低氮燃燒技術研究

周申瑜

摘要：改革開放以來我國經濟每年均保持較高增速，促使我國能源需求居高不下，環境問題日益突出。我國與發達國家相比，現有的煤電機組設備總體技術水平落后，單位發電量煤耗高，能源利用率低，上游煤炭加工率低使得煤炭含硫、含氮量較高，進一步加劇了煤炭燃燒造成的氣體排放及環境污染。雖然現階段社會上涌現出大量新型能源項目，但是由于種種原因還不能全面推廣。燃燒造成的煤煙型污染局面將在一定時期內繼續存在，其的治理工作不可避免的成為政府和燃煤企業的重要課題。

一、國內技術現狀

目前，國內新建的大型電廠燃煤鍋爐的燃燒系統中普遍采用低氮燃燒技術。這些技術大多是隨鍋爐主設備一起引進的，也有一些是屬于借鑒國外先進技術自行設計開發的。經過國內電力生產企業和科研院所的消化吸收，目前低氮燃燒技術大都取得了良好的應用；同時國內的鍋爐生產廠家在低氮燃燒系統設計領域也正逐步由以前的單純模仿向自主設計方向邁進。

為控制燃燒過程中NOx的生成量，采取措施的原則為：

1.降低過量空氣系數和氧氣濃度，使煤粉在缺氧條件下燃燒；

2.降低燃燒溫度，防止產生局部高溫區；

3.縮短煙氣在高溫區的停留時間等。

二、技術方法和機理

（一）空氣分級燃燒工藝機理

燃燒區的氧濃度對各種類型的NOx生成都有很大影響。當過量空氣系數a<1，燃燒區處于“貧氧燃燒”狀態時，對于抑制在該區中NOx的生成量有明顯效果。根據這一原理，把供給燃燒區的空氣量減少到全部燃燒所需用空氣量的70%左右，從而降低了燃燒區的氧濃度，也降低了燃燒區的溫度水平。因此，第一級燃燒區的主要作用就是抑制NOx的生成并將燃燒過程推遲。燃燒所需的其余空氣則通過燃燒器上面的燃盡風噴口送入爐膛與第一級所產生的煙氣混合，完成整個燃燒過程。爐內空氣分級燃燒分為軸向空氣分級燃燒（OFA方式）和徑向空氣分級燃燒。軸向空氣分級將燃燒所需的空氣分兩部分送入爐膛：一部分為主二次風，約占總二次風量的70～85%，另一部分為燃盡風（OFA），約占總二次風量的15～30%。爐內的燃燒分為三個區域，熱解區、貧氧區和富氧區。徑向空氣分級燃燒是在與煙氣流垂直的爐膛截面上組織分級燃燒。它是通過將二次風射流部分偏向爐墻來實現的。空氣分級燃燒存在的問題是二段空氣量過大，會使不完全燃燒損失增大；煤粉爐由于還原性氣氛易結渣、腐蝕。

（二）燃料分級燃燒工藝機理

在主燃燒器形成的初始燃燒區的上方噴入二次燃料，形成富燃料燃燒的再燃區。將80%～85%的燃料送入主燃區，燃料在主燃區燃燒生成NOx；15%～20%的燃料送入再燃區，再燃區過量空氣系數小于1.0（α<1.0），具有很強的還原性氣氛，在主燃區生成的NOx被還原；再燃區不僅能夠還原已經生成的NOx，而且還抑制了新的NOx生成。為了保證再燃區不完全燃燒產物的燃盡，在燃盡區供給一定量的空氣（稱為燃盡風），在再燃區的上面還需布置燃盡風噴口。根據超細煤粉再燃低NOx燃燒技術原理和前期的研究結果，將整個爐膛燃燒區劃分為主燃區、再燃區和燃盡區。各區域出口過量空氣系數目標值為：主燃區出口α=0.9～1.0；再燃區出口α=0.8～0.9；燃盡區出口α=1.167。鍋爐主、再燃區均以鍋爐實際燃用煤為燃料，主燃區燃燒80%～90%的濃煤粉，再燃區噴入10%～20%的超細化煤粉作為再燃燃料。

三、煙氣再循環工藝

該技術是把空氣預熱之前抽取的溫度較低的煙氣與燃燒用的空氣混合，通過燃燒器送入爐內從而降低燃燒溫度和氧的濃度，達到降低NOx生成量的目的。存在的問題是由于受燃燒穩定性的限制，一般再循環煙氣率為15%～20%，投資和運行費較大，占地面積大。

4 低NOx燃燒器

通過特殊設計的燃燒器結構（LNB）及改變通過燃燒器的風煤比例，以達到在燃燒器著火區空氣分級、燃燒分級或煙氣再循環法的效果。在保證煤粉著火燃燒的同時，有效抑制NOx的生成。如燃燒器出口燃料分股：濃淡煤粉燃燒。在煤粉管道上的煤粉濃縮器使一次風分成水平方向上的濃淡兩股氣流，其中一股為煤粉濃度相對高的煤粉氣流，含大部分煤粉；另一股為煤粉濃度相對較低的煤粉氣流，以空氣為主。我國低NOx燃燒技術起步較早，國內新建的300MW及以上火電機組已普遍采用LNBs技術。對現有100～300MW機組也開始進行LNB技術改造。采用LNB技術，只需用低NOx燃燒器替換原來的燃燒器，燃燒系統和爐膛結構不需作任何更改。低氮燃燒技術的脫硝效率僅有25～40%，單靠這種技術已無法滿足日益嚴格的環保法規標準。對我國脫硝而言，煙氣脫硝技術將勢在必行。

五、低氮燃燒技術的特點

（一）低氮燃燒技術的優點

1.工藝簡單、一些技術已經成熟。目前，一些低氮燃燒技術被鍋爐生產廠家采用，大部分鍋爐在生產制造中已設計使用。此外，現有部分火電廠采用低氮燃燒技術對鍋爐進行了改造，以達到煙氣中NOX的排放要求。

2.易于鍋爐改造，配套設施少、不占地。

3.投資較少、性價比好，新建火電機組配置低氮燃燒設施，增加初投資寥寥無幾，在老火電機組改造中只需對鍋爐爐膛進行改造即可應用低氮燃燒技術，投資僅為煙氣脫硝裝置的1/7～1/5；而運行費用幾乎為零。

（二）低氮燃燒技術的局限性：

1.較低溫度、較低氧量的燃燒環境勢必以犧牲燃燒效率為代價，因此，在不提高煤粉細度的情況下，飛灰可燃物含量會增加；

2.由于在燃燒器區域欠氧燃燒，爐膛壁面附近的CO含量增加，具有引起水冷壁管金屬腐蝕的潛在可能性；

3.為了降低燃燒溫度，推遲燃燒過程，在某些情況下，可能導致著火穩定性下降和鍋爐低負荷燃燒穩定性下降；

4.采取的大部分燃燒調整措施均可能使沿爐膛高度的溫度分布趨于平坦，使爐膛吸熱量發生不同程度的偏移，可能會使爐膛出口煙溫偏高。

5.脫硝效率較低（一般為30%-50%左右）。隨著火電廠大氣污染物排放新標準的實施，低氮燃燒技術已無法滿足排放要求。

三、結論

總之，該技術相對簡單，投資、運行費用較低，是經濟、有效的技術措施。所以，從技術成熟性和成本節約性的角度來看，在NOx排放要求不高的情況下，可采用低氮燃燒技術，也可作為其他煙氣脫硝技術的組合技術。