關于鍋爐燃燒器結構與布置對生成污染物的探究

王朝威

（江蘇大學，江蘇 鎮江 212013）

2014年，環保部發布《鍋爐大氣污染物排放標準》，各個企業部門不得不進行技術升級。近幾年，我國環保部門對燃煤管控日趨嚴格，如何控制燃煤產生的污染物也成為一個非常重要的課題。

1 對氮氧化物的影響與控制

1.1 氮氧化物的生成機理

鍋爐中的氮氧化物主要來源于以下2部分：①燃料中的含氮物質燃燒生成氮氧化物。這種方式攜帶的氮元素含量較低。②由空氣中攜帶的大量氮氣在高溫作用下生成，這也是氮氧化物產生的最主要原因。氮氧化物的生成量主要取決于氧氣與氮氣濃度、燃燒溫度，一般濃度越大，溫度越高，產生的氮氧化物越多。按氮氧化物的形成機理來分，可將其分為燃料型、熱力型和快速型。燃料型氮氧化物形成的機理比較復雜，與燃料特性、燃料結構比例等諸多因素有關，主要影響因素是燃料揮發分含量與燃燒過程中的過量空氣系數。雖然燃料性質無法改變，但過量的空氣系數可通過燃燒器結構的優化來控制。熱力型氮氧化物在燃燒溫度低于1 000℃時生成量比較少，1 300～1 500℃時生成量比較多，因此，可以采取控制燃燒溫度的方式來抑制。考慮到煤料灰熔點，避免結渣和氮氧化物的生成，一般鍋爐燃燒溫度控制在1 200℃以下為宜。快速型氮氧化物主要產生于碳氫化合物含量較高、氧濃度比較低的富燃料區，因此，可以通過控制空氣供給量、燃料濃度或者氧氣濃度來抑制氮氧化物的生成。

1.2 燃燒器結構與布置措施

1.2.1 煙氣再循環

采用煙氣再循環技術的優點就是尾部煙氣具有一定溫度，通入爐膛既可以降低燃燒溫度，又不至于讓燃燒溫度過低。在實際工作中，調節煙氣供給與空氣供給的比例，并進行有效的控制，有利于遏制熱力型氮氧化物的生成。燃燒器的布置方法主要有2種：①氧氣與煙氣混合后一同攜帶煤粉進入爐膛燃燒。這種方法不利于煤粉與氧氣的充分接觸。②先讓空氣作為一次風攜帶煤粉進行燃燒，然后將煙氣與二次風混合再噴入燃燒區進一步燃燒。這種方法既有利于煤粉初步燃燒，又使得燃燒溫度不至于過高。

1.2.2 分級燃燒

分級燃燒的主要措施是：①將燃料分為2部分，由不同燃燒器噴嘴噴入爐膛，燃料比較多的一部分先進行富氧燃燒，然后再與較少的另一部分混合，將一級燃燒生成的氮氧化物還原。②將爐內燃燒空間分為2部分，不同的燃燒區域采用不同的氧氣濃度。爐內底部為主燃燒區，控制此處的溫度，使空氣供給不足，即可形成缺氧燃燒的局面，抑制氮氧化物的生成。然后燃料在煙氣流帶動下進入富氧區（可以通過燃燒器噴嘴二次進風），在此區域內完全燃燒，有效抑制氮氧化物的生成，而且溫度也可以用進風溫度來調節。③為了使效果更加顯著，可以將以上方法結合，即將煙氣循環與空氣混合，再分級進入鍋爐控制燃燒溫度和氧氣濃度。同時，采用兩部分分級法，一部分是燃燒器內分級，另一部分是鍋爐內燃燒器布置分級。燃燒器內分級是將煤粉與空氣以及煙氣分級供給，通過控制空氣進給量（或者氧氣進給量）輔以煙氣調節燃燒溫度，實現對氮氧化物生成量的控制。鍋爐內燃燒器布置是將爐內空間分為主燃燒區、主還原區和完全燃燒區，分級噴入不同濃度的燃料、空氣和煙氣，以達到進一步減少氮氧化物的目的。分級燃燒的缺陷是，煙氣與空氣的混合比例難以控制，過多的煙氣和空氣會使爐內溫度降低過多，不利于煤粉充分燃燒，且容易帶走爐內熱量，降低鍋爐效率；過少的空氣會導致燃料不能充分燃燒。

2 對硫化物的影響與控制

2.1 硫化物的生成機理

硫化物主要是指二氧化硫和三氧化硫，煤料中的含硫物質（煤中硫的主要存在形式可以分為3種，即有機硫、硫鐵礦硫和硫酸鹽硫）在高溫作用下，與空氣中的氧生成二氧化硫，或者與富氧進一步生成三氧化硫。

2.2 燃燒器結構與布置安排

干法脫硫技術結構與布置安排是：①大多數鍋爐都要將煤磨制成粉，同樣可以同時將石灰石磨成粉，然后與煤粉一起通過燃燒器通入爐內。煤粉燃燒時，將熱量傳遞給石灰石粉末，石灰石粉末在高溫作用下生成氧化鈣，氧化鈣繼續與生成的二氧化硫反應生成固體化合物。這時，鍋爐燃燒器不僅要進氣、進煤粉，還要進石灰石粉。石灰石粉的顆粒大小要根據燃燒溫度而定，過粗的粉末易下沉，不利于充分吸收燃燒物中的二氧化硫，且會對燃燒器造成磨損，而過細的石灰石粉則會增加運行成本。②前面已述，可以采用燃燒空間分級的方法進行燃燒。對于石灰石脫硫，同樣可以采用在不同的燃燒空間分級噴鈣的方式。石灰石粉末可以利用再循環煙氣噴入爐膛內，這樣既不會降低爐膛溫度，又能達到輸送石灰石粉末的目的，反應過程與1.2中所述內容一致。這種方法是將燃燒中產生的硫化物固定在固體物質中。③上述2種方法可以結合使用，在燃燒器端混合石灰石與煤粉，煤料燃燒時，釋放大量熱能，使石灰石粉分解得更加充分，氧化鈣生成量更多，更有利于實時吸收生成的硫化物。在燃燒過程中，噴鈣有利于二氧化硫的進一步吸收，使爐膛出口處的煙氣污染物含量降至最低。這種方法的優點是，將同一種脫硫方式應用于鍋爐的不同部位，操作簡單易行，運行成本不高；缺點是石灰石粉與煤粉的比例不易控制，過多的石灰石粉末會吸收一部分熱能，其作為廢渣排出時也會帶走一部分熱能，而過少的石灰石粉末會使爐內硫化物吸收得不充分，過粗的石灰石粉末易對燃燒器噴嘴造成磨損。

3 結束語

為了從燃燒端控制氮氧化物和硫化物的生成，出現了許多低氮燃燒器的設計，其主要設計思路都是在過量空氣系數、氧配比上進行研究，以有效抑制氮氧化物的生成。除了從燃燒端控制外，在煙氣處理部分進行的研究也卓有成效，綜合運用已知技術是處理污染物的關鍵。本文根據當前燃燒器的設計思路，提出了運用煙氣再循環與分級燃燒技術以抑制氮氧化物生成的方案，以及運用燃燒器內部與爐膛內燃燒器布置及時吸收硫化物的方案，以期將硫化物排放量降至最低。

［1］王雷.電廠鍋爐低氮燃燒器改造項目綜合評價研究［D］.北京：華北電力大學，2016.

［2］徐寧.關于京隆電廠低氮燃燒器改造的研究［D］.北京：華北電力大學，2015.

［3］孫鐵朦.氮氧化物的形成及控制技術［D］.長沙：中南大學，2017.