淺析燃煤電廠燃燒器及低氮燃燒

摘要：隨著鍋爐機(jī)組朝著大容量高參數(shù)方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高效燃燒，減少污染物排放，提升煤種適應(yīng)性，提升運(yùn)行安全性和可靠性是現(xiàn)代燃燒技術(shù)追求的目標(biāo)。這其中，有效降低氮氧化物排放量更是擺在了首位。

關(guān)鍵詞：NOx 低氮燃燒；高效；分級(jí)；燃盡風(fēng)

一、前言

NOx包括NO、NO2、N2O、N2O4、N2O5，在煤的燃燒過(guò)程中形成的NOx主要為NO和NO2，其中NO占NOx排放總量的90%以上。按生成機(jī)理的不同，NOx分為熱反應(yīng)型NOx，瞬時(shí)反應(yīng)型NOx和燃料型NOx三種，在燃煤鍋爐中燃料型NOx的排放量占NOx總排放量的80%以上。

【熱反應(yīng)型NOx】：由空氣中的N2在高溫下氧化而生成。氣溫在不斷上漲的時(shí)候反應(yīng)速度也在不斷提高，經(jīng)過(guò)不斷證明，當(dāng)燃燒的氣溫低于1500攝氏度時(shí)，NOx的生成量很?。怀^(guò)1500℃時(shí)，溫度每增加100℃，反應(yīng)速度將增大6～7倍。

隨著溫度的升高，其反應(yīng)速度按指數(shù)規(guī)律迅速增加。試驗(yàn)表明，在燃燒溫度低于1500℃時(shí)，NOx的生成量很?。怀^(guò)1500℃時(shí)，溫度每增加100℃，反應(yīng)速度將增大6～7倍。由于氧原子與氮分子反應(yīng)的活化能很大，因此氧原子和燃料分子的反應(yīng)先于氧原子與氮分子的反應(yīng)。熱反應(yīng)性NOx的生成基本上是在燃料燃燒后期才發(fā)生。在鍋爐爐膛中的溫度水平下，熱反應(yīng)型NOx的生成量不大。

【瞬時(shí)反應(yīng)型NOx】：是由碳?xì)淙剂细邷責(zé)岱纸猱a(chǎn)生的CH自由基和空氣中的N2反應(yīng)生產(chǎn)HCN和N，它們?cè)僖詷O快的速度進(jìn)一步與空氣中的氧反應(yīng)生產(chǎn)NO，反應(yīng)時(shí)間只需約60ms，故稱瞬時(shí)反應(yīng)型NOx。瞬時(shí)反應(yīng)型NOx雖在高溫下生成，

但生成量與溫度的變化關(guān)系不大。在燃煤鍋爐中，瞬時(shí)反應(yīng)型NOx的生成量很小。

燃燒過(guò)程中生成的瞬時(shí)反應(yīng)型NOx和熱反應(yīng)型NOx中的氮都來(lái)自于燃燒用空氣，因此兩者可以合稱為高溫型NOx。

【燃料型NOx】：它是由燃料中的氮與氧反應(yīng)生成。煤中的燃料氮在受熱時(shí)首先隨揮發(fā)分一起析出的部分被稱為揮發(fā)分氮，包括HCN， NH3和 CN等，在之后焦炭燃燒過(guò)程中析出的部分稱為焦炭氮。析出的揮發(fā)分越多，燃料氮轉(zhuǎn)化為揮發(fā)分氮的比例就越大。

揮發(fā)分氮（HCN， NH3和 CN等）遇氧會(huì)反應(yīng)生成NOx，但若該階段火焰處在還原性氣氛中，揮發(fā)分中還存在碳?xì)浠衔顲Hi，則CHi就會(huì)立即將已生成的NOx還原成N2，并且生成的N2在爐膛條件下基本不會(huì)再與氧反應(yīng)生成NOx。而焦炭氮是在燃料燃燒后期焦炭燃燒過(guò)程中析出的，多數(shù)被氧化成NOx，而且難以被還原。因此一般煤的揮發(fā)分越高、灰分越低，煤的著火燃燒越強(qiáng)烈，揮發(fā)分氮就會(huì)越多，焦炭氮就越少，火焰內(nèi)的還原性氣氛也越強(qiáng)，最終生成NOx的趨勢(shì)也越低。

在通常燃燒溫度下，多數(shù)的NOx是由揮發(fā)分氮生成，對(duì)于高揮發(fā)分煤種，揮發(fā)分氮形成的NOx是焦炭氮形成的NOx的2.5倍。

由于燃料氮越容易變成揮發(fā)分氮，煤粉的揮發(fā)越快揮發(fā)分析出煤粉，也形成了還原性氣氛（CHi），進(jìn)而形成NOx。因此，強(qiáng)化燃燒，促進(jìn)揮發(fā)分析出，控制一次燃燒區(qū)域內(nèi)的氧濃度，可有效控制總NOx的生成量。

就低氮燃燒而言，氮氧化物產(chǎn)生與還原也與煤粉顆粒一起在爐內(nèi)燃燒，煤粉和空氣混合在一起的主要是生成HCN、NHi等。

作為還原性的化合物也多與NOx發(fā)生反應(yīng)，并未與O2發(fā)生氧化反應(yīng)生成NOx。另外，還有其他辦法可以解決，比如快速著火，高溫燃燒，濃淡燃燒，控制空氣同煤粉氣流的適時(shí)混合，也采用單噴口和全爐膛分級(jí)燃燒。

1.快速著火：一般情況下，煤粉較容易著火，就容易揮發(fā)出可以強(qiáng)烈燃燒并且能減少空氣與煤粉氣流混合的比率，另外散發(fā)著火區(qū)域就會(huì)形成還原性的氣氛，熱解析出的還原性介質(zhì)最好不要與氧進(jìn)行反應(yīng)。

2.采用單噴口分級(jí)燃燒：可以在初期的時(shí)候使煤粉和空氣流進(jìn)行在一起，讓煤粉氣流和空氣一起。采用單噴口分級(jí)，可以使揮發(fā)分NOx形成比較少，也可以在燃燒初期形成了盡可能多的還原性介質(zhì)，為全爐膛分級(jí)還原做準(zhǔn)備。

3.濃淡燃燒技術(shù)：一次風(fēng)在燃燒器內(nèi)部進(jìn)行高效濃淡分離，確?？焖僦?，并降低NOx生成。

4.全爐膛分級(jí)燃燒，運(yùn)用燃盡風(fēng)布置，合理配置全爐膛的風(fēng)量和氧量，是燃燒區(qū)域處于較低的化學(xué)當(dāng)量比，減少還原性介質(zhì)氧化性氣氛下被氧化，便于燃燒初期剩下的還原性介質(zhì)有一定的空間和時(shí)間，與燃燒初期生成的NOx和燒焦炭剩下的NOx進(jìn)行作用。燃盡風(fēng)的風(fēng)量與上排燃燒器的排放也有很大關(guān)系。

二、前、后墻對(duì)沖燃燒低氮燃燒技術(shù)

（一）高效低污染旋流煤粉燃燒器

前、后墻對(duì)沖燃燒技術(shù)是目前600MW、1000MW等大容量鍋爐機(jī)組廣泛采用的主流燃燒技術(shù)，對(duì)沖燃燒鍋爐采用旋流燃

燒器組織單個(gè)燃燒，使之具有更為良好的燃料、空氣分布，熱量進(jìn)入沿爐膛寬度方向平均的布局，全部的爐膛里面煙溫布局也十分的平均，這樣便于降低高溫區(qū)域受到壓元件的改變和腐蝕，該旋流煤粉燃燒器，已在技術(shù)上形成了通用化、系列化，使用業(yè)績(jī)顯示，該燃燒器具有良好的煤種適應(yīng)性，燃燒穩(wěn)定高效、燃盡率高，氮氧化物排放量達(dá)到甚至低于同類型燃燒器的水平，該燃燒器簡(jiǎn)圖如圖1所示：

1.關(guān)鍵技術(shù)

1）采用了實(shí)現(xiàn)外濃內(nèi)淡分離效果的煤粉濃縮器

采用了帶有兩級(jí)擋塊的徑向煤粉濃縮器，取到了外面濃，里面淡的煤粉中氣流，在其中一個(gè)風(fēng)管出口安排穩(wěn)焰齒環(huán)及一、二次風(fēng)導(dǎo)向錐，容易在口附近獲得回流的區(qū)域與比較多的風(fēng)端動(dòng)度，非常容易的加大了燃燒器的低負(fù)荷穩(wěn)燃性能和降低了NOx的生成。

2）選取合理的穩(wěn)焰裝置

該燃燒器上采用了成熟的穩(wěn)焰齒環(huán)結(jié)構(gòu)作為穩(wěn)焰裝置的主體，特殊的一、二次風(fēng)導(dǎo)向錐和一、二次風(fēng)夾心筒的組合結(jié)構(gòu)的配合使用使燃燒器的穩(wěn)燃作用更理想。

3）設(shè)置中心風(fēng)管

通過(guò)調(diào)節(jié)中心風(fēng)風(fēng)量為運(yùn)行油槍提供最佳配風(fēng)并在燃煤時(shí)控制煤粉著火點(diǎn)，防止結(jié)焦并調(diào)節(jié)適合不同煤種的最佳火焰形狀。

4）采用分級(jí)送風(fēng)的雙調(diào)風(fēng)技術(shù)

分級(jí)供給燃燒用風(fēng)，降低NOx排放量，同時(shí)保證煤粉的燃盡效率。二次風(fēng)風(fēng)門開(kāi)度，三次風(fēng)旋流器強(qiáng)度及風(fēng)量可調(diào)，可以獲得希望的氣流旋流強(qiáng)度和風(fēng)量大小，并保證同一個(gè)大風(fēng)箱內(nèi)各個(gè)燃燒器之間配風(fēng)均勻并達(dá)到單個(gè)燃燒器的最佳配風(fēng)組合，使燃燒器在運(yùn)行中能達(dá)到最佳工況。

5）合理設(shè)計(jì)燃燒器結(jié)構(gòu)

合理設(shè)計(jì)燃燒器結(jié)構(gòu)尤其作為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以確定燃燒器安裝的可行，作為調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)，它的使用簡(jiǎn)單、靈活，容易檢修。

2.主要結(jié)構(gòu)

煤粉燃燒器將燃燒用空氣分成四部分，一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)、中心風(fēng)，參見(jiàn)圖4。

1）一次風(fēng)

一次風(fēng)粉混合物開(kāi)始進(jìn)入燃燒器的一次風(fēng)入口彎頭，再經(jīng)燃燒器一次風(fēng)管與布置在一次風(fēng)管中的煤粉濃縮器，然后通過(guò)一次風(fēng)穩(wěn)焰齒環(huán)和一次風(fēng)導(dǎo)向錐噴入爐膛。

一、二次風(fēng)管之間的夾心結(jié)構(gòu)、一次風(fēng)導(dǎo)向錐、穩(wěn)焰齒環(huán)和旋轉(zhuǎn)二、三次風(fēng)的共同作用下，一、二次風(fēng)分離并形成一個(gè)持續(xù)的不變的高溫?zé)煔猸h(huán)形回流區(qū)，這個(gè)回流區(qū)在一次風(fēng)出口，可以把一次風(fēng)射流包在內(nèi)，回流的煙氣溫度持續(xù)很高；回流高溫?zé)煔?，最開(kāi)始加熱的是高煤粉濃度氣流，它用著火熱大大降低；噴口出口處的穩(wěn)焰齒環(huán)能提升煤粉氣流的湍動(dòng)度，這可以進(jìn)一步提升煤粉氣流的著火速度；一次風(fēng)導(dǎo)向錐可以推遲二次風(fēng)的混入，提高回流區(qū)域的溫度，同時(shí)也降低了對(duì)著火熱的需求。于是在這種因素的一起作用下，煤粉氣流能離開(kāi)燃燒器一次風(fēng)噴口后很快的著火、并且能持續(xù)不斷的燃燒。

一次風(fēng)管、一次風(fēng)彎頭、煤粉濃縮器，穩(wěn)焰齒環(huán)及一次風(fēng)導(dǎo)向錐的向火側(cè)等容易受到磨損的地方均采用特殊設(shè)計(jì)，保證其使用壽命。

2）二、三次風(fēng)及其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

燃燒器大風(fēng)箱為運(yùn)行燃燒器提供二次風(fēng)和三次風(fēng)，可以為停運(yùn)燃燒器提供冷卻風(fēng)。二次風(fēng)和三次風(fēng)通過(guò)燃燒器內(nèi)同心的二次風(fēng)、三次風(fēng)環(huán)形通道（內(nèi)側(cè)為二次風(fēng)、外側(cè)為三次風(fēng)）在燃燒的不同階段一起涌進(jìn)爐內(nèi)，實(shí)現(xiàn)分級(jí)供風(fēng)。鍋爐運(yùn)行時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒器二次風(fēng)和三次風(fēng)可使燃燒器達(dá)到最完美的運(yùn)行狀態(tài)。

二次風(fēng)通道內(nèi)布置有軸向旋流器使經(jīng)過(guò)的二次風(fēng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入到每一個(gè)燃燒器的二次風(fēng)量可通過(guò)燃燒器上的二次風(fēng)門的不同位置變化。二次風(fēng)旋流器為固定式，不做調(diào)節(jié)。

燃燒器上切向布置有三次風(fēng)門擋板，擋板開(kāi)大時(shí)，旋流強(qiáng)度減?。粨醢尻P(guān)小時(shí)，旋流強(qiáng)度增大，三次風(fēng)量的大小主要靠風(fēng)箱內(nèi)的風(fēng)壓及二次風(fēng)門的不同開(kāi)度確定。

3）中心風(fēng)

燃燒器內(nèi)設(shè)有中心風(fēng)管，其中布置有看火管。中心風(fēng)管外層濃縮器只要是起到形成外濃內(nèi)淡的作用，內(nèi)層中心風(fēng)能輔助調(diào)節(jié)燃燒器煤粉著火點(diǎn)的位置。

（二）燃盡風(fēng)的布置

高效低污染旋流煤粉燃燒器采用了快速著火、單噴口分級(jí)燃燒及濃淡燃燒等降低NOx排放量的措施，為達(dá)到低排放的目的還需對(duì)全爐膛分級(jí)燃燒。實(shí)踐證明，選取合適的燃盡風(fēng)風(fēng)率和煤粉燃燒器到燃盡風(fēng)噴口的距離，可在不影響鍋爐其他性能、參數(shù)的條件下顯著降低NOx的生成量。 由此啟發(fā)將燃盡風(fēng)分兩層布置在燃燒器上方，燃盡風(fēng)率從20%～30%可調(diào)，實(shí)現(xiàn)全爐膛分級(jí)燃燒。布置兩層燃盡風(fēng)時(shí)的爐膛溫度明顯低于布置一層燃盡風(fēng)時(shí)爐膛溫度，可有效控制NOx的生成。

目前，350MW超臨界前后墻項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)用了雙層燃盡風(fēng)送風(fēng)的方式，確保最大限度的降低NOx，并保持較高的鍋爐效率。

作者簡(jiǎn)介：

陳志勇，畢業(yè)學(xué)校：遼寧工程學(xué)院，熱能動(dòng)力工程專業(yè)；單位：遼寧大唐國(guó)際沈東熱電有限責(zé)任公司；職務(wù)：工程部鍋爐高級(jí)主管；職稱：工程師（中級(jí)）。