國內外低NOx旋流燃燒器研究進展

殷慶棟，魏穎莉，魏 剛，劉文獻

(1.河北省電力研究院，河北石家莊 050021;2.河北省電力公司，河北石家莊 050021)

國內外低NOx旋流燃燒器研究進展

殷慶棟1，魏穎莉2，魏 剛1，劉文獻1

(1.河北省電力研究院，河北石家莊 050021;2.河北省電力公司，河北石家莊 050021)

針對日益嚴格的NOx排放標準，對國內外典型的低NOx旋流燃燒器的研究進展做了總體回顧，并詳細介紹了先進的低NOx燃燒器的技術特點和應用狀況，總結得出了低NOx旋流燃燒器的影響因素。

低NOx燃燒器;旋流;適應性;風煤比例

0 引言

NOx是大氣中的主要污染物，它是刺激人的呼吸系統，損害動植物，并且引起酸雨、光化學煙霧、溫室效應和破壞臭氧層的主要物質之一。有關資料表明，電站鍋爐的NOx排放量占各種燃燒裝置NOx的排放量總和的一半以上，而且80%左右是由煤粉鍋爐排放的［1］。

1 降低NOx排放的現狀

目前，降低燃燒過程中的NOx排放有兩類方法:一是燃燒控制技術。采用各種措施抑制或者還原爐內燃燒過程中產生的 NOx，如燃燒優化、低NOx燃燒器、空氣分級等;二是煙氣后處理技術。在燃燒后將已形成的NOx還原成N2，如選擇性催化還原、非選擇性催化還原等。在各種降低NOx排放的技術中，低NOx燃燒器技術應用較廣、相對簡單、經濟并且有效。近年來，世界各國的大鍋爐公司，為使其鍋爐產品滿足日益嚴格的NOx排放標準，分別開發了不同類型的低NOx燃燒器，低NOx燃燒器迎來了一個新的發展時期。

低NOx燃燒器的基本原理是:通過特殊設計的燃燒器結構以及通過改變燃燒器的風煤比例，在穩定燃燒的基礎上，盡可能地降低著火氧濃度，適當降低著火區溫度，達到最大限度地抑制NOx生成。

2 低NOx旋流燃燒器介紹

2.1 北美地區

2.1.1 DRB 燃燒器［3－4］

美國B＆W公司研制了雙調風DRB煤粉燃燒器。一次風管外有可調的內二次風和外二次風管，風管中設有軸向可動葉片，用于改變內、外二次風的比例和旋流強度，以調節一、二次風的混合。雙調風燃燒器主要通過控制煤粉與空氣的混合，延遲燃燒過程，降低燃燒強度和火焰最高溫度來降低NOx的生成量。當它燃用煙煤時，一次風量約為20%，內二次風量約為20% ～25%，其余空氣為外二次風，并以較高的旋流強度送入爐膛，一方面保證燃料燃盡;另一方面在火焰周圍形成氧化性氣氛，對防止結渣和高溫腐蝕十分有利。運行實踐表明，采用DRB燃燒器進行空氣分級燃燒后，距噴口1.2m處的火焰溫度由1600℃降至1400℃，NOx排放濃度可降低39%。

2.1.2 PAX 燃燒器［5－6］

PAX型燃燒器是加拿大B＆W公司在雙調風旋流燃燒器的基礎上，增設了PAX裝置(一次風置換裝置)，與直吹式制粉系統配套使用;當一次風粉氣流通過燃燒器入口彎頭時，由于離心力的作用，被分為兩股，彎頭內側為淡風粉氣流，將其作為三次風在燃燒器周圍另開的三次風口噴入爐膛;彎頭外側為濃風粉氣流，進入燃燒器與從二次風箱引入的溫度為310℃～371℃的一部分熱風相混合后作為一次風噴入爐膛，在一次風噴口處裝有多層盤式穩焰器;二次風通過軸向葉片形成旋轉氣流進入爐內。采取高濃度煤粉燃燒技術對燃燒低揮發分鍋爐降低NOx強化穩燃的重要性。

2.1.3 XCL 燃燒器［5，7］

為了方便鍋爐改型，Babcock－Wilcox公司開發了XCL型燃燒器。XCL型燃燒器采用套閥調節內、外氣流區，在內、外氣流區采用可調節旋流度。其NOx排放比雙調風燃燒器約低25%。XCL燃燒器最重要的優點是它可以通過選用合適的葉輪使火焰形狀適應爐型，對深度有限的爐窯(如單置墻式爐)，可使火焰長度減短。

2.2 德國

2.2.1 SM 燃燒器［3］

SM燃燒器的特點是一次風和煤粉不旋轉，二次風通過軸向葉片形成旋流。一、二次風量占燃燒所需總空氣量的80% ～90%，在燃燒器噴口處形成富燃料區，其余空氣從燃燒器噴口周邊一定距離處對稱布置的四個二級空氣噴口以直流的形式送入爐膛，此二級燃燒空氣的作用類似于爐膛空氣分級燃燒的OFA，當燃燒劣質煤和無煙煤時，它的NOx排放量比一般燃燒器低22%～32%。

2.2.2 DS 型燃燒器［4－5，8］

在DRB型的基礎上，Babcock公司開發了第二、三代產品:WS型和DS型燃燒器。它充分考慮了減少NOx生成及可能出現的問題。結構特點為:中心風速減緩，保證回流區的穩定;增大一次風射流的周界長度和一次風粉氣流同高溫煙氣的接觸面積，提高了煤粉的著火穩定性;在一次風道內安裝了旋流導向葉片，使一次風產生旋流，并將噴嘴端部設計成外擴型;煤粉噴嘴出口加裝了環形齒穩燃器;在外二次風的通道中則采用各自的擴張形噴口，以使內、外二次風不會提前混合;內外二次風道為切向進風渦殼式結構，保證燃燒器出口斷面空氣分布均勻，增加了優化燃燒所具備的旋流強度。DS型燃燒器主要由點火油槍、紫外火焰監測器、一次風風道、中心管、內二次風風道、外二次風風道、紅外火焰監測器組成、旋流葉片、火焰穩定器。DS型低NOx燃燒器可實現NOx低于450mg/m3的排放標準。它既可用于前后墻對沖燃燒方式，也可用于切圓燃燒方式，對于燃用優質煤和劣質煤均適用。

2.3 日本

2.3.1 IHI－FW 臥式分離器旋流燃燒器［3］

這種燃燒器的突出特點是加裝臥式旋風分離器。從磨煤機來的一次風粉流先導入旋風分離器，分離器的導流板可處于高、低負荷的位置。燃用劣質煤或低負荷燃燒時，導流板置于低負荷位置，被分離出的高濃度風粉流被送入燃燒器中心的低負荷噴嘴(高濃度噴嘴)，在出口著火區形成高濃度燃燒。被分離出的低濃度風粉流從另一低濃度風粉管由高濃度噴口周圍的低濃度噴口進入爐膛，與高濃度火焰形成濃淡燃燒。燃用優質煤或高負荷燃燒時，導流板置于高負荷位置，一次風粉流可不經分離器直接進入低濃度噴嘴進行正常燃燒。這種臥式分離器的作用相當于濃縮器。這種燃燒器具有優良的降低NOx的能力和低負荷穩燃性能。

2.3.2 HT －NR 型燃燒器

在雙調風燃燒器的基礎上，日本Babcock－Hitachi推出了HT－NR型燃燒器，HT－NR燃燒器的原理即火焰內高溫還原NOx。燃燒區域分為A、B、C、D四個區，A為脫揮發分區，B為烴根產生區，C為NOx還原區，D為氧化區。燃料在A區低空燃比條件下釋放出揮發分，產生大量的NOx;在下游B區形成烴根生成區;在C區快速形成的烴根使NOx還原為N2;在D區實現充分燃燒。與雙調風燃燒器不同的是，它在噴嘴出口處裝有陶瓷火焰穩定環，從而在噴口附近形成回流區，使煤粉離開燃料噴嘴后迅速著火，加速了脫揮發分期間的燃燒速率。HTNR燃燒器的NOx排放水平比雙調風燃燒器的還要低30%～50%。

2.4 中國

我國的低NOx燃燒器研究起步較晚，近年來隨著國家的重視，哈爾濱工業大學、華中科技大學以及西安熱工院等單位開發出了一系列低NOx燃燒器，取得了一些成果。哈爾濱工業大學開發了徑向濃淡旋流煤粉燃燒器，由直流二次風通道、旋流器、旋流二次風通道、一次風通道、中心管、點火裝置、直流二次風檔板、煤粉濃縮器、淡一次風風道、濃一次風風道組成［9］。原理是在一次風通道中加入煤粉濃縮器，使一次風粉混合物分成濃淡兩相。同時，二次風也分成了兩部分:一部分經過旋流二次風通道以旋流的形式進入爐膛;另一部分經過直流二次風通道以直流的形式進入，改變直流二次風擋板的開度，可以調節二次風旋流強度。旋流器為軸向彎曲葉片。NOx排放濃度為600mg/m3，鍋爐最低穩燃負荷可達50%。

西安熱工院開發了DSB低氮型燃燒器，主要特點是在燃燒器內部實現一次風稀相向二次風擴散，從而使得一次風速可調，極大地提高了燃燒穩定性和煤種適應性。將其應用于華能南京電廠1號爐改造，OFA配合，鍋爐NOx排放量從1300mg/m3降低到平均700mg/m3，降低率46%。

3 低NOx旋流燃燒器的影響因素

旋流煤粉燃燒器一般都是圓形布置，從中心向外依次是中心風、含煤粉的一次風、二次風。通過二次風旋流與中心處穩燃錐的共同作用，在燃燒器出口形成一個高溫煙氣的回流區，而煤粉則往往是利用一次風道中的煤粉濃縮器形成煤粉的內濃外淡，從而在二次風的旋流作用下，煤粉由中心向回流區邊緣移動，有利于濃煤粉首先著火，引燃淡煤粉。隨著旋流強度增大，煙氣回流區加大，又增加了橫向湍流混合，有利于煤粉著火，故煤粉燃盡率提高。回流區是影響旋流燃燒器的最重要因素，回流區受一、二次風等很多方面的影響。加大回流區，加強紊流效果，是評價燃燒器的重要準則，主要有以下幾點:

(1)中心風氣流的大小對回流區影響很大，中心風太大，回流區就會大大減小，為了適應我國電站鍋爐普遍動力用煤(劣質煤)的需要，就需要減小中心風風速，以加大回流區，從而提高回流高溫煙氣量，使劣質煤盡早接觸高溫煙氣而著火。

(2)內二次風對回流區影響次之，內二次風太大也會使回流區減小，但內二次風太小就會降低空氣供給量，影響煤粉的穩定燃燒。因此，內二次風風速要選定一個合適的范圍，即能滿足穩燃的需要，保證回流區穩定;又不至于大大增加NOx的排放量。朱艷濤等人在進行LN－B低NOx旋流燃燒器冷態試驗時發現:內二次風速度為0和5m/s時，回流區的平均風速為 －2.8m/s和 －0.8m/s，由此可見內二次風速度對回流區有重要影響，減小內二次速率有利于回流區的形成。

(3)外二次風對回流區影響較小，因此，外二次風速可以調節的范圍比較大，但是，在不同拉桿開度下，二次風衰減很快，對于劣質煤后期燃燒影響較大，它不能補充后期煤粉燃燒所需要的空氣，這樣會造成不完全燃燒損失增加，影響電廠經濟運行。

4 結語

低NOx旋流燃燒器具有初投資少、基本不需增加運行費用的優點，而且還具有著火快、燃燒穩定性好和燃盡率高的優點，較為符合我國的國情，是降低我國電站鍋爐NOx排放量的有效手段。

［1］方立軍，高正陽，殷立寶.等.無煙煤與貧煤的混煤NOx排放特性實驗研究［J］.鍋爐技術，2001，32(9):11 －14.

［2］曾漢才.大型鍋爐高效低NOx燃燒技術的研究［J］.鍋爐制造，2001，3(1):1 －11.

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［5］毛鍵雄，毛鍵全.煤的清潔燃燒［M］.北京:科學出版社，1998.

［6］金振齊.濃淡型煤粉燃燒器述評［J］.能源研究與利用，2001，(2):9－12.

［7］鐘 秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術及工程實例［M］.北京:化學工業出版社，2002.

［8］王軍，李如翔.低NOx燃燒器的新發展及在我國的應用前景［J］.華北電力技術，1995，(3):59 －62.

［9］孫 銳，李爭起，孫紹增，等.徑向濃淡旋流煤粉燃燒器直流一次風對流場及NOx排放的影響［J］.環境科學學報，1999，19(4):368－373.

Research development of typical low NOxSwirl Burners

The NOxemission standard is increasingly strict in recent years.The research development of typical low NOxswirl burners all of the wolrd are analyzed，detailed introductions are made on the technical features and application status of low NOxburners.Factors to low NOxswirl burners are also summarized.

low NOxburner;swirl;adaptability;the ratio of coal－air

X701.7

B

1674－8069(2012)03－024－03

2012-01-25;

2012-05-07

殷慶棟(1984-)，男，山東聊城人，碩士，工程師，主要從事電站鍋爐新技術研究工作。E－mail:hbdyyyqd@163.com