第三节　电厂低NO_x燃烧技术简述

SCR烟气脱硝技术与SNCR烟气脱硝技术都是在锅炉燃烧生成NO_x以后，用氨来还原NO_x。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NO_x的排放量，更有效的方法是改进炉内燃烧状况。

为了控制燃烧过程中NO_x的生成量所采取的措施原则为：①降低过量空气系数和氧气浓度，使煤粉在缺氧条件下燃烧；②降低燃烧温度，防止产生局部高温区；③缩短烟气在高温区的停留时间等。目前，锅炉燃烧技术的改进主要有：低NO_x燃烧器、空气分级燃烧、煤粉再燃和烟气再循环等。

一、空气分级燃烧

燃烧区的氧浓度对各种类型的NO_x生成都有很大影响。当过量空气系数α＜1，燃烧区处于“贫氧燃烧”状态时，抑制NO_x的生成量有明显效果。根据这一原理，把供给燃烧区的空气量减少到全部燃烧所需用空气量的70%左右，从而降低了燃烧区的氧浓度，也降低了燃烧区的温度水平。因此，第一级燃烧区的主要作用就是抑制NO_x的生成并将燃烧过程推迟。燃烧所需的其余空气则通过燃烧器上面的燃尽风喷口送入炉膛与第一级所产生的烟气混合，完成整个燃烧过程。

炉内空气分级燃烧包括：轴向空气分级燃烧（OFA方式）和径向空气分级燃烧。轴向空气分级将燃烧所需的空气分两部分送入炉膛：一部分为主二次风，占总二次风量的70%～85%，另一部分为燃尽风（OFA），占总二次风量的15%～30%。炉内的燃烧分为3个区域，即热解区、贫氧区和富氧区。径向空气分级燃烧是在与烟气流垂直的炉膛截面上组织分级燃烧的。它是通过将二次风射流部分偏向炉墙来实现的。空气分级燃烧存在的问题是二段空气量过大，会使不完全燃烧损失增大；煤粉炉由于还原性气氛而易结渣、腐蚀。

采用分级燃烧的方法有：

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（焦炭）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NO_x的目的。

二、烟气再循环

该技术是把空气预热器前抽取的温度较低的烟气与燃烧用的空气混合，通过燃烧器送入炉内从而降低燃烧温度和氧的浓度，达到降低NO_x生成量的目的。存在的问题是由于受燃烧稳定性的限制，一般再循环烟气率为15%～20%，投资和运行费较大，占地面积大。

三、低NO_x燃烧器

通过特殊设计的燃烧器结构（LNB）及改变通过燃烧器的风煤比例，以达到在燃烧器着火区空气分级、燃烧分级或烟气再循环法的效果。在保证煤粉着火燃烧的同时，有效地抑制NO_x的生成。如浓淡煤粉燃烧方式为：在煤粉管道上的煤粉浓缩器使一次风分成水平方向上的浓淡两股气流，其中一股为煤粉浓度相对较高的煤粉气流，含大部分煤粉；另一股为煤粉浓度相对较低的煤粉气流，以空气为主。低NO_x燃烧器见图3-16。

我国低NO_x燃烧技术起步较早，国内新建的300MW及以上火电机组已普遍采用LNBs技术。对现有100～300MW机组也开始进行LNB技术改造。采用LNB技术，只需用低NO_x燃烧器替换原来的燃烧器，燃烧系统和炉膛结构不需要作任何更改。

国外开发的低NO_x烧煤燃烧器包括：

1.墙置式分级混合烧煤燃烧器

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，剩下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。

某电站0.7万千瓦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NO_x排放量为550mg/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，NO_x排放量为335mg/m³，约减少了40%；当n₁=0.75时，NO_x排放量为270mg/m³，约减少了50%。

2.多股火焰燃烧器

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6.83～3.05m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NO_x排放量为0.2lb/10⁶Btu（150～155mg/m³）。

3.DMB燃烧器

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NO_x排放量为0.45lb/10⁶Btu。

4.SGR煤粉燃烧器

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。

③SGR的煤粉喷嘴出口是渐扩型，用以保证煤粉气流靠近喷嘴出口发生着火，并起着稳定火焰的作用。

④SGR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NO_x排放量是一次燃烧区生成的（NO_x）p和二次燃烧区生成的（NO_x）s的总和。预期锅炉的NO_x排放量为0.2lb/10⁶Btu。

5.HTNR低NO_x烧煤烧器

HTNR燃烧器的火焰能提供使主燃区生成的部分NO_x在火焰中再度被还原的必要条件，从而降低火焰中的NO_x。

6.切向燃煤PM（polution minimun，污染物最少型）燃烧器

切向燃煤PM燃烧器的关键部位是分离器（见图3-17），它由靠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尽风喷口，使PM燃烧器区域处于富燃区，顶部燃尽风喷口处于燃尽区，形成分级燃烧，可使NO_x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NO_x燃烧系统。这种燃烧器的NO_x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，因而称为污染物最少型燃烧器。据报道，PM燃烧器的NO_x值为：烧气为30mg/m³，烧油为80mg/m³，烧煤为150mg/m³。与常规燃烧器相比，PM燃烧器可使NO_x的生成量减少60%。

7.A-PM燃烧器

A-PM燃烧器主要的特征为：用内置式煤粉浓淡分离器，形成煤粉浓淡分布，大宽度燃烧器，分割式燃烧器风箱代替常用的整体式燃烧器风箱，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NO_x。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NO_x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。

8.WR燃烧器

WR型直流燃烧器（见图3-18）利用离心力分离作用，使得弯头处风粉分离，通过隔板保持风粉分离状态，隔板前端波型扩流锥、喷口可摆动。WR型直流燃烧器是为改善燃煤锅炉低负荷着火和稳燃性能而研制开发出来的，同时实现煤粉上下浓淡。

9.DRB系列燃烧器

DRB：双调风燃烧器（dual register burner），美国B＆W公司1972年研制成功，北京巴威公司引进。

衍生产品：

（1）EI-DRB型燃烧器　强化着火双调风燃烧器（enhanced ignition -dual register burner，EI-DRB）。较DRB型减小了一次风动量，其他无区别。

（2）DRB-XCL型燃烧器　双调风燃烧器-轴向控制低NO_x（dual register burner-Axial control low NO_x，DRB-XCL）。较DRB和EI-DRB型，二次风由径向进风改为轴向进风和控制。

（3）DRB-4Z型旋流燃烧器　较DRB-XCL型在一次风和内二次风之间增加了一层直流二次风。

（4）DRB-4ZTM型旋流燃烧器　和上面三种比较增加了总风量可测量和控制功能。

特点：所有型号均无中心大油枪，但在弯头后燃烧器入口处设有锥形扩散器。

DRB系列燃烧器见图3-19。

四、煤粉再燃

（一）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；这个区域通常称为再燃烧区，二次燃料则称为再燃燃料，最后送入二次风，使燃料完全燃烧，因此，称为燃尽区，这就是再燃烧技术的机理。图3-20为再燃过程示意图，图3-21所示为煤粉再燃技术原理。

（二）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NO_x还原的成分是烃（CH_i），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。丙烷和其他燃料相比，能最有效地降低NO_x，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NO_x的效果最差，因为它本身不能产生烃根，是与用天然气、油和煤作为二次燃料时降低NO_x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NO_x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。

（三）三次风煤粉作为再燃燃料的可能性分析

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（见表3-1），易着火，易燃尽，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NO_x的作用，使NO_x进一步下降。当然，使用三次风细粉再燃降低NO_x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α₂＜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NO_x发生反应，最终生成N₂，即可降低NO_x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。

五、立体分级燃烧技术

立体分级燃烧技术属于“风包粉”系列煤粉燃烧技术，其精髓在于把煤粉锅炉炉内垂直空气分级燃烧、水平空气分级燃烧与水平燃料分级有机地结合起来，形成新的低氮燃烧方式。

水平燃料分级通过装设在一次风煤粉管道上的高浓缩比的煤粉分离器使一次风分成水平方向上的浓淡两股气流，浓煤粉气流在向火侧喷入炉膛，在炉膛中心组织富燃料燃烧，有效降低NO_x排放，淡煤粉气流在前者和水冷壁之间喷入，在炉膛水冷壁附近区域组织贫燃料燃烧，形成氧化气氛。侧二次风进一步增强一次风射入炉内深处的能力，增强水冷壁表面的氧化性气氛。中二次风水平偏转，不仅推迟二次风的混入时间，还进一步改善炉膛水冷壁附近的反应条件，提高灰的熔化温度，防止结渣和高温腐蚀。

同时通过立体分级布置，在整个炉膛内形成强还原性的主燃核心区，弱还原或弱氧化性的主燃外环区，以及强氧化性的燃尽区，充分利用燃烧中心区强还原性气氛能够大幅度降低NO_x排放、水冷壁附近的氧化性气氛有利于防止结渣和高温腐蚀，以及水平浓淡风燃烧方式稳燃能力强、燃烧效率高的特点，成功地解决传统燃烧方式实现煤粉的高效、稳燃、防止结渣和高温腐蚀以及低NO_x排放各项要求的技术措施之间的矛盾，实现了优良的锅炉运行性能。

图3-22所示为水平浓淡煤粉燃烧，图3-23所示为炉内垂直分级燃烧。

六、技术特点

（一）多层高位燃尽风技术

①燃尽风喷口布置原则：煤粉颗粒由主燃区至燃尽区需大于最小停留时间；同时考虑现场布置条件，确定距离燃烧器最上层一次风喷口中心距离。

②燃尽风的风量选取：考虑在主燃区挥发分氮和焦炭氮的分配比例，达到NO→N₂最佳的转化效果。

③保证出口风速和炉内混合充分，采用多层、多点布置形式。

（二）多层供风水平浓淡燃烧

1.水平浓淡分离一次风

在一次风喷口之前管道内，采用经过详细研究和优化第三代百叶窗式煤粉浓缩器。煤粉与气流惯性分离，分别形成两股浓、淡煤粉气流。

2.采用多层水平分离配风技术

淡煤粉气流在背火侧喷入炉膛，形成外侧假想切圆。刚性强的位置侧二次风在背火侧投入，将进一步强化淡煤粉形成的氧化性气氛。

水平浓淡燃烧技术的使用范围和性能见表3-2。

（三）新一代高浓缩比、低阻力可调式百叶窗煤粉浓缩技术

水平浓缩燃烧关键技术——第三代百叶窗煤粉浓缩技术，其特点有：

1.参数得到进一步优化

①优异低流动阻力特性，局部阻力系数小于2；

②高煤粉浓缩比，浓缩率可达1.6～2.0以上；

③浓淡喷口出口气流流量分配更为均匀，浓淡风速比1.0～1.2。

2.叶片相互搭配结构得到进一步优化

气固流动特性和出口气流速度分布更为合理，有效减轻对易磨损部位冲刷强度和叶间局部阻力损失。

3.制造工艺进一步简化和成熟

易磨部位均为高硬度耐磨材料，采用特殊熔铸工艺与浓缩本体连接，实现了高耐磨性能同时具有很强抗脉动温度应力能力。

表3-3所列为煤粉浓缩器的性能比较。

（四）水平浓淡保证高效燃烧和防结渣与高温腐蚀

1.垂直浓淡煤粉燃烧

①炉内垂直方向上气流混合明显弱于水平方向混合，会引起燃烧后期焦炭燃尽率差，燃烧效率降低。

②浓一次风煤粉气流直接贴近水冷壁流动，会引起结渣、高温腐蚀。

2.水平浓淡煤粉燃烧

水平方向上气流混合强烈，浓度低的淡煤粉气流贴近壁面流动，使壁面氧化性气氛增加，有利于避免燃烧效率低、结渣和腐蚀问题。

（五）适应宽范围煤种变化，保证锅炉高效安全运行

1.燃烧稳定性好

浓煤粉侧煤粉浓度高达0.8～1.2kg/kg，其着火温度降低，着火诱导时间缩短了，煤粉气流着火热大幅减少，火焰传播速度提高了，使一次风的着火、燃烧稳定性增强，具有良好低负荷稳燃能力。

2.煤种适应性强

煤粉浓度提高，对一些热值低、挥发分低及灰分大的劣质煤能保持强稳燃能力和高燃烧效率。V_daf在5%～50%，Q_net，ar在2700～6000kcal/kg（1kcal=4.2kJ）范围内均可很好燃用。

（六）有效调节蒸汽温度，保证锅炉高效安全运行

①水平浓淡燃烧器具有一次风着火早、火焰稳定性强特点，与燃尽风供入相配合，对于改造锅炉将使炉膛火焰燃烧中心适中。

②在主燃烧器区上部采用多层高位燃尽风喷口，喷口可以水平和垂直方向摆动一定角度，使燃尽风出口气流在炉内形成一定反切角度，起到削旋作用，减少炉膛左右侧出口烟温偏差。图3-24所示为燃尽风垂直摆动对NO_x排放的影响，图3-25所示为燃尽风水平摆动对烟温偏差的影响。

（七）微量油直接点火水平浓淡煤粉燃烧器技术

采取气化小油枪直接点燃浓煤粉气流：

①稳燃性能好，即节约启动用油，又节约低负荷助燃油；

②节约启动燃油60%～90%；

③低NO_x排放，特别是在正常运行时。

（八）二次风水平摆动保证低NO_x排放与安全性同时实现

①获得了二次风偏角对煤粉气流主速度、其衰减和浓度的影响。

②水冷壁表面附近的氧浓度。

③保证NO_x排放、高燃烧效率。

④水平摆动二次风，适应煤质、负荷的变化。