浅谈低氮燃烧技术及其改造方法

吴凤玲+刘民+江辉+赵修华+吴晓烽

摘 要：针对某公司热电厂现有4号燃煤锅炉氮氧化物排放浓度超标的问题，浅谈燃烧过程中氮氧化物的生成机理、及采取的低氮燃烧技术改造措施。通过文章的分析，希望对相关工作起到指导意义

关键词：低氮燃烧技术；生成机理；燃烧分级技术；空气分级燃烧技术；低氮燃烧器

1 概述

根据《国家环境保护“十二五”规划》和新的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）的要求，现有火力发电锅炉自2014年7月1日起，氮氧化物排放浓度限值为100mg/Nm3。乌鲁木齐某公司热电厂现有4号燃煤锅炉（410t/h），氮氧化物排放浓度高达750mg/Nm3，已严重超标，必须对其进行脱硝技术改造。

锅炉脱硝技术实质就是控制燃料燃烧过程中NOx污染的产生或减少因燃烧产生的烟气中NOx污染的减量技术。燃料燃烧的生命周期可分为燃烧前、燃烧中和燃烧后三个主要阶段，因此，锅炉脱硝实质就是控制燃烧前、燃烧中或燃烧后的NOx污染。

目前有关降低NOx的控制技术大致可分为两类，炉内脱氮和尾部脱氮。炉内脱氮即低氮NOx燃烧技术，是降低燃煤锅炉氮氧化物排放最主要也是比较成熟的技术措施。

2 燃煤锅炉燃烧过程NOx的生成机理

NOx主要是通过热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx三种途径生成的，并且都在煤燃烧过程中出现。

2.1 快速型NOx

快速型NOx是由燃料挥发物中的碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中氮反应生成的HCN和N，再进一步与氧作用以极快的反应速率生成NO，它的生成与温度关系不大。对于煤粉锅炉快速型NOx仅占NOx总排放量的5%左右。

2.2 热力型NOx

热力型NOx是由于燃烧用助燃剂空气中的氮在高温下氧化而产生的，反应过程如下：

N+O2=NO+O（t>816℃）；O+N2=NO+N（t>1530℃）

其中，NO与氧进一步氧化生成NO2。

热力型NOx是随燃烧温度的升高呈指数规律增加，占NOx总排放量的20～50%。试验表明，当燃烧温度低于1500℃时，温度每增加100℃反应速率将增大6～7倍；当温度低于1350℃时，NOx的生成量很少。

2.3 燃料型NOx

燃料型NOx是燃料中的氮氧化物在燃烧过程中发生氧化而形成的，分为“挥发性NOx”和“焦炭型NOx”两种，占NOx总排放量的60～80%。“挥发性NOx”是由挥发份中的氮化物热裂解产生N、CN、HCN和NHi等中间产物，或以热解焦油的形式析出产生的，占燃料型NOx的60～80%；剩余部分氮则残存在焦炭中与氧反应生成“焦炭型NOx”。

3 低氮燃烧技术

目前常用的低NOx燃烧技术主要包括燃烧分级燃烧技术、空气分级燃烧技术和低氮燃烧器技术。

3.1 燃烧分级燃烧技术

燃料分级燃烧技术又称为再燃烧技术或三级燃烧技术，它的主要原理是将二次燃料送入一次燃烧区上方，形成富燃料燃烧的再燃区，在高温和还原气氛下，燃料生成碳氢原子团，与一次燃烧产生的NOx反应生成N2，此外，在再燃区的上方送入二次风以保证再燃区的不完全燃烧产物能够燃尽。具体示意图如图1所示。

燃料分级燃烧技术的主要影响因素包括再燃燃料种类、再燃区内过量空气系数、温度和停留时间、再燃量和再燃区混合状况等，其中，改变再燃烧区燃料与空气的比例是控制NOx排放量的关键。

3.2 空气分级燃烧技术

空气分级燃烧技术的主要原理是将燃料所需的空气分级送入炉内，使燃料在炉内分级分段燃烧。一级富燃区燃料在缺氧条件下燃烧，燃烧速度和温度降低，热力NOx减少，燃料中释放的含氮中间产物HCN、NH3等将NO还原为N2；到了燃尽区，燃料再与二次风混合，使燃料完全燃烧。

空气分级燃烧技术主要包括轴向空气分级燃烧（OFA方式）和径向空气分级燃烧。

3.2.1 径向空气分级燃烧

径向空气分级燃烧技术是在与烟气垂直的炉膛断面上组织分级燃烧，通过二次风射流部分偏向炉墙来实现。该技术不仅能使主燃区处于还原性气氛而实现NOx排放的降低，还能使炉墙附近处于氧化性气氛，避免高温腐蚀和燃烧器附近结渣。

3.2.2 轴向空气分级燃烧

轴向空气分级燃烧技术将燃烧分为三个区，分别为热解区、贫氧区和富氧区。该技术是将燃料所需要的空气以主二次风和燃尽风两部分的形式送入炉膛，其中，主二次风约占总二次风量70%～85%；燃尽风约占总二次风量的15%～30%。当上部燃尽风送入炉膛时，已经避开了高温火焰区，对未燃尽产物起完全燃烧的作用。

3.3 低氮燃烧器技术（LNB）

低氮燃烧器的设计原理采用空气分级燃烧原理，尽可能地降低着火区的氧浓度和温度，从而实现控制NOx生成量的目的，一般而言，采用低NOx燃烧器可降低NOx排放浓度约30～40%。

低NOx燃烧技术是应用最广、技术较成熟、相对简单、经济的方法。在燃煤过程中排放的众多污染物中，NOx是唯一可以通过改进燃烧方式来降低其排放量的气体污染物。该技术通过降低燃烧反应温度，减少过量空气系数，缩短烟气在高温区的停留时间等手段达到控制NOx的目的，是目前降低燃煤锅炉NOx排放最主要、比较经济的方法。由于低NOx燃烧技术工艺成熟，投资及运行费用较低，已在火电厂的NOx排放控制中得到了较多应用。

4 技术改造方案

在低氮燃烧技术阶段，某公司热电厂4号锅炉需改造或更换现有低氮燃烧器LNB，降低燃烧过程中NOx的生成量；增设一套燃尽风SOFA系统，进一步降低燃烧过程中生成的NOx。本次改造主要包括三部分内容：

4.1 燃烧器改造

低氮燃烧器用于控制每一个燃烧器的燃料和空气的混合，燃料和空气分级送入燃烧设备，其特点在于降低初始燃烧区域内的氧浓度，从而也相应的降低火焰峰值温度，达到了较少NOx的形成目的。在喷口水平中线装有倾斜装置，增加燃烧的倾斜区域来实现深度分级，燃烧器喷口四周的平衡周界风，延迟一二次风的混合，这些区域可以进一步阻止燃料中的N形成NOx。富燃料区域的存在使火焰最高温度被降低，从而减少了热力型NO的形成。为了在较低的飞灰含碳量下获得较低的NOx浓度，煤粉分布盘布置在煤粉喷嘴入口至燃烧器之间的弯头位置的下游。煤粉分布盘对煤粉流有很好的浓缩作用，使来流煤粉更集中于燃烧器的中轴线形成一个特殊的风包粉状态，这样的煤粉流喷入炉膛内，从煤粉流中心形成一个较大欠氧燃烧的火焰，使初始燃烧的NOx生成率更低，同时风包粉的煤粉流使切圆燃烧的煤粉远离炉膛四壁避免结渣。

4.1.1 一次风改造内容

（1）移除全部浓淡分离器；（2）减小喷嘴面积，保持高宽比；（3）保持内部钝体不变；（4）增加两块内部水平隔板；（5）同时减小连接风管接口尺寸；（6）周界风出口保持不变，周界风宽度变为25。

4.1.2 二次风改造内容

（1）减小OFA层喷嘴尺寸；（2）减小CC层喷嘴尺寸；（3）减小AB层喷嘴尺寸；（4）OFA、CC、AB增加两块内部垂直隔板夹角为10°和15°，以保证风向。

4.2 新加装SOFA喷嘴及风道

被燃烧器导向的燃烧空气在炉膛下部形成富燃料区，煤在低氧区挥发，迫使燃料里的氮形成N2而不是NO。在进入锅炉对流区之前，缺氧燃烧产生的烟气再与燃尽风系统产生的高动量的气流在炉膛上部混合，使燃料完全燃烧。

（1）共新增8只SOFA喷嘴，每墙各2只；（2）新加燃尽风风道从二次风道至SOFA喷嘴。

4.3 水冷壁及平台改造

（1）为SOFA喷嘴在水冷壁对应位置开孔；（2）在开孔位置加密封盒；（3）改造平台避让新加燃尽风风道，并加装平台便于喷嘴及风道检修维护。

5 应用效果

目前，4号炉已改造完毕并投运，应用效果良好，具体指标如下：

（1）低氮燃烧系统改造后锅炉正常运行。（2）低氮燃烧系统脱硝效率达到40%。（3）低氮燃烧系统出口NOx排放浓度小于450mg/Nm3。（4）低氮燃烧系统确保锅炉50%负荷稳燃。（5）低氮燃烧系统改造后未造成锅炉受热面明显结焦。（6）低氮燃烧系统改造后空气动力场试验达到要求。

参考文献

[1]贾宏禄.锅炉低氮燃烧改造后的结渣原因分析及处理[J].动力工程，2009，29（1）：27-35.

[2]应明良，戴成峰，胡伟锋，等.600MW机组对冲燃烧锅炉低氮燃烧改造及运行调整[J].中国电力，2011，44（4）：55-58.

[3]高明.低氮燃烧及烟气脱硝国内外研究现状[J].广州化工，2012，40（17）：18-22.

[4]唐高，刘晓斌.低氮燃烧改造在某煤粉炉上的应用实施[J].科技风，2013（8）：108-109.

[5]侯建鹏，朱云涛，唐燕萍.烟气脱硝技术的研究[J].电力环境保护，2007，23（3）：24-27.

[6]陈进生，燃煤电厂烟气脱硝技术-选择性催化还原法[M].北京：中国电力出版社，2008.

作者简介：吴凤玲（1975-），女，本科，工程师，主要从事热能动力设计工作。

低氮燃烧器用于控制每一个燃烧器的燃料和空气的混合，燃料和空气分级送入燃烧设备，其特点在于降低初始燃烧区域内的氧浓度，从而也相应的降低火焰峰值温度，达到了较少NOx的形成目的。在喷口水平中线装有倾斜装置，增加燃烧的倾斜区域来实现深度分级，燃烧器喷口四周的平衡周界风，延迟一二次风的混合，这些区域可以进一步阻止燃料中的N形成NOx。富燃料区域的存在使火焰最高温度被降低，从而减少了热力型NO的形成。为了在较低的飞灰含碳量下获得较低的NOx浓度，煤粉分布盘布置在煤粉喷嘴入口至燃烧器之间的弯头位置的下游。煤粉分布盘对煤粉流有很好的浓缩作用，使来流煤粉更集中于燃烧器的中轴线形成一个特殊的风包粉状态，这样的煤粉流喷入炉膛内，从煤粉流中心形成一个较大欠氧燃烧的火焰，使初始燃烧的NOx生成率更低，同时风包粉的煤粉流使切圆燃烧的煤粉远离炉膛四壁避免结渣。

4.1.1 一次风改造内容

（1）移除全部浓淡分离器；（2）减小喷嘴面积，保持高宽比；（3）保持内部钝体不变；（4）增加两块内部水平隔板；（5）同时减小连接风管接口尺寸；（6）周界风出口保持不变，周界风宽度变为25。

4.1.2 二次风改造内容

（1）减小OFA层喷嘴尺寸；（2）减小CC层喷嘴尺寸；（3）减小AB层喷嘴尺寸；（4）OFA、CC、AB增加两块内部垂直隔板夹角为10°和15°，以保证风向。

4.2 新加装SOFA喷嘴及风道

被燃烧器导向的燃烧空气在炉膛下部形成富燃料区，煤在低氧区挥发，迫使燃料里的氮形成N2而不是NO。在进入锅炉对流区之前，缺氧燃烧产生的烟气再与燃尽风系统产生的高动量的气流在炉膛上部混合，使燃料完全燃烧。

（1）共新增8只SOFA喷嘴，每墙各2只；（2）新加燃尽风风道从二次风道至SOFA喷嘴。

4.3 水冷壁及平台改造

（1）为SOFA喷嘴在水冷壁对应位置开孔；（2）在开孔位置加密封盒；（3）改造平台避让新加燃尽风风道，并加装平台便于喷嘴及风道检修维护。

5 应用效果

目前，4号炉已改造完毕并投运，应用效果良好，具体指标如下：

（1）低氮燃烧系统改造后锅炉正常运行。（2）低氮燃烧系统脱硝效率达到40%。（3）低氮燃烧系统出口NOx排放浓度小于450mg/Nm3。（4）低氮燃烧系统确保锅炉50%负荷稳燃。（5）低氮燃烧系统改造后未造成锅炉受热面明显结焦。（6）低氮燃烧系统改造后空气动力场试验达到要求。

参考文献

[1]贾宏禄.锅炉低氮燃烧改造后的结渣原因分析及处理[J].动力工程，2009，29（1）：27-35.

[2]应明良，戴成峰，胡伟锋，等.600MW机组对冲燃烧锅炉低氮燃烧改造及运行调整[J].中国电力，2011，44（4）：55-58.

[3]高明.低氮燃烧及烟气脱硝国内外研究现状[J].广州化工，2012，40（17）：18-22.

[4]唐高，刘晓斌.低氮燃烧改造在某煤粉炉上的应用实施[J].科技风，2013（8）：108-109.

[5]侯建鹏，朱云涛，唐燕萍.烟气脱硝技术的研究[J].电力环境保护，2007，23（3）：24-27.

[6]陈进生，燃煤电厂烟气脱硝技术-选择性催化还原法[M].北京：中国电力出版社，2008.

作者简介：吴凤玲（1975-），女，本科，工程师，主要从事热能动力设计工作。

低氮燃烧器用于控制每一个燃烧器的燃料和空气的混合，燃料和空气分级送入燃烧设备，其特点在于降低初始燃烧区域内的氧浓度，从而也相应的降低火焰峰值温度，达到了较少NOx的形成目的。在喷口水平中线装有倾斜装置，增加燃烧的倾斜区域来实现深度分级，燃烧器喷口四周的平衡周界风，延迟一二次风的混合，这些区域可以进一步阻止燃料中的N形成NOx。富燃料区域的存在使火焰最高温度被降低，从而减少了热力型NO的形成。为了在较低的飞灰含碳量下获得较低的NOx浓度，煤粉分布盘布置在煤粉喷嘴入口至燃烧器之间的弯头位置的下游。煤粉分布盘对煤粉流有很好的浓缩作用，使来流煤粉更集中于燃烧器的中轴线形成一个特殊的风包粉状态，这样的煤粉流喷入炉膛内，从煤粉流中心形成一个较大欠氧燃烧的火焰，使初始燃烧的NOx生成率更低，同时风包粉的煤粉流使切圆燃烧的煤粉远离炉膛四壁避免结渣。

4.1.1 一次风改造内容

（1）移除全部浓淡分离器；（2）减小喷嘴面积，保持高宽比；（3）保持内部钝体不变；（4）增加两块内部水平隔板；（5）同时减小连接风管接口尺寸；（6）周界风出口保持不变，周界风宽度变为25。

4.1.2 二次风改造内容

（1）减小OFA层喷嘴尺寸；（2）减小CC层喷嘴尺寸；（3）减小AB层喷嘴尺寸；（4）OFA、CC、AB增加两块内部垂直隔板夹角为10°和15°，以保证风向。

4.2 新加装SOFA喷嘴及风道

被燃烧器导向的燃烧空气在炉膛下部形成富燃料区，煤在低氧区挥发，迫使燃料里的氮形成N2而不是NO。在进入锅炉对流区之前，缺氧燃烧产生的烟气再与燃尽风系统产生的高动量的气流在炉膛上部混合，使燃料完全燃烧。

（1）共新增8只SOFA喷嘴，每墙各2只；（2）新加燃尽风风道从二次风道至SOFA喷嘴。

4.3 水冷壁及平台改造

（1）为SOFA喷嘴在水冷壁对应位置开孔；（2）在开孔位置加密封盒；（3）改造平台避让新加燃尽风风道，并加装平台便于喷嘴及风道检修维护。

5 应用效果

目前，4号炉已改造完毕并投运，应用效果良好，具体指标如下：

（1）低氮燃烧系统改造后锅炉正常运行。（2）低氮燃烧系统脱硝效率达到40%。（3）低氮燃烧系统出口NOx排放浓度小于450mg/Nm3。（4）低氮燃烧系统确保锅炉50%负荷稳燃。（5）低氮燃烧系统改造后未造成锅炉受热面明显结焦。（6）低氮燃烧系统改造后空气动力场试验达到要求。

参考文献

[1]贾宏禄.锅炉低氮燃烧改造后的结渣原因分析及处理[J].动力工程，2009，29（1）：27-35.

[2]应明良，戴成峰，胡伟锋，等.600MW机组对冲燃烧锅炉低氮燃烧改造及运行调整[J].中国电力，2011，44（4）：55-58.

[3]高明.低氮燃烧及烟气脱硝国内外研究现状[J].广州化工，2012，40（17）：18-22.

[4]唐高，刘晓斌.低氮燃烧改造在某煤粉炉上的应用实施[J].科技风，2013（8）：108-109.

[5]侯建鹏，朱云涛，唐燕萍.烟气脱硝技术的研究[J].电力环境保护，2007，23（3）：24-27.

[6]陈进生，燃煤电厂烟气脱硝技术-选择性催化还原法[M].北京：中国电力出版社，2008.

作者简介：吴凤玲（1975-），女，本科，工程师，主要从事热能动力设计工作。