国内外低NOx旋流燃烧器研究进展

殷庆栋，魏颖莉，魏 刚，刘文献

(1.河北省电力研究院，河北石家庄 050021;2.河北省电力公司，河北石家庄 050021)

国内外低NOx旋流燃烧器研究进展

殷庆栋1，魏颖莉2，魏 刚1，刘文献1

(1.河北省电力研究院，河北石家庄 050021;2.河北省电力公司，河北石家庄 050021)

针对日益严格的NOx排放标准，对国内外典型的低NOx旋流燃烧器的研究进展做了总体回顾，并详细介绍了先进的低NOx燃烧器的技术特点和应用状况，总结得出了低NOx旋流燃烧器的影响因素。

低NOx燃烧器;旋流;适应性;风煤比例

0 引言

NOx是大气中的主要污染物，它是刺激人的呼吸系统，损害动植物，并且引起酸雨、光化学烟雾、温室效应和破坏臭氧层的主要物质之一。有关资料表明，电站锅炉的NOx排放量占各种燃烧装置NOx的排放量总和的一半以上，而且80%左右是由煤粉锅炉排放的［1］。

1 降低NOx排放的现状

目前，降低燃烧过程中的NOx排放有两类方法:一是燃烧控制技术。采用各种措施抑制或者还原炉内燃烧过程中产生的 NOx，如燃烧优化、低NOx燃烧器、空气分级等;二是烟气后处理技术。在燃烧后将已形成的NOx还原成N2，如选择性催化还原、非选择性催化还原等。在各种降低NOx排放的技术中，低NOx燃烧器技术应用较广、相对简单、经济并且有效。近年来，世界各国的大锅炉公司，为使其锅炉产品满足日益严格的NOx排放标准，分别开发了不同类型的低NOx燃烧器，低NOx燃烧器迎来了一个新的发展时期。

低NOx燃烧器的基本原理是:通过特殊设计的燃烧器结构以及通过改变燃烧器的风煤比例，在稳定燃烧的基础上，尽可能地降低着火氧浓度，适当降低着火区温度，达到最大限度地抑制NOx生成。

2 低NOx旋流燃烧器介绍

2.1 北美地区

2.1.1 DRB 燃烧器［3－4］

美国B＆W公司研制了双调风DRB煤粉燃烧器。一次风管外有可调的内二次风和外二次风管，风管中设有轴向可动叶片，用于改变内、外二次风的比例和旋流强度，以调节一、二次风的混合。双调风燃烧器主要通过控制煤粉与空气的混合，延迟燃烧过程，降低燃烧强度和火焰最高温度来降低NOx的生成量。当它燃用烟煤时，一次风量约为20%，内二次风量约为20% ～25%，其余空气为外二次风，并以较高的旋流强度送入炉膛，一方面保证燃料燃尽;另一方面在火焰周围形成氧化性气氛，对防止结渣和高温腐蚀十分有利。运行实践表明，采用DRB燃烧器进行空气分级燃烧后，距喷口1.2m处的火焰温度由1600℃降至1400℃，NOx排放浓度可降低39%。

2.1.2 PAX 燃烧器［5－6］

PAX型燃烧器是加拿大B＆W公司在双调风旋流燃烧器的基础上，增设了PAX装置(一次风置换装置)，与直吹式制粉系统配套使用;当一次风粉气流通过燃烧器入口弯头时，由于离心力的作用，被分为两股，弯头内侧为淡风粉气流，将其作为三次风在燃烧器周围另开的三次风口喷入炉膛;弯头外侧为浓风粉气流，进入燃烧器与从二次风箱引入的温度为310℃～371℃的一部分热风相混合后作为一次风喷入炉膛，在一次风喷口处装有多层盘式稳焰器;二次风通过轴向叶片形成旋转气流进入炉内。采取高浓度煤粉燃烧技术对燃烧低挥发分锅炉降低NOx强化稳燃的重要性。

2.1.3 XCL 燃烧器［5，7］

为了方便锅炉改型，Babcock－Wilcox公司开发了XCL型燃烧器。XCL型燃烧器采用套阀调节内、外气流区，在内、外气流区采用可调节旋流度。其NOx排放比双调风燃烧器约低25%。XCL燃烧器最重要的优点是它可以通过选用合适的叶轮使火焰形状适应炉型，对深度有限的炉窑(如单置墙式炉)，可使火焰长度减短。

2.2 德国

2.2.1 SM 燃烧器［3］

SM燃烧器的特点是一次风和煤粉不旋转，二次风通过轴向叶片形成旋流。一、二次风量占燃烧所需总空气量的80% ～90%，在燃烧器喷口处形成富燃料区，其余空气从燃烧器喷口周边一定距离处对称布置的四个二级空气喷口以直流的形式送入炉膛，此二级燃烧空气的作用类似于炉膛空气分级燃烧的OFA，当燃烧劣质煤和无烟煤时，它的NOx排放量比一般燃烧器低22%～32%。

2.2.2 DS 型燃烧器［4－5，8］

在DRB型的基础上，Babcock公司开发了第二、三代产品:WS型和DS型燃烧器。它充分考虑了减少NOx生成及可能出现的问题。结构特点为:中心风速减缓，保证回流区的稳定;增大一次风射流的周界长度和一次风粉气流同高温烟气的接触面积，提高了煤粉的着火稳定性;在一次风道内安装了旋流导向叶片，使一次风产生旋流，并将喷嘴端部设计成外扩型;煤粉喷嘴出口加装了环形齿稳燃器;在外二次风的通道中则采用各自的扩张形喷口，以使内、外二次风不会提前混合;内外二次风道为切向进风涡壳式结构，保证燃烧器出口断面空气分布均匀，增加了优化燃烧所具备的旋流强度。DS型燃烧器主要由点火油枪、紫外火焰监测器、一次风风道、中心管、内二次风风道、外二次风风道、红外火焰监测器组成、旋流叶片、火焰稳定器。DS型低NOx燃烧器可实现NOx低于450mg/m3的排放标准。它既可用于前后墙对冲燃烧方式，也可用于切圆燃烧方式，对于燃用优质煤和劣质煤均适用。

2.3 日本

2.3.1 IHI－FW 卧式分离器旋流燃烧器［3］

这种燃烧器的突出特点是加装卧式旋风分离器。从磨煤机来的一次风粉流先导入旋风分离器，分离器的导流板可处于高、低负荷的位置。燃用劣质煤或低负荷燃烧时，导流板置于低负荷位置，被分离出的高浓度风粉流被送入燃烧器中心的低负荷喷嘴(高浓度喷嘴)，在出口着火区形成高浓度燃烧。被分离出的低浓度风粉流从另一低浓度风粉管由高浓度喷口周围的低浓度喷口进入炉膛，与高浓度火焰形成浓淡燃烧。燃用优质煤或高负荷燃烧时，导流板置于高负荷位置，一次风粉流可不经分离器直接进入低浓度喷嘴进行正常燃烧。这种卧式分离器的作用相当于浓缩器。这种燃烧器具有优良的降低NOx的能力和低负荷稳燃性能。

2.3.2 HT －NR 型燃烧器

在双调风燃烧器的基础上，日本Babcock－Hitachi推出了HT－NR型燃烧器，HT－NR燃烧器的原理即火焰内高温还原NOx。燃烧区域分为A、B、C、D四个区，A为脱挥发分区，B为烃根产生区，C为NOx还原区，D为氧化区。燃料在A区低空燃比条件下释放出挥发分，产生大量的NOx;在下游B区形成烃根生成区;在C区快速形成的烃根使NOx还原为N2;在D区实现充分燃烧。与双调风燃烧器不同的是，它在喷嘴出口处装有陶瓷火焰稳定环，从而在喷口附近形成回流区，使煤粉离开燃料喷嘴后迅速着火，加速了脱挥发分期间的燃烧速率。HTNR燃烧器的NOx排放水平比双调风燃烧器的还要低30%～50%。

2.4 中国

我国的低NOx燃烧器研究起步较晚，近年来随着国家的重视，哈尔滨工业大学、华中科技大学以及西安热工院等单位开发出了一系列低NOx燃烧器，取得了一些成果。哈尔滨工业大学开发了径向浓淡旋流煤粉燃烧器，由直流二次风通道、旋流器、旋流二次风通道、一次风通道、中心管、点火装置、直流二次风档板、煤粉浓缩器、淡一次风风道、浓一次风风道组成［9］。原理是在一次风通道中加入煤粉浓缩器，使一次风粉混合物分成浓淡两相。同时，二次风也分成了两部分:一部分经过旋流二次风通道以旋流的形式进入炉膛;另一部分经过直流二次风通道以直流的形式进入，改变直流二次风挡板的开度，可以调节二次风旋流强度。旋流器为轴向弯曲叶片。NOx排放浓度为600mg/m3，锅炉最低稳燃负荷可达50%。

西安热工院开发了DSB低氮型燃烧器，主要特点是在燃烧器内部实现一次风稀相向二次风扩散，从而使得一次风速可调，极大地提高了燃烧稳定性和煤种适应性。将其应用于华能南京电厂1号炉改造，OFA配合，锅炉NOx排放量从1300mg/m3降低到平均700mg/m3，降低率46%。

3 低NOx旋流燃烧器的影响因素

旋流煤粉燃烧器一般都是圆形布置，从中心向外依次是中心风、含煤粉的一次风、二次风。通过二次风旋流与中心处稳燃锥的共同作用，在燃烧器出口形成一个高温烟气的回流区，而煤粉则往往是利用一次风道中的煤粉浓缩器形成煤粉的内浓外淡，从而在二次风的旋流作用下，煤粉由中心向回流区边缘移动，有利于浓煤粉首先着火，引燃淡煤粉。随着旋流强度增大，烟气回流区加大，又增加了横向湍流混合，有利于煤粉着火，故煤粉燃尽率提高。回流区是影响旋流燃烧器的最重要因素，回流区受一、二次风等很多方面的影响。加大回流区，加强紊流效果，是评价燃烧器的重要准则，主要有以下几点:

(1)中心风气流的大小对回流区影响很大，中心风太大，回流区就会大大减小，为了适应我国电站锅炉普遍动力用煤(劣质煤)的需要，就需要减小中心风风速，以加大回流区，从而提高回流高温烟气量，使劣质煤尽早接触高温烟气而着火。

(2)内二次风对回流区影响次之，内二次风太大也会使回流区减小，但内二次风太小就会降低空气供给量，影响煤粉的稳定燃烧。因此，内二次风风速要选定一个合适的范围，即能满足稳燃的需要，保证回流区稳定;又不至于大大增加NOx的排放量。朱艳涛等人在进行LN－B低NOx旋流燃烧器冷态试验时发现:内二次风速度为0和5m/s时，回流区的平均风速为 －2.8m/s和 －0.8m/s，由此可见内二次风速度对回流区有重要影响，减小内二次速率有利于回流区的形成。

(3)外二次风对回流区影响较小，因此，外二次风速可以调节的范围比较大，但是，在不同拉杆开度下，二次风衰减很快，对于劣质煤后期燃烧影响较大，它不能补充后期煤粉燃烧所需要的空气，这样会造成不完全燃烧损失增加，影响电厂经济运行。

4 结语

低NOx旋流燃烧器具有初投资少、基本不需增加运行费用的优点，而且还具有着火快、燃烧稳定性好和燃尽率高的优点，较为符合我国的国情，是降低我国电站锅炉NOx排放量的有效手段。

［1］方立军，高正阳，殷立宝.等.无烟煤与贫煤的混煤NOx排放特性实验研究［J］.锅炉技术，2001，32(9):11 －14.

［2］曾汉才.大型锅炉高效低NOx燃烧技术的研究［J］.锅炉制造，2001，3(1):1 －11.

［3］何季民.旋流燃烧器技术发展趋势［J］.湖南电力，1995，(2):43－51.

［4］吴碧君，刘晓勤.燃煤锅炉低NOx燃烧器的类型及其发展［J］.电力环境保护，2004，20(9):24 －27.

［5］毛键雄，毛键全.煤的清洁燃烧［M］.北京:科学出版社，1998.

［6］金振齐.浓淡型煤粉燃烧器述评［J］.能源研究与利用，2001，(2):9－12.

［7］钟 秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例［M］.北京:化学工业出版社，2002.

［8］王军，李如翔.低NOx燃烧器的新发展及在我国的应用前景［J］.华北电力技术，1995，(3):59 －62.

［9］孙 锐，李争起，孙绍增，等.径向浓淡旋流煤粉燃烧器直流一次风对流场及NOx排放的影响［J］.环境科学学报，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

殷庆栋(1984-)，男，山东聊城人，硕士，工程师，主要从事电站锅炉新技术研究工作。E－mail:hbdyyyqd@163.com