浅析燃煤电厂燃烧器及低氮燃烧

摘要：随着锅炉机组朝着大容量高参数方向发展，实现高效燃烧，减少污染物排放，提升煤种适应性，提升运行安全性和可靠性是现代燃烧技术追求的目标。这其中，有效降低氮氧化物排放量更是摆在了首位。

关键词：NOx 低氮燃烧；高效；分级；燃尽风

一、前言

NOx包括NO、NO2、N2O、N2O4、N2O5，在煤的燃烧过程中形成的NOx主要为NO和NO2，其中NO占NOx排放总量的90%以上。按生成机理的不同，NOx分为热反应型NOx，瞬时反应型NOx和燃料型NOx三种，在燃煤锅炉中燃料型NOx的排放量占NOx总排放量的80%以上。

【热反应型NOx】：由空气中的N2在高温下氧化而生成。气温在不断上涨的时候反应速度也在不断提高，经过不断证明，当燃烧的气温低于1500摄氏度时，NOx的生成量很小；超过1500℃时，温度每增加100℃，反应速度将增大6～7倍。

随着温度的升高，其反应速度按指数规律迅速增加。试验表明，在燃烧温度低于1500℃时，NOx的生成量很小；超过1500℃时，温度每增加100℃，反应速度将增大6～7倍。由于氧原子与氮分子反应的活化能很大，因此氧原子和燃料分子的反应先于氧原子与氮分子的反应。热反应性NOx的生成基本上是在燃料燃烧后期才发生。在锅炉炉膛中的温度水平下，热反应型NOx的生成量不大。

【瞬时反应型NOx】：是由碳氢燃料高温热分解产生的CH自由基和空气中的N2反应生产HCN和N，它们再以极快的速度进一步与空气中的氧反应生产NO，反应时间只需约60ms，故称瞬时反应型NOx。瞬时反应型NOx虽在高温下生成，

但生成量与温度的变化关系不大。在燃煤锅炉中，瞬时反应型NOx的生成量很小。

燃烧过程中生成的瞬时反应型NOx和热反应型NOx中的氮都来自于燃烧用空气，因此两者可以合称为高温型NOx。

【燃料型NOx】：它是由燃料中的氮与氧反应生成。煤中的燃料氮在受热时首先随挥发分一起析出的部分被称为挥发分氮，包括HCN， NH3和 CN等，在之后焦炭燃烧过程中析出的部分称为焦炭氮。析出的挥发分越多，燃料氮转化为挥发分氮的比例就越大。

挥发分氮（HCN， NH3和 CN等）遇氧会反应生成NOx，但若该阶段火焰处在还原性气氛中，挥发分中还存在碳氢化合物CHi，则CHi就会立即将已生成的NOx还原成N2，并且生成的N2在炉膛条件下基本不会再与氧反应生成NOx。而焦炭氮是在燃料燃烧后期焦炭燃烧过程中析出的，多数被氧化成NOx，而且难以被还原。因此一般煤的挥发分越高、灰分越低，煤的着火燃烧越强烈，挥发分氮就会越多，焦炭氮就越少，火焰内的还原性气氛也越强，最终生成NOx的趋势也越低。

在通常燃烧温度下，多数的NOx是由挥发分氮生成，对于高挥发分煤种，挥发分氮形成的NOx是焦炭氮形成的NOx的2.5倍。

由于燃料氮越容易变成挥发分氮，煤粉的挥发越快挥发分析出煤粉，也形成了还原性气氛（CHi），进而形成NOx。因此，强化燃烧，促进挥发分析出，控制一次燃烧区域内的氧浓度，可有效控制总NOx的生成量。

就低氮燃烧而言，氮氧化物产生与还原也与煤粉颗粒一起在炉内燃烧，煤粉和空气混合在一起的主要是生成HCN、NHi等。

作为还原性的化合物也多与NOx发生反应，并未与O2发生氧化反应生成NOx。另外，还有其他办法可以解决，比如快速着火，高温燃烧，浓淡燃烧，控制空气同煤粉气流的适时混合，也采用单喷口和全炉膛分级燃烧。

1.快速着火：一般情况下，煤粉较容易着火，就容易挥发出可以强烈燃烧并且能减少空气与煤粉气流混合的比率，另外散发着火区域就会形成还原性的气氛，热解析出的还原性介质最好不要与氧进行反应。

2.采用单喷口分级燃烧：可以在初期的时候使煤粉和空气流进行在一起，让煤粉气流和空气一起。采用单喷口分级，可以使挥发分NOx形成比较少，也可以在燃烧初期形成了尽可能多的还原性介质，为全炉膛分级还原做准备。

3.浓淡燃烧技术：一次风在燃烧器内部进行高效浓淡分离，确保快速着火，并降低NOx生成。

4.全炉膛分级燃烧，运用燃尽风布置，合理配置全炉膛的风量和氧量，是燃烧区域处于较低的化学当量比，减少还原性介质氧化性气氛下被氧化，便于燃烧初期剩下的还原性介质有一定的空间和时间，与燃烧初期生成的NOx和烧焦炭剩下的NOx进行作用。燃尽风的风量与上排燃烧器的排放也有很大关系。

二、前、后墙对冲燃烧低氮燃烧技术

（一）高效低污染旋流煤粉燃烧器

前、后墙对冲燃烧技术是目前600MW、1000MW等大容量锅炉机组广泛采用的主流燃烧技术，对冲燃烧锅炉采用旋流燃

烧器组织单个燃烧，使之具有更为良好的燃料、空气分布，热量进入沿炉膛宽度方向平均的布局，全部的炉膛里面烟温布局也十分的平均，这样便于降低高温区域受到压元件的改变和腐蚀，该旋流煤粉燃烧器，已在技术上形成了通用化、系列化，使用业绩显示，该燃烧器具有良好的煤种适应性，燃烧稳定高效、燃尽率高，氮氧化物排放量达到甚至低于同类型燃烧器的水平，该燃烧器简图如图1所示：

1.关键技术

1）采用了实现外浓内淡分离效果的煤粉浓缩器

采用了带有两级挡块的径向煤粉浓缩器，取到了外面浓，里面淡的煤粉中气流，在其中一个风管出口安排稳焰齿环及一、二次风导向锥，容易在口附近获得回流的区域与比较多的风端动度，非常容易的加大了燃烧器的低负荷稳燃性能和降低了NOx的生成。

2）选取合理的稳焰装置

该燃烧器上采用了成熟的稳焰齿环结构作为稳焰装置的主体，特殊的一、二次风导向锥和一、二次风夹心筒的组合结构的配合使用使燃烧器的稳燃作用更理想。

3）设置中心风管

通过调节中心风风量为运行油枪提供最佳配风并在燃煤时控制煤粉着火点，防止结焦并调节适合不同煤种的最佳火焰形状。

4）采用分级送风的双调风技术

分级供给燃烧用风，降低NOx排放量，同时保证煤粉的燃尽效率。二次风风门开度，三次风旋流器强度及风量可调，可以获得希望的气流旋流强度和风量大小，并保证同一个大风箱内各个燃烧器之间配风均匀并达到单个燃烧器的最佳配风组合，使燃烧器在运行中能达到最佳工况。

5）合理设计燃烧器结构

合理设计燃烧器结构尤其作为调节机构，可以确定燃烧器安装的可行，作为调节的机构，它的使用简单、灵活，容易检修。

2.主要结构

煤粉燃烧器将燃烧用空气分成四部分，一次风、二次风、三次风、中心风，参见图4。

1）一次风

一次风粉混合物开始进入燃烧器的一次风入口弯头，再经燃烧器一次风管与布置在一次风管中的煤粉浓缩器，然后通过一次风稳焰齿环和一次风导向锥喷入炉膛。

一、二次风管之间的夹心结构、一次风导向锥、稳焰齿环和旋转二、三次风的共同作用下，一、二次风分离并形成一个持续的不变的高温烟气环形回流区，这个回流区在一次风出口，可以把一次风射流包在内，回流的烟气温度持续很高；回流高温烟气，最开始加热的是高煤粉浓度气流，它用着火热大大降低；喷口出口处的稳焰齿环能提升煤粉气流的湍动度，这可以进一步提升煤粉气流的着火速度；一次风导向锥可以推迟二次风的混入，提高回流区域的温度，同时也降低了对着火热的需求。于是在这种因素的一起作用下，煤粉气流能离开燃烧器一次风喷口后很快的着火、并且能持续不断的燃烧。

一次风管、一次风弯头、煤粉浓缩器，稳焰齿环及一次风导向锥的向火侧等容易受到磨损的地方均采用特殊设计，保证其使用寿命。

2）二、三次风及其调节机构

燃烧器大风箱为运行燃烧器提供二次风和三次风，可以为停运燃烧器提供冷却风。二次风和三次风通过燃烧器内同心的二次风、三次风环形通道（内侧为二次风、外侧为三次风）在燃烧的不同阶段一起涌进炉内，实现分级供风。锅炉运行时通过调节燃烧器二次风和三次风可使燃烧器达到最完美的运行状态。

二次风通道内布置有轴向旋流器使经过的二次风产生旋转，进入到每一个燃烧器的二次风量可通过燃烧器上的二次风门的不同位置变化。二次风旋流器为固定式，不做调节。

燃烧器上切向布置有三次风门挡板，挡板开大时，旋流强度减小；挡板关小时，旋流强度增大，三次风量的大小主要靠风箱内的风压及二次风门的不同开度确定。

3）中心风

燃烧器内设有中心风管，其中布置有看火管。中心风管外层浓缩器只要是起到形成外浓内淡的作用，内层中心风能辅助调节燃烧器煤粉着火点的位置。

（二）燃尽风的布置

高效低污染旋流煤粉燃烧器采用了快速着火、单喷口分级燃烧及浓淡燃烧等降低NOx排放量的措施，为达到低排放的目的还需对全炉膛分级燃烧。实践证明，选取合适的燃尽风风率和煤粉燃烧器到燃尽风喷口的距离，可在不影响锅炉其他性能、参数的条件下显著降低NOx的生成量。 由此启发将燃尽风分两层布置在燃烧器上方，燃尽风率从20%～30%可调，实现全炉膛分级燃烧。布置两层燃尽风时的炉膛温度明显低于布置一层燃尽风时炉膛温度，可有效控制NOx的生成。

目前，350MW超临界前后墙项目已经运用了双层燃尽风送风的方式，确保最大限度的降低NOx，并保持较高的锅炉效率。

作者简介：

陈志勇，毕业学校：辽宁工程学院，热能动力工程专业；单位：辽宁大唐国际沈东热电有限责任公司；职务：工程部锅炉高级主管；职称：工程师（中级）。