电厂锅炉技术----低NOx排放技术

在碳氢化合物燃烧时，特别是富燃料燃烧时，会分析出大量的CH、CH2、CH3、C2等，会破坏N2的分子链而生成HCN及CN等，该组分反应活化能较低，故反应速度较快。HCN、CN与O、OH反应生成NCO，NCO被进一步氧化后生成NO。有一种观点认为90%的快速型NOX是通过HCN生成的。此外，研究发现火焰中HCN达到最高值转入下降阶段时，存在大量的氨化物，这些氨化物和氧原子等快速反应而生成NO。由前述可见，快速型NOX来源于空气中的N2，类似于热力型;但NO的生成机理却与燃料型相似，在HCN生成后与燃料型NOX生成途径基本一致。

快速型NOX生成对温度不敏感，一般情况下，对不含氮的碳氢燃料在较低温度燃烧时，才重点考虑快速型NOX，如内燃机的燃烧过程，对煤粉燃烧，快速型NOX生成量占总生成量的5%以下。

可以看出，NOX生成的最大特点就是与煤的燃烧方式、燃烧工况有关系。NOX生成量强烈地依赖于燃烧的温度水平，此外与风煤比，传热和煤种以及煤、空气和燃烧产物的混合程度有关。正因为这样，可以通过改善燃烧方式，改变锅炉运行条件来降低NOX生成量。

N的转化率：

燃料型NOX系由燃料氮生成，但并非全部燃料N在燃烧过程中最终都生成NOX，已生成的NO还会被破坏还原。即便在不加控制的情况下，也只有一部分燃料N最终生成NOX，其余先以NH3形式分解出来，再转化为N2。转化率与燃料特性及燃烧条件有关。

(1)与燃料特性的关系

燃料中含氮量增加时，虽然生成燃料型NO增加，但转化率却减少：煤的燃料比FC/Vdaf(固定碳与挥发分之比)越高，NO的转化率越低。煤的挥发分升高，生成NO浓度的相对值降低，这是由于挥发分中烃(CH)成分对NO的还原反应所致。

(2)与过量空气系数的关系

几乎所有试验都表明：过量空气系数越高，NOx的生成浓度和转化率也越高。在过量空气系数大于1时，挥发分越高，转化率CR越大;但在小于l时高挥发分煤的转化率CR反而降低。这是由于挥发分烃的还原作用以及挥发分燃烧使氧量降低所致。

二、低NOx排放燃烧技术

控制NOX方案来源于对其机理的研究。控制措施分为一次及二次措施，一次措施指在燃烧过程中采用的措施，系在炉膛内实现，为低NOX的燃烧技术;二次措施为净化烟气的脱硝技术，系在燃烧后对烟气中加入还原剂及催化剂吸收已生成的NOX。一般一次措施最多只能降低NOX排放值的50%，当环保要求降低到40%以下时，则应加二次措施，二次措施与一次措施一般同时采用。

低NOX燃烧技术的要点是抑制NOX的生成，并创造条什使已生成的NOX还原。对煤粉燃烧锅炉，燃烧温度在1350℃以下，几乎没有热力型NOX生成，只有当燃烧温度超过1600℃，热力型NOX可到25%~30%，而快速型NOX仅占5%，故对煤粉燃烧主要是控制燃料型NOX，对燃料型NOX生成各途径造成还原性气氛，控制其生成，促进其还原。

目前对降低氮氧化物生成和排放已有了一些有效燃烧控制的技术措施，主要有以下几类。

一、低氧燃烧

低氧燃烧是控制NOX排放量最简单的方法。对燃烧器及燃烧系统不需作任何改动，仅在运行中控制入炉风量，使煤粉燃烧过程尽可能接近理论燃烧空气量下进行。采用低氧燃烧方案可使NOX排放量降低20%～30%。该方案实际应用时受条件限制。炉内氧量过低，将使飞灰含碳量增加，对难燃及较难燃的煤种更为明显;另外，还会使排烟CO浓度增加，这都会使锅炉效率降低。还有一个问题是，对某些锅炉，低氧燃烧时导致主蒸汽或再热蒸汽温度偏低。具体实施时要根据燃刚煤种，锅炉效率降低幅度及汽温等性能确定适宜的炉膛出口(或省煤器处)烟气氧量控制值。

二、空气分级燃烧技术

将助燃空气分成多股，使其逐渐与煤粉混合燃烧，这样就可降低见局部区域的空气燃料比，煤在热分解和着火阶段，由于缺氧，因而氮氧化物的生成受到抑制。空气分级可以在燃烧器内实现，也可在锅炉内完成。将完全燃烧所需的85%空气量引入主燃烧器，使主燃烧器区域的燃烧在氧气不足、燃料富集的工况下进行。由于氧气量不足，火焰温度较低，氮氧化物的生成量就较少，燃料氮生成的中间产物(如NCH，NH3等)也会因此而无法氧化成为NOX。同时，已经生成的NOX还可能在还原性气氛中还原成分子氮(N2)，其结果就减少了NOX的排放量。上部设置二层顶部燃尽风(OFA)喷口，通过它将其余的约15%的空气送入炉膛，避开了高温火焰区，还可以使未燃尽的炭粒燃尽，完成整个燃烧过程。

1.实验研究结果(和煤种有关)

在燃烧空气总量不变，而第一级燃烧区内空气系数降低时，NOX生成量明显降低，而且燃料中含氮量越大，NOX生成量也越大。

当一级燃烧区内空气系数小于0.6时，烟气中HCN、NH3浓度增加，这固然有利于NO的还原：但还会有大量的HCN、NH3进入第二级燃烧区(燃尽区)，在该区被氧化生成NO，而且焦炭N也在第一级燃烧区内随过量空气系数减少而增加。另外，第一级燃烧区过低的过量空气系数还会使未完全燃烧损失增加，并引起燃烧稳定性变差等问题。故第一级燃烧区空气系数一般不宜低于0.7，具体控制数值要通过试验确定。

一级燃烧区内的空气系数0.65<α<1时，该区温度升高对no降低似乎有利，而当α>1时温度升高则会使NO值增加。

对该种低挥发分烟煤，在α为0.85时，不同的停留时间会达到不同的NO排放值;当停留时间增加到4s之后，NO降低则不明显。而对试验所刚高挥发分烟煤，α在0.75～0.85之间，停留时间增加到3s之后，NO的降低则不明显。第一燃烧区内停留时间由第二级燃烧区的位置，即燃尽风(OFA)引入位置所决定。当α为0.75时，OFA由距燃烧器l  m引入，在进入燃尽区后NOX值有所增加，说明在第一级区域内停留时间不足，在进入燃尽区还会生成一定量NOX。可见OFA引入位置与α共同决定NOX可降低的程度。

2.直流燃烧器四角切圆燃烧系统中分级燃烧的实现

将部分二次风上移：上海锅炉厂600MW分级燃烧装置：在主风箱上部布置有SOFA(Separated OFA ，分离燃尽风)燃烧器，包括5  层可水平摆动的分离燃尽风(SOFA )喷嘴。采用CCOFA 和SOFA 实现对燃烧区域过量空气系数的多级控制。

3.旋流燃烧器对冲燃烧系统中分级燃烧的实现

旋流式煤粉燃烧器也是一种很常用的燃烧设备，分级燃烧亦可在其上实现，也能取得很好的效果，可以将助燃空气分为一、二、三次风从燃烧器分级喷入，保证较低的NOX排放量。

燃尽风与主燃烧火焰气流混合较难，需要采用特别的技术措施。燃尽风采用优化的双气流结构和布置形式。燃尽风风口包含两股独立的气流：中央部位的气流是非旋转的气流，它直接穿透进入炉膛中心;外圈气流是旋转气流，用于和靠近炉膛水冷壁的上升烟气进行混合。外圈气流的旋流强度和两股气流之间的分离程度由一个简单的调节杆来控制。调节杆的最佳位置在锅炉试运行期间燃烧调整时设定。这样，可通过燃烧调整，使燃尽风沿膛宽度和深度同烟气充分混合，既可保证水冷壁区域呈氧化性特性，防止结渣;同时可保证炉膛中心不缺氧，达到高燃烧效率。

三、烟气再循环燃烧技术

将锅炉尾部烟气抽出，掺混到一次风中，一次风因烟气掺混后其氧浓度降低，同时低温烟气还会使火焰温度降低，也能使氮氧化物的生成受到抑制。但这一方法会引起煤粉燃烧不稳定，甚至灭火。最近有的在燃烧器中采用高温烟气再循环，这样既能抑制氮氧化物的生成，又能提高煤粉燃烧的稳定性。

四、煤粉浓淡分离燃烧技术

将一次风输送的煤粉用离心分离法分为浓度不同的浓、淡粉风流。在着火燃烧的初期，空气燃料比低的浓粉对抑制氮氧化物生成有利。但从整个锅炉燃烧过程来看，煤粉空气混合越均匀，燃烧效果越好，将煤粉浓淡分离就对炉内后期的煤粉与空气混合不利，会使飞灰含碳量增加，效率降低。此外，在煤种不同，负荷不同的条件下，煤粉浓、淡程度难以控制。

五、燃料分级(或再燃)燃烧法

向炉内燃烬区再送入一股燃料流，使煤粉在氧量不足的条件下热分解，所生成的中间产物可将NOX还原为N2，也可在燃烧器出口的热分解区、着火区，使已生成的NOX回流，并与热分解产生的中间产物反应使NOX还原。但这种方法往往会使分级送入燃烬区的煤粉难以燃烬，从而影响燃烧效率。

再燃烧法的特点是，将燃烧分成三个区域：一次燃烧区是氧化性或稍还原性气氛(α≥1);在第二燃烧区，将二次燃料送入还原性气氛(α≤1)，因而生成碳氢化合物基团，这些基团与一次燃烧区内生成的NO反应，最终生成N2，这个区域通常称为再燃烧区。二次燃料称为再燃燃料;最后再送入二次风(α≥)，使燃料完全燃烧，称为燃尽区。

六、低NOX煤粉燃烧器

在燃煤粉锅炉NOX排放量的燃烧控制技术的研究中很重要的一个方面是开发出高效低NOX排放的燃烧器，为此目的国内外开发出各种高效低NOX排放燃烧器，主要有以下几类：

Babcock双调风燃烧器。该燃烧器的特点是，通过控制煤粉与空气的混合，使燃烧从燃烧器的出口开始，将完全燃烧区调长。这种延时燃烧的方法可降低火焰温度峰值来减少NOX排放量。

WR型浓淡偏差燃烧器。直流燃烧器四角布置。切圆燃烧是ABB-GE公司的传统燃烧方式，这种燃烧器因气流在炉膛内形成一个较强烈旋转的整体火焰，对燃烧稳定，强化后期混合，保证燃料完全燃烧十分有利。此外，四角燃烧时，炉内火焰充满情况较好，水冷壁传热均匀，燃烧中心的火焰峰值温度和最大热流密度较低，有利于减少NOX的排放。

三、高效低NOx燃烧优化

一、现代采用分级燃烧的系统

主要是控制分级风的风率、高度(多层布置时);主燃烧区的配风优化。

二、无分级燃烧布置的高效低NOx燃烧优化

通过对锅炉效率和NOx排放特性试验结果的分析，可以得到如下主要结论：

(1)随着入炉氧量的增加，NOx排放量呈明显上升趋势，特别是在氧量较低时增加速度较快。锅炉效率随着氧量的增加而下降，造成锅炉效率下降的主要原因是排烟温度和体积的增加使排烟热损失加大，而未完全燃烧热损失变化不大。

(2)采用缩腰型配风和倒宝塔配风方式最低，均匀配风和鼓形配风次之，正宝塔配风最高。在锅炉效率方面，倒宝塔和正宝塔配风飞灰含碳量较大，机械未完全燃烧热损失较大，正宝塔配风锅炉效率较低，缩腰配风锅炉效率较高。

(3)随着一次风风速的增加NOx排放量有相应的增加，由于一次风率小，对空气在炉内的分配影响小，对NOx生成量的影响较小。

(4)随着负荷的变化，NOx排放量的变化比较复杂，总的来说，随着负荷的降低，NOx排放量是减少的。随着锅炉负荷的增加，虽然采用相同的二次风配风方式，炉内风的分配已经发生了变化，一次风煤粉浓度也发生了变化。锅炉负荷对NOx排放量的影响，需考虑各方面的变化，不能一概而论。随着锅炉负荷的增加，飞灰含碳量下降，氧量下降，锅炉效率稍有上升。在满负荷高时，通过配风的方法减少NOx排放量的效果有限;在负荷低时，配风的变化可以很大，相应的NOx排放量的变化也较大。说明在锅炉负荷较低时通过配风的调整可以在NOx排放量的控制方面取得更大的成效。

(5)制粉系统投停对NOx的排放有明显的影响，当制粉系统投运2套时，NOx排放量明显变小;火焰中心上移，排烟温度上升，排烟损失增加。

(6)上多下少的煤粉分配方式NOx排放较高，均匀配粉和上少下多煤粉分配方式较低;上多下少的配粉方式使煤粉中心上移，火焰中心上移，排烟温度上升，排烟热损失加大，使锅炉效率下降。煤粉分配对NOx排放量和锅炉效率的影响较小。

(7)下二次风和次下二次风的增减对NOx排放量的影响符合一般规律，即风量上移NOx排放量下降，但是中二次风不宜完全关闭，否则燃烧不完全大增，锅炉效率严重下降。

在燃煤粉锅炉切圆燃烧系统中，高效低NOx排放的最佳运行模式是：较低的炉膛氧量(炉膛出口氧量3~4%)和一次风速;二次风采用缩腰配风方式，中二次风保留少量的风量;煤粉分配采用下多上少，相对集中。

三、分级燃烧的利弊：

降低NOX排放，主燃烧区缺氧，还原性气氛，灰熔点下降，容易结渣和腐蚀。容易出现燃烧不完全，飞灰含碳量增加。

应对措施：在靠近水冷壁处形成气幕，防止结渣和腐蚀;用配风的优化来保证燃尽。