煤锅炉还采用常规燃烧器，与此同时即便是使用了低NOx
国内目前300 MW 燃烧器的电厂，也有相当一部分未充分发挥低NOx燃烧器的作用，
以上机组中有相当大一部分NOx排放超标。随着我国环保要求越来越严格，如何降低这部分大机组的NOx排放水平已迫在眉睫。随着国家电力建设和生产政策的调整，今后将有一大批电站燃煤老机组面临改造，改造时势必将采取一系列具有针对性的低NOx燃烧方式，力图有效地将NOx排放降下来。可以预见低NOx燃烧理念将贯穿电站燃煤老机组改造的始终。因此低NOx燃烧技术的使用和发展即将进入一个高峰期。
综观国内外低NOx旋流燃烧器的发展,可发现低NOx旋流燃烧器的发展趋势为:
①在降低NOx排放的同时,增强稳燃性, 燃烧器适用的煤种范围变宽, 从适用烟煤到贫煤和无烟煤。
②向适合锅炉负荷调节、锅炉改型的方向发展。
③减轻炉膛水冷壁结渣和高温腐蚀。
④在双调风燃烧器的基础上,采用高浓度燃烧技术降低NOx排放。 目前,低NOx燃烧器技术的发展正处于不断发展和完善的高峰时期。随着对降低NOx排放要求的不断提高和燃烧理论的发展,相信各国还会开发出更先进的 NOx燃烧器。
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谢 辞
本文是在佐双吉老师悉心指导下顺利进行并完成的。在整个论文的准备过程中，佐老师认真把关，一丝不苟。佐老师的丰富知识，治学严谨的态度给了我深刻的印象，这为我们在以后学习和工作中树立良好的榜样。同时通过对火力发电厂燃烧过程脱硝技术研究这一毕业课题的学习和研究，学到了许多关于脱硝的知识。同时在这个过程中也培养了自己的能力。在此，向佐老师表示衷心。