浅谈ROFA与传统低氮分级燃烧系统之比较

叶继苏

【摘 要】本文通过目前国内外几种低氮分级燃烧系统的介绍，分析比较了ROFA与OFA、SOFA在取风方式，喷口安装高度，抽取风量及喷射速度的区别及造成对锅炉稳定燃烧、氮氧化物排放、SNCR、SCR等的影响。分析比较得出，ROFA技术在煤粉锅炉低氮分级燃烧系统中的引入，不仅对锅炉的稳定燃烧，消除燃烧过程中产生的安全隐患大有好处，而且还是只需通过物理手段就能够控制炉内氮氧化物初始浓度排放的解决方案，为国内外燃烧工程公司、研究院所、工程公司、锅炉制造厂商提供了借鉴。

【关键词】低氮；分级燃烧；ROFA；OFA；SOFA

中图分类号： X781.5 文献标识码： A 文章编号： 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，無论是电站锅炉还是工业锅炉大部分都是以燃煤锅炉为主，而煤在燃烧过程中，会不断释放出氮氧化物等污染源，对大气造成污染。随着国家对节能环保要求的日益严格，人们对生命健康的重视，抑制NOx等污染源排放已成为当今国内相关研究机构、大专院校、节能环保公司、设备制造厂商等单位研究的新型课题。为了对氮氧化物的排放控制到一定水平，采取的处理措施也多种多样，如煤质中含氮量的控制，燃烧器的低氮改造，SNCR，SCR，烟气再循环，空气分级燃烧（ROFA，OFA，SOFA）等。而目前大部分锅炉以分级燃烧来改善初始氮氧化物排放，再结合后续的化学手段将最终排放控制在国家和地方排放标准。本文主要通过笔者多年研究及实践出发，简要谈谈ROFA与传统低氮分级燃烧系统的区别及对燃烧和后续脱硝的影响。

1 ROFA与OFA，SOFA介绍

随着国家和地方对环保要求的日益严格，国内相关单位都在研究设计新的低氮分级燃烧技术，在燃烧前期利用非添加化学反应剂的方法，通过物理手段在炉内来降低氮氧化物的初始排放，降低后续的脱硝成本。为达到较好的效果，目前主流的低氮分级燃烧方式主要是通过ROFA，OFA和SOFA三种分级燃烧技术来降低NOx的原始排放，为后续SNCR和SCR减轻负担。

ROFA是上海卫源节能环保科技有限公司（摩博泰科公司）自主研发并拥有其专利的一种空气分级燃烧技术，该技术已经成功运用到国内外上百套火力发电厂、石化、冶金等行业电站锅炉和工业锅炉上，并取得良好的脱硝效果和客户的一致好评。ROFA系统是国际上比较先进的煤粉锅炉炉内分级燃烧技术，该系统风源主要取自空预器出口二次风母管，其风量占锅炉总风量的20～30%，ROFA风利用高压离心风机升压后产生的高动能再通过高于主燃烧器一定距离的非对称布置的ROFA集成喷射箱高速送入炉膛进行，实现炉膛整体分级燃烧。采用该方法可以降低NOx的排放值为50～60%。

OFA是美国上世纪50～60年代开发的低氮分级燃烧技术，它是将空气分两个阶段燃烧。第一阶段将供主燃烧器的空气量减少到理论空气量的80%左右，抑制NOx的生成量。第二阶段将剩余的20%的空气通过主燃烧器上方的喷口（OFA喷口）送入炉膛，完成全部燃烧过程。采用该方法可以降低NOx的排放15～30%。

SOFA是由OFA派生出来的一种分级燃烧技术，现在好多公司或研究机构在OFA基础上不断改进发展，经过多年的实践，并配置不同形式的低氮燃烧器，在炉内抑制NOx的排放比OFA有所进步，一般达到30～40%。

2 ROFA与OFA，SOFA等的比较分析

2.1 取风方式

ROFA风主要从空预器出口二次风母管引出，然后利用高压离心风机将二次热风通过安装在锅炉上的非对称布置的空气喷嘴将高速射流风喷入炉膛。由于取风口远离燃烧区主风箱，所以压力不会造成太大的波动，对风箱风压影响较小，因此对主燃烧器区域的风源不会造成太大的波动，炉内的物料场，温度场，空气动力场相对比较平稳。而OFA和SOFA风直接从二次风箱引出，由于就近风量的抽走，对风箱内的压力波动比较大，从而导致燃烧器二次风喷口压力波动，燃烧不稳定。endprint

2.2 喷口高度

OFA风喷口一般紧挨燃烧器最上层喷口布置；SOFA风喷口比OFA略高，一般距离燃烧器一次风喷口3米左右；而ROFA风喷口一般距离燃烧器最上层一次风喷口5～6米左右；根据低氮燃烧分级原理，送风位置越高，还原深度越好，分级燃烧效果越好，脱氮效果更明显。

2.3 抽取风量

OFA系统抽取风量一般为锅炉总风量的5～10%；SOFA系统抽取风量一般为锅炉总风量的15～20%；而ROFA系统抽取风量一般为锅炉总风量的20～30%；燃烧区参与燃烧的空气量越少，还原性气氛就越浓烈，抑制NOx的产生。

2.4 喷射速度

燃料和空气的混合，温度的均布，动力场的稳定在低氮分级燃烧系统中取决于外界输送的初始动能。OFA和SOFA风直接来自二次风箱，压力取决于风箱压力，喷射速度小，动能小，对炉膛内的物料空气混合作用小，难免出现燃料或空气高浓度局部聚集区及局部高温区，对锅炉的稳定燃烧，燃烧器和锅炉受热面结焦及NOx的抑制都有不利影响。而ROFA风来自于空预器出口母管，并通过高压离心风机二次增压，喷射压力高，动能大，射流速度大，对炉膛形成的涡流扰动大，使燃料和空气快速均匀混合，加速了物料、烟气、空气与锅炉受热面的传热，提高了换热效果，抑制了炉膛高温，减少了NOx的生成。

从以上分析得知，ROFA风的抽取位置由于远离主燃区风源，不会对主燃区的送风压力产生波动，从而不破坏原有的空气动力场平衡；而分级风量和喷射位置的提高又加强了燃烧区的還原性气氛，抑制了NOx的生成；高速的射流在炉膛内带来的旋转涡流又使炉膛内的物料场和温度场趋于平衡，从而带来燃料在燃烧区的稳定燃烧和燃尽，结焦和腐蚀的降低，与锅炉受热面换热效果的提高等。

3 ROFA抽取风量后对锅炉燃烧的影响

一般情况下，主燃烧区风量的减少对锅炉燃烧的影响，主要体现在结焦加剧、底渣和飞灰含碳量增加及锅炉负荷下降的影响，这些都是业主方比较关心的问题。这些不仅涉及到锅炉安全运行，同时这些因素的变化也是锅炉运行人员考核的指标。因此，ROFA技术方案的介入，必然会带给电厂相关人员一些猜忌和心里负担。为了消除顾虑，项目立项前就必须帮他们分析讲解此技术为何不会带来燃烧方面的负面影响，从而有利于该技术最终被他们接纳及最终实施。下面根据笔者多年研究及实践经验，主要以国内做过低氮分级燃烧和未做过低氮分级燃烧的锅炉为例，分析利用ROFA技术不会带来这些不利影响的真正原因。

3.1 针对未做过低氮分级燃烧改造过的锅炉

1）由于一般锅炉设计时，实际燃烧一定量的燃料所需要的空气量一般比理论值要多，即留有一定的空气过量系数，同时由于燃烧器在设计时均会综合考虑锅炉负荷及风量范围，来保证燃烧器稳定燃烧及燃料燃尽；ROFA抽取一定风量后，为了保证燃烧区原有的空气动力场平衡，会对二次风喷口稍做调整，维持原来的射流速度，因此，即使ROFA将一部分风从主燃区抽走，由于输入的燃烧空气量本来就存在一定余量和燃烧器对风量本来就有一个适用范围及燃烧区动力场的及时调整，不会加剧主燃区结焦。

2）由于ROFA风的介入，ROFA风以高速射流的方式喷入炉膛上部空间，以旋涡的形式在炉膛整个断面空间传递，使炉膛内的物料场，空气场混合均匀，温度场趋于稳定，同时由于射流力的作用，延缓了燃料及空气在下部空间的停留时间，燃烧器区域部分空气不至于还未燃烧就随着烟气上升到炉膛上部空间，保证了燃料在炉膛下部空间充分燃烧，底渣含碳不会增加，甚至能得到一定程度的减少。

3）由于主燃烧器区部分燃料碳未来得及燃烧可能会随着烟气上升导致担心不完全燃烧而排出炉外，造成飞灰含碳量上升，未燃尽碳增加，锅炉负荷降低，为了保证设计负荷，又不得不增加燃料，而燃料的增加又导致后续除尘引风系统负荷过重，这样迫使运行人员为了保证锅炉稳定和安全，不得不采取措施减少燃料，负荷随之下降。这点其实大可放心，即使部分未燃尽碳会随着烟气上升到炉膛上部空间，但由于ROFA的作用，加上后面还有特殊混流结构设计的折焰角也对物料、烟气、空气混合起到一定辅助作用，未燃尽碳会在ROFA和折焰角区域保持够长的停留时间，在这段时间内，未燃尽碳和空气中的氮在高温下会与氧 “竞争”，根据化学元素活性表，N原子的活性远远比C原子要低，因此未燃尽碳会迅速燃烧，而氮由于缺氧无法反应只能随着烟气排出炉外，这样既保证了飞灰含碳量不增反降，锅炉负荷维持如前，甚至由于换热面效果的提高，负荷还能有一定程度上提高，NOx也得到了一定的抑制。

3.2 针对做过低氮分级燃烧改造过的锅炉

做过低氮分级燃烧改造（如OFA和SOFA）的锅炉，在设计的时候就充分考虑了下部主燃烧区的空气量，所以即使抽调20%～30%的空气，主燃区所需要的空气量仍然是够的，但目前，尽管国内有好多做低氮分级燃烧的厂家，但做得成功的却比较少，未达到低氮设计的目的，主要是燃烧器未发挥低氮分级效果，因为实际运行时当从主燃区抽取一定风量后，国内几乎所有此类锅炉均会发生燃烧器区域结焦加剧、飞灰底渣含碳量增加、锅炉负荷降低等情况。所以电厂运行人员为了保证燃烧器安全稳定运行，只能通过运行调整的方式，将抽走的风量又返回到主燃烧器上，来缓解这些现象。这样一来，主燃烧区温度随之上升，燃烧空气量增加，NOX上升，燃烧器失去了原有的低氮分级燃烧效果。

而ROFA就不一样，前面已经讲过，由于ROFA 喷口处的高动能射流产生强烈的旋转扰动涡流，打破了炉内的大片层状流动，使得燃烧区域的温度场和物料场分布更为均匀。从而改善了炉内的烟气温度分布，物料分布，热量吸收，因此不仅使燃烧区温度稳定，不会产生局部高温，结焦不会因此加剧，燃料在炉内也能充分燃烧燃尽，降低了飞灰和底渣含碳量。同时由于主燃烧区空气量的减少，还原性气氛浓烈，NOX生成越少，而ROFA区域上部空间也由于ROFA的作用，NOX也受到抑制，从而达到了低氮分级燃烧的效果。

4 ROFA对后续脱硝的影响

ROFA由于其能很好地将物料、烟气、空气很好地混合和温度均布，必然导致后续SNCR和SCR系统中喷入的还原剂能与烟气良好混合，还原剂液滴与烟气中NOX反应接触面积大，反应速度快，脱硝效率高，从而减少还原剂总耗量，而均布的流场又使得烟气流稳定，降低了喷枪、导流装置、催化剂等的磨损。而OFA和SOFA喷射速度仅取决于风箱风压，其混流效果远不如ROFA，这必然导致其不能给SNCR和SCR带来比较积极的影响。

5 总结

ROFA低氮分级燃烧技术由于其特有的先进设计理念，将锅炉优化燃烧和低氮排放有机地结合在一起，不仅是一种区别于传统的低氮分级燃烧技术解决方案，更为后续的化学手段脱硝减轻了负担，节约了能源。随着该技术的不断成熟和发展，该技术将会应用到国内外更多项目，为当今世界的节能减排工作作出贡献。

【参考文献】

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