电厂锅炉低NOX燃烧技术的探讨

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电厂锅炉低NOX燃烧技术的探讨
周炜，李戈
（浙江省电力公司，浙江杭州310007）
    摘  要：文章论述了电站燃煤锅炉降低的NOX的燃烧技术，介绍了国际上流行的低燃烧器以及目前正在研究的煤粉再燃降低的NOX燃烧技术，并对三次风煤粉作为再燃燃料的可能性进行探讨。
    关键词：NOX；燃烧；再燃；三次风
0  前言
　　燃煤燃烧过程中排放的NOX气体是危害大，且较难处理的大气污染物，它不仅刺激人的呼吸系统，损害动植物，破坏臭氧层，而且也是引起温室效应、酸雨和光化学反应的主要物质之一。我国是燃煤大国，开展对降低NOX排放的治理具有十分重要的意义。
　　国内外在降低锅炉NOX排放方面进行的工作大致可分为以下3个方面：
    （1）锅炉燃烧技术的改进。
    （2）无催化情况下向炉内喷氨水。
    （3）有催化物的氨水喷射系统。
　　后两类技术都是在锅炉燃烧生成NOX以后，用氨来还原NOX。这不仅增加设备投资和运行维护费用，还可能引起预热器等锅炉尾部受热面的堵塞等。因此，要降低NOX的排放量，更有效的方法是改进炉内燃烧状况。
1  燃烧技术的改进措施
　　目前，锅炉燃烧技术的改进主要有：低NOX燃烧器；分段燃烧技术；炉膛内降低NOX技术和烟气再循环等。有关资料表明，综合考虑NOX值和成本两个方面，使用低NOX燃烧器和炉膛内降低NOX是既经济又最有效方法。炉膛内降低NOX技术包括：
    （1）采用分级混合燃烧，降低氧浓度和燃烧温度以及将燃烧器喷嘴出口燃料分为浓稀两相。在主燃烧器实行低氧，低温燃烧降低NOX生成。在燃烧器顶部设置燃烬风喷嘴（OFA），配以不同的风量，燃尽在主燃烧区低氧条件下产生的未燃气体和碳份。分级燃烧主要使燃烧完全和降低NOX排放为最佳。
    （2）采用分级配风的方法有：
　　1）在配风方式上使煤粉气流与“二次风”气流的混合燃烧分为两个“区域”进行。在一次燃烧区内煤粉是在“缺氧”（一般控制空气系数n＝0．7～0．75）的工况下进行着火燃烧。一次燃烧区中未燃尽的煤粉颗粒（焦碳）与余下的燃烧空气（分级二次风）在二次燃烧区进行混合、燃尽。
　　2）燃烧器主风箱中设置一定数量的富裕喷嘴，当烟气中未燃物上升到排放标准以上时，分别投入运行。
　　（3）控制送入炉膛的燃料和风量分配均匀，通过测量把燃料偏差控制在5％以内，风量偏差在10％以内，达到优化燃烧，降低NOX的目的。
2  国外开发的低NOX烧煤燃烧器
　　（1）墙置式分级混合烧煤燃烧器（西德斯坦因缪勒公司生产）
　　燃烧器为圆形墙置式，前后墙对冲布置的轴向旋流燃烧器，从燃烧器中心管圆形截面流出的是中心二次风。燃烧器烧油时才投入中心二次风，烧煤时其中心二次风挡板几乎处于关闭状态。煤粉一次风气流是由环行截面喷入炉膛。除中心风外，下剩的二次风分成周界风和分级风两部分。周界风的环行喷口处于煤粉喷口的外侧，两者同心。分级风的喷口布置在燃烧器外围，该喷口可以是圆形的也可以是缝隙式。分级风用挡板进行调节。煤粉一次风和周界风在燃烧器出口附近形成一个低于理论空气量运行的一次燃烧区。而分级风以分股射流的方式从一次火焰外部喷入燃尽区，保证了煤粉的完全燃烧。
　　Weihen电站0．7万kW燃煤锅炉改装为分级混合燃烧器后，满负荷运行时，当分级风接近关闭时，测得锅炉的NOX排放量为550 mg／m3，投用分级风后，当控制一次燃烧区的空气系数为n1＝0．9时，NOX排放量为335 mg／m3，约减少了40％；当n1＝0．75时，NOX排放量为270 mg／m3，约减少了50％。
　　（2）多股火焰燃烧器（美国福斯特惠勒（FW）公司生产）
　　该燃烧器采用两层二次风，煤粉一次风气流经环行通道喷出四股射流，每股射流各自形成火焰。此燃烧器一次风的多股喷射和二次风的双层配风方式，能保证在喷口6．83～3．05 m的范围内，燃烧区的空气量维持在60％～70％的理论空气量。预期的锅炉的NOX排放量为0．21 b／106 Btu（150～155mg／m3）。
　　（3）DMB燃烧器（美国能源和环境研究所（EER）生产）
　　具有3个同心的环行喷口中心煤粉一次风喷口和内外层双调风器的二次风喷口。以上3个喷口供给的风量总和为70％的理论空气量。另外，在燃烧器的周围布置了几个空气喷嘴，引入的三次空气量使锅炉炉膛具有20％的空气过剩量，用以保证煤粉颗粒的燃尽。预期的锅炉的NOX排放量为0．451b／106 Btu。
    （4）SGR煤粉燃烧器（日本三菱重工生产）
　　其结构是煤粉一次风喷嘴与辅助二次风喷嘴相间布置，与传统的切向燃烧器相比，SGR煤粉燃烧器在结构上具有如下特点：
　　1）在煤粉喷嘴的上下方各布置一个再循环烟气分隔（SGR）喷嘴，通过SGR喷嘴向炉膛喷入再循环烟气。
    2）由于SGR喷嘴的存在，使煤粉隔仓和辅助
三次风的间距加大。
　　3）SGR的煤粉喷嘴出口是渐扩型，用以保证煤粉气流*近喷嘴出口发生着火，并起着稳定火焰的作用。
　　SGR射流对一、二次风射流的分隔作用，把煤粉的燃烧过程分为两个燃烧区，它的NOX排放量是一次燃烧区生成的（NOX）p和二次燃烧区生成的（NOX）s的总和。预期锅炉的NOX排放量为0．21b／106 Btu（150～155 mg／m3）。
　　（5）HTNR低NOX烧煤烧器（荷兰拔伯葛－日立公司生产）
　　HTNR燃烧器的火焰能提供使主燃区生成的部分NOX在火焰中再度被还原的必要条件，从而降低火焰中的NOX。
　　（6）切向燃煤PM（Polution Minimun）燃烧器（三菱重工研制）
　　三菱重工研制的切向燃煤PM燃烧器，PM燃烧器的关键部位是分离器，它由*近燃烧器的一次风管的一个弯头及两个喷口组成。煤粉气流流过分离器时进行简单的惯性分离，富粉流进入上喷口，贫粉流进入下喷口，实行浓淡分离。此外，如果在PM燃烧器上部设置顶部燃烬风喷口，使PM燃烧器区域处于富燃区，顶部燃烬风喷口处于燃烬区，形成分级燃烧，可使NOX进一步降低。所以，PM燃烧器实际上是集烟气再循环、分级燃烧和浓淡燃烧于一体的低NOX燃烧系统。这种燃烧器的NOX生成量较SGR燃烧器的低，比常用的直流燃烧器煤粉火焰更低，因而称为污梁物最少型燃烧器。　　据报导，PM燃烧器的NOX值为：烧气为30mg／m3，烧油为80 mg／m3，烧煤为150 mg／m3。与常规燃烧器相比，PM燃烧器可使NOX的生成量减少60％。
    （7）A－PM燃烧器（三菱重工研制） A－PM燃烧器主要的特征为：
　　1）用内置式煤粉浓淡分离器，形成煤粉浓淡分布。
    2）大宽度燃烧器。
　　3）分割式燃烧器风箱代替常用的整体式燃烧器风箱。
    4）减少燃烧器喷嘴数。
　　其原理是希望在PM燃烧器基础上进一步降低NOX。在燃烧器着火区，一次风煤粉浓淡分离后，把浓粉气流集中分布在外侧，并增大燃烧器宽度来增加从周围吸收热量，目的是实现低空气比和高温环境；在燃烧器到燃尽区，除了要低的空气比和提高温度，还要求风粉混合良好，并加长停留时间，采取的措施是将燃烧器风箱分割开使炉膛高度方向的空气分割，来实现炉内流动的最佳化，并扩大NOX还原区；燃尽区以后，要求低温、低空气比，而且还得防止产生高飞灰含碳可燃物，因此需特别均匀地降低炉内空气比，使氧气扩散均匀。
3  用煤粉再燃降低NOX的技术
    （1）煤粉再燃燃烧技术机理
　　燃料燃烧过程中，将燃烧分成3个区域：一次燃烧区，为氧化性或稍还原性气氛；在第二燃烧区，为还原性气氛，将二次燃料送入，则生成CH基团，这些基团与一次燃烧区内生成的NO反应，最终生成N2；这个区域通常成为再燃烧区，二次燃料别称为再燃燃料，最后送入二次风，使燃料完全燃烧，因此，成为燃尽区，这就是再燃烧技术的机理。
    （2）再燃燃料的选取
　　根据再燃的原理，再燃区的还原性气氛中最利于NOX还原的成分是烃（CHi），因此，选择二次燃料时应采用能在燃烧时产生大量烃根而又不含氮类的物质。丙烷和其它燃料相比，能最有效地降低NOX，这是因为丙烷能产生大量烃根而没有额外的氮类成分。而在所有燃料中，氢气降低NOX的效果最差，因为它本身不能产生烃根是用天然气、油和煤作为二次燃料时降低NOX浓度效果的比较。显然，天然气是最有效的二次燃料。研究还表明，气态烃燃料还原NOX的能力随着烃分子中碳原子数目的增加而增加，因此，气态烃是最好的二次燃料。
　　再燃燃料作为二次燃料，一般是在还原性气氛中燃烧，对于锅炉炉膛来说，一般都是在炉膛的燃烧区的上部，因此，再燃燃料必须易着火，易燃尽。
    （3）三次风煤粉作为再燃燃料的可能性分析统，改进的成本的运行的安全性都不方便。根据测试发现，三次风煤粉粒度比一次风煤粉粒度明显要小（如表1所示），易着火，易燃烬，比较适合再燃燃料的要求。
    另外，对于锅炉膛内的燃烧工况而言，当三次风投入时，相当于增设了顶部燃烧区，实行分级燃烧，在燃烧器区域形成富燃区，三次风喷嘴附近形成燃尽区，使排放量降低，此外，含粉三次风还可起到还原已生成NOX的作用，使NOX进一步下降。当然，使用三次风细粉再燃降低NOX的方法也会出现一定的问题，如磨煤乏气中煤粉燃烧火焰长度不足，飞灰可燃物含量增加，火焰中心上移，引起出口结渣，过热器超温等不良现象。
    但是通过改造三次风将其作为再燃燃料送入炉膛，实行再燃烧技术还是值得研究的。由于三次风含粉量较少(占总粉量的10%-15%)，为满足再燃区过量空气系数a2<1的要求，必须对三次风进行浓缩。只要浓缩后的三次风喷入炉膛后，形成富燃料的二次燃烧区(即再燃区)，就可生成大量CH基团，这些基团与主燃烧区生成的NOX发生反应，最终生成N2，即可降低NOX的排放量。这就是说，将原有的燃烧方式改造成再燃燃烧方式。这对我国大量的中间储仓式热风送粉锅炉是值得考虑的。
参考文献:
[1] 曾汉才。燃烧与污染[M]。武汉:华中理工大学出版社，1992.
[2] 刘亮，等。热风送粉系统的低燃烧技术的改进[J。长沙电力学院学报，1997，12(1):86-89.
[3] 钟北京，傅维标．气体燃料再燃对NOX还原的影响［J］．热能动力工程，1999，1（14）．
  四角切圆燃烧控制NOx排放
［摘要］1本文介绍燃料燃烧过程中NOx产生的机理和危害，我国电站锅炉还未有Nox排放标准．四角切圆燃烧锅炉有利于降低NOx生成和控制NOx排放，适合我国国情，电站锅炉采用低NOx燃烧是一投入少，见效快的发展道路。
    关键词：四角切圆燃烧降低NOx生成 控制NOx排放
0前言
    当今世界对电站锅炉产生的有害排放物作为一个重要控制指标，世界发达国家均已制定了电站锅炉NOx排放标准，美国已建电站锅炉NOx排放规定：
    气体燃料：    86g／GJ
    油：          129g／GJ
    煤：切圆燃烧  193g／GJ
    墙式燃烧  215 g／GJ
    新建电站锅炉NOx排放在某些地区必须达到50g／GJ。对达不到标准的要受到严厉的处罚，直至关闭。
    我国现在还没有电站锅炉NOx排放标准和连续测量NOx排放的装置。现按引进技术制造设置顶部风(即OFA)的1025t／h控制循环锅炉在性能考核期内，NOx排放值：吴径热电厂为152g／GJ，石横发电厂为225g/GJ，其他较多锅炉还未得到控制。
    氮氧化物主要以NO、N02、N2O、N203、N204、N205等形式出现，统称为NOx。在空气中，NO浓度越大，毒性越强，N02的毒性更大。它很易与人体和动物血液中的血色素混合夺取氧分，使血液缺氧，引起中枢神经麻痹症，N02还强烈刺激呼吸器管粘膜，引起肺部疾病。还对入体的心、肝、肾脏及造血组织有损害，严重时会导致死亡。
    NO和N02会破坏同温层中的臭氧层，使其失去对紫外光辐射的屏蔽作用，危害地面生物。大气中有NOx与Sox、粉尘共存，生成硫酸或硫酸盐溶液和硝酸或硝酸盐溶液，形成酸雨。
    由于NOx对人类和自然界存在危害，必须控制NOx的生成和排放。我国也应参照先进国家的经验，尽早制定出符合国情的火电站锅炉NOx排放标准。
1 NOx的生成及控制
    NOx大多在各种燃料的燃烧过程中产生的，其中NO约占NOx总量的90％-95％，在大气中会迅速氧化成毒性更大的NO2
燃料燃烧中生成的NOx有“热力型”和“燃料型”两种：
“热力型NOx”----由空气中的氮气在高温下与氧化合而成。
“燃料型NOx”——由燃料中的化学氮在挥发分析出中成离子状态与高浓度氧化合而成。
“热力型NOx”产生的主要条件是高的燃烧温度使氮分子游离增本化学活性，其次是高的氧浓度，要减少“热力型NOx”的生成，可采取以下措施：
    (1)减少燃烧最高温度区域范围。
    (2)降低锅炉燃烧的峰值温度。
    (3)降低燃烧的过量空气系数和局部氧浓度。
    “燃料型NOx”是燃料内含氮在燃烧过程中成离子析出与含氧物质反应形成NOx，或与含氮物质反应又成氮分子。燃料中氮并非全部转变为NOx，它存在一个转换率，可采取以下措施降低此转换率，控制NOx排放总量。
    (1)减少燃烧的过量空气系数；
    (2)控制燃料与空气的前期混合；
    (3)提高入炉的局部燃料浓度。
    热力型和燃料型NOx在燃烧时会同时存在，当燃用挥发分较高的煤时，燃料型NOx含量较多，排烟中NOx的含量多少还与燃烧方式有关，四角切圆燃烧能控制较低的NOx排放。
2四角切圆低NOx燃烧的措施
    不同的燃烧方式，产生的NOx量不同，从美国的电站锅炉NOx排放标准得知，四角切圆燃烧产生的NOx较其他燃烧方式低，因此是一种先天性降低NOx生成的有效措施。
    我国现有大多电站锅炉为四角切圆燃烧方式。这种燃烧器性能设计是按设计导则进行，根据煤种布置一、二次风喷嘴，一般成间隔布置如图1所示。它的横截面尺寸与水冷壁间的关系如图2所示。图中尺寸系按煤种、燃料量、空气量等参数确定。
    燃烧过程中，控制NOx生成量的主要方法是采取分级燃烧，降低氧浓度和燃烧温度以及将燃烧器喷嘴出口燃料分为浓稀两相。在主燃烧区实行低氧、低温燃烧降低NOx生成。在燃烧器顶部设置燃烬风喷嘴(OFA)，
配以不同风量，燃烬在主燃烧区低氧条件下产生的未燃气体和炭分。为适应不同燃烧工况需要，将OFA又分为三种型式。
    与主燃烧器一体的CCOFA；与主燃烧器分开的低S0FA和高SOFA，如图3所示。对燃油锅炉，可采用低过量空气系数和CCOFA，及较低的二次风温度。
    对燃煤锅炉，按煤种分类，取用试验得出的OFA配风率和NOx生成量间的关系，配以合适的OFA风量，使NOx排放达到保证
    OFA的风率分配如表1所示。沿炉膛高度送入的位置如图5所示的分级燃烧系统。
0F、A设置型式     1A  1B  2A  2B  2C  3A  3B  3C
FA占空气量％
  CCOFA
低一SOFA％
高一SOFA％     12  20  25  30  35  37  42  47
12  20  7    7    7  7    7  7
—  —  18  23  28  15  17.5  20
—  —  —  —  —  15  17.5  20
分级燃烧，主要是使燃烧完全和降低NOx排放两者最佳，NOx排放和飞灰含碳量与氧当量比的关系见图6。为更好提高燃烧效率，还可从以下几方面着手：
（1）      煤粉细度，如将中速磨煤机出口改为旋转分离器，使通过200目筛的煤粉从75％提高到85％-90％。
(2)    燃烧器主风箱中设置一定数量的富裕喷嘴，当烟气中末燃物上升到排放标准以上时，分别投入运行，使未燃物和NOx值均控制在保证值以内。
(3)  SOFA喷嘴的角度可作水平+15。调节(YAW)，如图7所示。以加强燃烧后期与空气的混合，降低末燃烬损失和在炉膛出口处产生反切抵消主燃烧区的旋转动量来减小残余旋转。
    应用煤粉中挥发份析出燃烧，燃料中氮化合成NOx的特性，用PM燃烧器提高出口煤粉浓度使燃料型NOx下降，如图8所示。从常规燃烧时的(NOx)Co点降至(NOx)PM点。
    另外采用分级燃烧降低NOx排放量和末燃烬损失时，必须配以精确的测量控制装置，使送入炉膛的燃料和风量分配均匀，使燃料偏差在5％；风量偏差在10％以内。
    四角切圆燃烧采用OFA和浓谈分离技术及相关措施。可达到如下效果：
  CCOFA降低NOx量％CCOFA×3／M
  SOFA  降低NOx量％SOFA×4.8／M
  氧量  降低NOx量％O2×20／M
  3烟气脱硝处理方法
  燃烧生成的NOx可在炉内进行烟气脱硝处理，有两种主要方式，即非催化还原(3NCR)工艺和选择催化还原工艺(SCR)，两种方式均为在烟气中喷入NH3与烟气中的NOx化合生成N2和H20。
  非催化还原工艺(SNCR)是不添加催化剂，在烟气温度约850一1050℃处开一窗口，将NH83或CO(NH2) 2均匀喷入炉内，如图9所示。在不添加催化剂较理想的NOx还原温度为800-900℃。当烟温在1050-1200℃时，氨会氧化成NO，且NOx的还原速度很快下降，当烟温低于800℃时，反应速度很慢。这种方式受锅炉负荷等影响，脱硝率低，约为30一50％，NH3用量大。
    选择催化还原工艺(SCR)是在较低温烟气中NOx与喷入的NH3在催化剂作用下产生还原，根据催化剂的不同种类，反应温度在250-420℃之间，SCR装置主要由催化剂，供氨部分(存贮和喷射)，反应风道等组成如图10所示，其最高脱硝率可达90%以上，反应后烟气中NH3含量必须小于百分之5，SCR工艺初投资大，运行成本高，更换催化剂资金大，这种工艺NOx排放可控制在25-50g／GJ以内。
4降低NOx排放的经济性与效果
    控制火电站NOx排放现有两种基本方法，一为低NOx燃烧，二为炉内外还原处理。
    低NOx燃烧由前所述其系统包括磨煤机、风道、燃烧设备，NOx排放值可控制在百万分之200以下。投资约10-35USD／kW，运行、维护费小。
    非催化还原工艺(SNCR)，脱硝率在30-50％，投资约为10-30HSD／kW，运行费用较高。
    选择催化还原工艺(SCR)，具有高的脱硝率，NOx排放最低可控制在百万分之50左右，投资约75-130USD／kW，运行、维修费用很高。
    为了提高经济性，又能得到低的NOx排放，国外通常采取低NOx燃烧与炉内脱硝相结合。如一台500MW锅炉图11所示，采用低NOx燃烧和SNCR把NOx排放控制在百万分之200，然后应用SCR，脱硝率50-60％，使锅炉最后烟气中NOx含量减少到百万分之80-100达到严格的NOx排放标准要求。之后的运行维修费用有所降低，系统投资约为40-50USD／kW，此系统投资比安装全套炉外脱硝装置降低30-50％。
5结束语
  为了控制NOx排放，我国应尽早立法，处理好发展和环境保护的关系。
    我国现有电站锅炉多数为四角切圆燃烧，对降低NOx生成较有利，也适合我国现状，再加适当措施，可达到控制NOx排放的目的。
    现应创造条件对重要地区新建的300MW以上机组，采用低NOx燃烧和炉内外脱硝相结合，控制NOx排放的示范，取得适合国情的经验，再逐步推广。