淺談ROFA與傳統低氮分級燃燒系統之比較

葉繼蘇

【摘 要】本文通過目前國內外幾種低氮分級燃燒系統的介紹，分析比較了ROFA與OFA、SOFA在取風方式，噴口安裝高度，抽取風量及噴射速度的區別及造成對鍋爐穩定燃燒、氮氧化物排放、SNCR、SCR等的影響。分析比較得出，ROFA技術在煤粉鍋爐低氮分級燃燒系統中的引入，不僅對鍋爐的穩定燃燒，消除燃燒過程中產生的安全隱患大有好處，而且還是只需通過物理手段就能夠控制爐內氮氧化物初始濃度排放的解決方案，為國內外燃燒工程公司、研究院所、工程公司、鍋爐制造廠商提供了借鑒。

【關鍵詞】低氮；分級燃燒；ROFA；OFA；SOFA

中圖分類號： X781.5 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0001-002

【Abstract】In this paper，we introduce the introduction of several low-nitrogen staged combustion systems at home and abroad，and analyze and compare the difference between ROFA and OFA，SOFA in the way of taking the wind，the installation height of the nozzle，the extraction air volume and the jet speed，Oxide emissions，SNCR，SCR and other effects. The analysis and comparison shows that the introduction of ROFA technology in the low-nitrogen staged combustion system of pulverized coal boilers is not only beneficial to the stable combustion of the boiler but also to eliminate the potential safety hazard in the combustion process，and it is also possible to control the furnace by physical means The solution for the initial concentration of nitrogen oxides in the discharge is provided for the reference of domestic and foreign combustion engineering companies，research institutes，engineering companies and boiler manufacturers.

【Key words】Low nitrogen；Staged combustion；ROFA；OFA；SOFA

0 前言

目前，無論是電站鍋爐還是工業鍋爐大部分都是以燃煤鍋爐為主，而煤在燃燒過程中，會不斷釋放出氮氧化物等污染源，對大氣造成污染。隨著國家對節能環保要求的日益嚴格，人們對生命健康的重視，抑制NOx等污染源排放已成為當今國內相關研究機構、大專院校、節能環保公司、設備制造廠商等單位研究的新型課題。為了對氮氧化物的排放控制到一定水平，采取的處理措施也多種多樣，如煤質中含氮量的控制，燃燒器的低氮改造，SNCR，SCR，煙氣再循環，空氣分級燃燒（ROFA，OFA，SOFA）等。而目前大部分鍋爐以分級燃燒來改善初始氮氧化物排放，再結合后續的化學手段將最終排放控制在國家和地方排放標準。本文主要通過筆者多年研究及實踐出發，簡要談談ROFA與傳統低氮分級燃燒系統的區別及對燃燒和后續脫硝的影響。

1 ROFA與OFA，SOFA介紹

隨著國家和地方對環保要求的日益嚴格，國內相關單位都在研究設計新的低氮分級燃燒技術，在燃燒前期利用非添加化學反應劑的方法，通過物理手段在爐內來降低氮氧化物的初始排放，降低后續的脫硝成本。為達到較好的效果，目前主流的低氮分級燃燒方式主要是通過ROFA，OFA和SOFA三種分級燃燒技術來降低NOx的原始排放，為后續SNCR和SCR減輕負擔。

ROFA是上海衛源節能環保科技有限公司（摩博泰科公司）自主研發并擁有其專利的一種空氣分級燃燒技術，該技術已經成功運用到國內外上百套火力發電廠、石化、冶金等行業電站鍋爐和工業鍋爐上，并取得良好的脫硝效果和客戶的一致好評。ROFA系統是國際上比較先進的煤粉鍋爐爐內分級燃燒技術，該系統風源主要取自空預器出口二次風母管，其風量占鍋爐總風量的20～30%，ROFA風利用高壓離心風機升壓后產生的高動能再通過高于主燃燒器一定距離的非對稱布置的ROFA集成噴射箱高速送入爐膛進行，實現爐膛整體分級燃燒。采用該方法可以降低NOx的排放值為50～60%。

OFA是美國上世紀50～60年代開發的低氮分級燃燒技術，它是將空氣分兩個階段燃燒。第一階段將供主燃燒器的空氣量減少到理論空氣量的80%左右，抑制NOx的生成量。第二階段將剩余的20%的空氣通過主燃燒器上方的噴口（OFA噴口）送入爐膛，完成全部燃燒過程。采用該方法可以降低NOx的排放15～30%。

SOFA是由OFA派生出來的一種分級燃燒技術，現在好多公司或研究機構在OFA基礎上不斷改進發展，經過多年的實踐，并配置不同形式的低氮燃燒器，在爐內抑制NOx的排放比OFA有所進步，一般達到30～40%。

2 ROFA與OFA，SOFA等的比較分析

2.1 取風方式

ROFA風主要從空預器出口二次風母管引出，然后利用高壓離心風機將二次熱風通過安裝在鍋爐上的非對稱布置的空氣噴嘴將高速射流風噴入爐膛。由于取風口遠離燃燒區主風箱，所以壓力不會造成太大的波動，對風箱風壓影響較小，因此對主燃燒器區域的風源不會造成太大的波動，爐內的物料場，溫度場，空氣動力場相對比較平穩。而OFA和SOFA風直接從二次風箱引出，由于就近風量的抽走，對風箱內的壓力波動比較大，從而導致燃燒器二次風噴口壓力波動，燃燒不穩定。endprint

2.2 噴口高度

OFA風噴口一般緊挨燃燒器最上層噴口布置；SOFA風噴口比OFA略高，一般距離燃燒器一次風噴口3米左右；而ROFA風噴口一般距離燃燒器最上層一次風噴口5～6米左右；根據低氮燃燒分級原理，送風位置越高，還原深度越好，分級燃燒效果越好，脫氮效果更明顯。

2.3 抽取風量

OFA系統抽取風量一般為鍋爐總風量的5～10%；SOFA系統抽取風量一般為鍋爐總風量的15～20%；而ROFA系統抽取風量一般為鍋爐總風量的20～30%；燃燒區參與燃燒的空氣量越少，還原性氣氛就越濃烈，抑制NOx的產生。

2.4 噴射速度

燃料和空氣的混合，溫度的均布，動力場的穩定在低氮分級燃燒系統中取決于外界輸送的初始動能。OFA和SOFA風直接來自二次風箱，壓力取決于風箱壓力，噴射速度小，動能小，對爐膛內的物料空氣混合作用小，難免出現燃料或空氣高濃度局部聚集區及局部高溫區，對鍋爐的穩定燃燒，燃燒器和鍋爐受熱面結焦及NOx的抑制都有不利影響。而ROFA風來自于空預器出口母管，并通過高壓離心風機二次增壓，噴射壓力高，動能大，射流速度大，對爐膛形成的渦流擾動大，使燃料和空氣快速均勻混合，加速了物料、煙氣、空氣與鍋爐受熱面的傳熱，提高了換熱效果，抑制了爐膛高溫，減少了NOx的生成。

從以上分析得知，ROFA風的抽取位置由于遠離主燃區風源，不會對主燃區的送風壓力產生波動，從而不破壞原有的空氣動力場平衡；而分級風量和噴射位置的提高又加強了燃燒區的還原性氣氛，抑制了NOx的生成；高速的射流在爐膛內帶來的旋轉渦流又使爐膛內的物料場和溫度場趨于平衡，從而帶來燃料在燃燒區的穩定燃燒和燃盡，結焦和腐蝕的降低，與鍋爐受熱面換熱效果的提高等。

3 ROFA抽取風量后對鍋爐燃燒的影響

一般情況下，主燃燒區風量的減少對鍋爐燃燒的影響，主要體現在結焦加劇、底渣和飛灰含碳量增加及鍋爐負荷下降的影響，這些都是業主方比較關心的問題。這些不僅涉及到鍋爐安全運行，同時這些因素的變化也是鍋爐運行人員考核的指標。因此，ROFA技術方案的介入，必然會帶給電廠相關人員一些猜忌和心里負擔。為了消除顧慮，項目立項前就必須幫他們分析講解此技術為何不會帶來燃燒方面的負面影響，從而有利于該技術最終被他們接納及最終實施。下面根據筆者多年研究及實踐經驗，主要以國內做過低氮分級燃燒和未做過低氮分級燃燒的鍋爐為例，分析利用ROFA技術不會帶來這些不利影響的真正原因。

3.1 針對未做過低氮分級燃燒改造過的鍋爐

1）由于一般鍋爐設計時，實際燃燒一定量的燃料所需要的空氣量一般比理論值要多，即留有一定的空氣過量系數，同時由于燃燒器在設計時均會綜合考慮鍋爐負荷及風量范圍，來保證燃燒器穩定燃燒及燃料燃盡；ROFA抽取一定風量后，為了保證燃燒區原有的空氣動力場平衡，會對二次風噴口稍做調整，維持原來的射流速度，因此，即使ROFA將一部分風從主燃區抽走，由于輸入的燃燒空氣量本來就存在一定余量和燃燒器對風量本來就有一個適用范圍及燃燒區動力場的及時調整，不會加劇主燃區結焦。

2）由于ROFA風的介入，ROFA風以高速射流的方式噴入爐膛上部空間，以旋渦的形式在爐膛整個斷面空間傳遞，使爐膛內的物料場，空氣場混合均勻，溫度場趨于穩定，同時由于射流力的作用，延緩了燃料及空氣在下部空間的停留時間，燃燒器區域部分空氣不至于還未燃燒就隨著煙氣上升到爐膛上部空間，保證了燃料在爐膛下部空間充分燃燒，底渣含碳不會增加，甚至能得到一定程度的減少。

3）由于主燃燒器區部分燃料碳未來得及燃燒可能會隨著煙氣上升導致擔心不完全燃燒而排出爐外，造成飛灰含碳量上升，未燃盡碳增加，鍋爐負荷降低，為了保證設計負荷，又不得不增加燃料，而燃料的增加又導致后續除塵引風系統負荷過重，這樣迫使運行人員為了保證鍋爐穩定和安全，不得不采取措施減少燃料，負荷隨之下降。這點其實大可放心，即使部分未燃盡碳會隨著煙氣上升到爐膛上部空間，但由于ROFA的作用，加上后面還有特殊混流結構設計的折焰角也對物料、煙氣、空氣混合起到一定輔助作用，未燃盡碳會在ROFA和折焰角區域保持夠長的停留時間，在這段時間內，未燃盡碳和空氣中的氮在高溫下會與氧 “競爭”，根據化學元素活性表，N原子的活性遠遠比C原子要低，因此未燃盡碳會迅速燃燒，而氮由于缺氧無法反應只能隨著煙氣排出爐外，這樣既保證了飛灰含碳量不增反降，鍋爐負荷維持如前，甚至由于換熱面效果的提高，負荷還能有一定程度上提高，NOx也得到了一定的抑制。

3.2 針對做過低氮分級燃燒改造過的鍋爐

做過低氮分級燃燒改造（如OFA和SOFA）的鍋爐，在設計的時候就充分考慮了下部主燃燒區的空氣量，所以即使抽調20%～30%的空氣，主燃區所需要的空氣量仍然是夠的，但目前，盡管國內有好多做低氮分級燃燒的廠家，但做得成功的卻比較少，未達到低氮設計的目的，主要是燃燒器未發揮低氮分級效果，因為實際運行時當從主燃區抽取一定風量后，國內幾乎所有此類鍋爐均會發生燃燒器區域結焦加劇、飛灰底渣含碳量增加、鍋爐負荷降低等情況。所以電廠運行人員為了保證燃燒器安全穩定運行，只能通過運行調整的方式，將抽走的風量又返回到主燃燒器上，來緩解這些現象。這樣一來，主燃燒區溫度隨之上升，燃燒空氣量增加，NOX上升，燃燒器失去了原有的低氮分級燃燒效果。

而ROFA就不一樣，前面已經講過，由于ROFA 噴口處的高動能射流產生強烈的旋轉擾動渦流，打破了爐內的大片層狀流動，使得燃燒區域的溫度場和物料場分布更為均勻。從而改善了爐內的煙氣溫度分布，物料分布，熱量吸收，因此不僅使燃燒區溫度穩定，不會產生局部高溫，結焦不會因此加劇，燃料在爐內也能充分燃燒燃盡，降低了飛灰和底渣含碳量。同時由于主燃燒區空氣量的減少，還原性氣氛濃烈，NOX生成越少，而ROFA區域上部空間也由于ROFA的作用，NOX也受到抑制，從而達到了低氮分級燃燒的效果。

4 ROFA對后續脫硝的影響

ROFA由于其能很好地將物料、煙氣、空氣很好地混合和溫度均布，必然導致后續SNCR和SCR系統中噴入的還原劑能與煙氣良好混合，還原劑液滴與煙氣中NOX反應接觸面積大，反應速度快，脫硝效率高，從而減少還原劑總耗量，而均布的流場又使得煙氣流穩定，降低了噴槍、導流裝置、催化劑等的磨損。而OFA和SOFA噴射速度僅取決于風箱風壓，其混流效果遠不如ROFA，這必然導致其不能給SNCR和SCR帶來比較積極的影響。

5 總結

ROFA低氮分級燃燒技術由于其特有的先進設計理念，將鍋爐優化燃燒和低氮排放有機地結合在一起，不僅是一種區別于傳統的低氮分級燃燒技術解決方案，更為后續的化學手段脫硝減輕了負擔，節約了能源。隨著該技術的不斷成熟和發展，該技術將會應用到國內外更多項目，為當今世界的節能減排工作作出貢獻。

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