低氮燃燒技術(shù)原理培訓(xùn)教程

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京能集團(tuán)運(yùn)行人員培訓(xùn)教程

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低氮燃燒技術(shù)原理

IowNOXcombustiontechnoIogy

MAJ

TDNO.100.2

目錄

1低氮燃燒技術(shù)....................................................................0

1.1NOX產(chǎn)生機(jī)理與抑制方法.....................................................0

1.2影響NOX生成量的因素.......................................................5

2.低氮燃燒技術(shù)................................................................12

2.1基本原理.................................................................12

3.空氣分級低NOX燃燒技術(shù)原理及其技術(shù)特征分析..................................13

3.1空氣分級燃燒的基本原理..................................................14

3.2空氣分級燃燒的要緊形式..................................................14

3.3軸向空氣分級燃燒的影響因素..............................................15

3.4徑向空氣分級燃燒的影響因素..............................................15

3.5燃盡風(fēng)的種類............................................................15

3.6燃盡風(fēng)布置方式的選擇....................................................21

3.7空氣分級燃燒技術(shù)的應(yīng)用前景..............................................22

4.燃料分級燃燒................................................................23

4.1燃料再燃的原理..........................................................23

4.2再燃燃料的選擇..........................................................24

4.3再燃燃料的選取..........................................................24

4.4影響再燃效果的要緊因素..................................................26

4.5燃料再燃技術(shù)的進(jìn)展前景..................................................26

5.煙氣再循環(huán)低NOX燃燒技術(shù)原理及其技術(shù)特征分析................................26

5.1煙氣再循環(huán)機(jī)理..........................................................26

5.2煙氣再循環(huán)率的選擇......................................................27

5.3利用煙氣再循環(huán)實(shí)現(xiàn)HTAC..........................................................................................................27

6.低NOX燃燒器技術(shù)原理及型式..................................................28

6.1低NOX燃燒器的原理......................................................28

6.2直流煤粉燃燒器..........................................................28

6.3旋流煤粉燃燒器..........................................................31

6.4雙調(diào)風(fēng)燃燒器............................................................32

7.低NOX燃燒器的進(jìn)展前景......................................................38

8題庫...........................................................................40

1低氮燃燒技術(shù)

1.1NOX產(chǎn)生機(jī)理與抑制方法

鍋爐燃燒過程中成成的氮氧化物(要緊是NO與N0J嚴(yán)重地污染了環(huán)境。因此，抑制

NOX的生成已成為大容量鍋爐的燃燒器設(shè)計(jì)及運(yùn)行時務(wù)必考慮的要緊問題之一。鍋爐燃燒過

程中產(chǎn)生的NOX通?？煞譃槿箢悾杭礋崃π蚇OX(ThermaolNOX)、燃料型NOX(FeulNOX)、

與快速型NOX(PromptNOX)。上述3種氮氧化物的構(gòu)成隨燃料含氮量不一致有差別。關(guān)于

燃煤，通常燃料型NOX占70%?85%,熱力型NOX占15%?25%,其余為少量的快速型

NOX?

1500

(

E

/

3

E1000

、)

X

O

N

500

100014001800

爐膛溫度/力

圖1-1不一致類型NOX生成量與爐膛溫度的關(guān)系

1.1.1熱力型：

熱力型NOX是高溫下空氣中氮?dú)庋趸?，其生成機(jī)理是由原蘇聯(lián)科學(xué)家捷里道維奇

提出來的。溫度對熱力型NOX的影響十分非常明顯，熱力型NOX又稱之溫度型NOX。當(dāng)燃

燒溫度低于1800K時，熱力NOX生成極少；當(dāng)溫度高于1800K時，反應(yīng)逐步明顯，且隨溫

度的升高，NOX生成量急劇升高。操縱熱力型NOX的關(guān)鍵在于降低燃燒溫度水平，避免局

部高溫。

(1)產(chǎn)生機(jī)理：

1)化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)物、生成物活化能的影響：

按澤爾多維奇機(jī)理，NO生成可用如下一組不分支連鎖反應(yīng)來說明。

。2一0+0

N2+O->NO+N

N+ch-NO+o

上述反應(yīng)是一個連鎖反應(yīng)，決定NO生成速度的是原子N的生成速度，反應(yīng)式

N+O2-NO+O相比于式N2+0TN0+N是相當(dāng)迅速的，因而影響NO生成速度的關(guān)鍵反應(yīng)鏈

是反應(yīng)式W+O-NO+N,反應(yīng)式N2+O-NO+N是一個吸熱反應(yīng)，反應(yīng)的活化能由反應(yīng)式

反應(yīng)與氧分子離解反應(yīng)的活化能構(gòu)成，其與為542X103j/mol。分子氮比較穩(wěn)固，只有較大的

活化能才能把它氧化成NO,在反應(yīng)中氧原子的作用是活化鏈接的環(huán)節(jié)，它源于02在高溫條

件下的分解。熱力型NOX的生成量伴隨氧氣濃度與溫度的增大而加大。正由于氧原子與氮

分子反應(yīng)的活化能很大，而原子氧與燃料中可燃成份反應(yīng)的活化能又很小，在燃燒火焰中生

成的原子氧很容易與燃料中可燃成份反應(yīng)，在火焰中不可能生成大量的NO,NO的生成反

應(yīng)基本上在燃料燃燒完了之后才進(jìn)行。熱力型NOX的生成速度要比相應(yīng)的碳等可燃成份燃

燒速度慢，要緊生成區(qū)域是在火焰的下游位置。

2）反應(yīng)時間的影響：

在鍋爐燃燒水平下，NO生成反應(yīng)還沒有達(dá)到化學(xué)平衡，因而NO的生成量將隨煙氣在

高溫區(qū)內(nèi)的停留時間增長而增大。另外，氧氣的濃度直接影響NO的生成量，氧濃度水平越

高，N。的生成量就會越多。當(dāng)溫度高于1500℃時，N。生成反應(yīng)變得十分明顯，隨著溫度

的升高，反應(yīng)速度按阿累尼烏斯定律按指數(shù)規(guī)律迅速增加。通過實(shí)驗(yàn)得到，溫度在1500℃

以上鄰近變化時，溫度每升高100℃,上述反應(yīng)的速度將增大6-7倍?？梢姕囟染哂袥Q定性

影響。因此也就把這種在高溫下空氣中的氮氧化物稱之為溫度型NOXo

（2）熱力型NOX的抑制：

熱力型NOX的產(chǎn)生源于空氣中的氮?dú)庠?500°C以上的高溫反應(yīng)環(huán)境下氧化，因此，操

縱熱力型NOX的要緊從一下幾方面入手：

1）降低燃燒反應(yīng)是的溫度，躲開其反應(yīng)所需要的高溫環(huán)境；

2）使氧氣濃度處于較低的水平；

3）減少空氣中的氮?dú)鉂舛龋?/p>

4）縮短熱力型NOX生成區(qū)的停留時間。

通常來說，工業(yè)燃燒過程中以空氣為氧化劑時操縱此的濃度不容易實(shí)現(xiàn)，而富氧燃燒

或者純氧燃燒技術(shù)就是以減少W從而減少熱力型NOX的一種方法。降低燃燒溫度在工程實(shí)

踐中是通過向火焰面噴射水/水蒸氣來實(shí)現(xiàn)的。降低氧濃度能夠通過煙氣循環(huán)來實(shí)現(xiàn)。使一

部分煙氣與新鮮空氣混合，既能夠降低氧濃度，同時能夠降低火焰的溫度。此外分級燃燒與

濃淡燃燒技術(shù)也能夠操縱熱力型NOX。

1.1.2快速型：

快速型NOX要緊是指燃料中的碳?xì)浠衔镌谌剂蠞舛容^高區(qū)域燃燒時所產(chǎn)生的燒與燃

燒空氣中的N2分子發(fā)生反應(yīng)形成的CN、HCN,繼續(xù)氧化而生成氮氧化物。因此，快速型氮

氧化物要緊產(chǎn)生于碳?xì)浠衔锖枯^高、氧濃度較低的富燃料區(qū)?快速溫度型NOX是空氣中

的氮分子在著火初始階段，與燃料燃燒的中間產(chǎn)物燃(CHi)等發(fā)生撞擊，生成中間產(chǎn)物HCN

與CN等，在經(jīng)氧化最后生成NOX。其轉(zhuǎn)化率取決于過程中空氣過剩條件與溫度水平。

(1)產(chǎn)生機(jī)理：

快速溫度型NOX的產(chǎn)生是由于氧原子濃度遠(yuǎn)超過氧分子離解的平衡濃度的緣故。測定

發(fā)現(xiàn)氧原子的濃度比平衡時的濃度高出十倍，同時發(fā)現(xiàn)在火焰內(nèi)部，由于反應(yīng)快，0、0H、

H的濃度偏離其平衡濃度，其反應(yīng)如下：

H+C)2-0H+0

O+H2-0H+H

OH+H2TH20+H

可見，快速溫度型N0X的生成能夠用擴(kuò)大的澤爾多維奇機(jī)懂得釋，但不遵守氧分子離

析反應(yīng)處于平衡狀態(tài)這一假定。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著燃燒溫度上升，首先出現(xiàn)HCN,在火焰面內(nèi)到達(dá)最高點(diǎn)，在火焰面背

后降低下來。在HCN濃度降低的同時，N0生成量急劇上升。還發(fā)現(xiàn)在HCN濃度經(jīng)最高點(diǎn)

轉(zhuǎn)入下降階段時，有大量的NHi存在，這些胺化合物進(jìn)一步氧化生成NO。其中HCN是重要

的中間產(chǎn)物，90%的快速溫度型NOX是經(jīng)HCN而產(chǎn)生的?？焖贉囟刃蚇OX的生成量受溫度

的影響不大，而與壓力的0.5次方成正比。在煤粉爐中，其生成量很小，通常在5%下列。

正常情況下，對不含氮元素的碳?xì)淙剂系妮^低溫度的燃燒反應(yīng)中，才著重考慮快速型NOX。

(2)快速型NOX的抑制原理

快速型NOX的特征是溫度依靠性低，生成速度快。根據(jù)快速型NOX的生成機(jī)理考慮，

它是由N2分子與CHI自由基反應(yīng)生成的HCN,HCN又被數(shù)個基元反應(yīng)氧化而成的。因此

快速型NOX的操縱要緊從兩個方面來入手考慮:抑制N2分子與CHI自由基的反應(yīng)與HCN的

多個基元反應(yīng)。

1.1.3燃料型：

燃料型NOX是燃料中氮化合物在燃燒過程中熱分解且氧化而生成的，是燃煤電廠鍋爐

產(chǎn)生氮氧化物的要緊途徑，其生成量要緊與氧濃度(化學(xué)當(dāng)量比)有關(guān)。燃料型NOX包含

揮發(fā)分中均相生成的NOX與由殘焦中異相生成的NOX兩部分。揮發(fā)分中的氮要緊以HCN與

NHi的形式析出，隨后氧化生成NOX。焦炭中氮能夠通過異相反應(yīng)氧化生成NOX。其中由揮

發(fā)分燃料氮轉(zhuǎn)化而成的燃料型NOX（簡稱揮發(fā)分燃料型NOX）約占60%?80%,由焦炭燃

料氮轉(zhuǎn)化而成的NOX（簡稱焦炭燃料型NOX）約占20%?40%。

燃料中氮的化合物中氮是以原子狀態(tài)與各類碳?xì)浠衔锝Y(jié)合的，與空氣中氮相比，其結(jié)

合鍵能量較小，因而這些有機(jī)化合物中的原子氮較容易分解出來,氮原子的生成量大大增加，

液體與固體燃料燃燒時，由于氮的有機(jī)化合物放出大量的氮原子，因此不管是揮發(fā)燃燒中還

是焦炭燃燒階段都生成大量的NO。就煤而言，燃料氮向NOX轉(zhuǎn)化過程大致有三個階段:首

先是有機(jī)氮化合物隨揮發(fā)分析出一部分，其次是揮發(fā)分中氮化合物燃燒，最后是炭骸中有機(jī)

氮燃燒。

（1）產(chǎn)生機(jī)理：

燃料燃燒時，燃料氮幾乎全部迅速分解生成中間產(chǎn)物I，假如有含氧化合物R存在時，則

這些中間產(chǎn)物1（指N,CN,HCN與NHi等化合物與R（指O,。2與OH等）反應(yīng)生成NO,同

時I還能夠與NO發(fā)生反應(yīng)生成N2:

燃料（N）-I

I+R-NO+.......

I+NO—N2.......

燃煤中的氮分為揮發(fā)性氮與焦炭氮，其中揮發(fā)性氮被釋放后含有一定量的NH3,并按下

式進(jìn)行反應(yīng)：

NH3+O2-N0+.......

焦炭N+C）2->N0+.......

燃煤中的氮生成NOX要緊取決于煤中的含氮量，顯然煤中的含氮量越高，生成的NOX

越多。當(dāng)鍋爐內(nèi)生成NOX時，還存在一系列氧化還原反應(yīng)。

燃料氮的轉(zhuǎn)化率要緊受溫度、過量空氣系數(shù)（富裕氧濃度）與燃料含氮量的影響，通常在

10%~45%范圍內(nèi)。

隨著氮的轉(zhuǎn)化率（要緊受溫度影響）升高，燃料氮轉(zhuǎn)化率不斷提高，但這要緊發(fā)生在700℃

~8000c溫度區(qū)間內(nèi)。由于燃料N。既可通過均相反應(yīng)又可通過多相反應(yīng)生成，燃燒溫度很低

時，絕大部分氮留在焦炭內(nèi)；而溫度很高時，70%-90%的氮以揮發(fā)分形式析出。浙江大學(xué)研

究說明，850℃時，70%的NO來自焦炭燃燒；1150℃時，這一比例降至50%。由于多相反應(yīng)

的限速機(jī)理，在高溫時可能向擴(kuò)散操縱方向轉(zhuǎn)變，故溫度超過900℃以后，燃料氮轉(zhuǎn)化率只

有少量升高。

其要緊的生成階段是燃燒起始時候，在煤粉爐占NOX生成總量的約60%—80%左右，

目前對燃料型NOX的研究仍在繼續(xù)深入。燃煤中氮元素的含量通常約為0.5%~2.5%,以N

原子狀態(tài)與煤中的碳?xì)浠衔锵嗑o密結(jié)合，以鏈狀或者環(huán)狀形式存在，要緊是以N-C與N-H

鍵的形式存在，N-C與N-H鍵要比分子氮的N-N鍵能小的多，更容易被氧化斷裂生成NOX,

從這個反應(yīng)的機(jī)理能夠看出燃料型NOX要比熱力型NOX更容易產(chǎn)生。由于這種氮氧化物是

燃料中的氮化合物通過熱分解與氧化產(chǎn)生的，故稱之為燃料型NOX。

而焦炭氮煤在通常的燃燒溫度下以產(chǎn)生燃料型與熱力型NOX為主，對不含氮的碳型燃

料，只在較低溫度燃燒時，才需要重點(diǎn)考慮快速型NOX,而當(dāng)溫度超過1000℃時，則要緊

生成熱力型NOXo可見，降低燃燒溫度可有效減少NO的生成，但當(dāng)溫度降低到900℃下列

時，燃料N向此0的轉(zhuǎn)化率將提高。因此，僅通過降低燃燒溫度來操縱NOX的排放是不夠

的，需要兼顧各方面因素。

(2)燃料NOX的抑制:

經(jīng)理論與試驗(yàn)研究結(jié)果說明，煤粉中氮轉(zhuǎn)化成NOX的量要緊取決于爐內(nèi)過量空氣系數(shù)

的高低，當(dāng)煤粉在缺氧狀態(tài)下燃燒時，揮發(fā)出來的N與C,H競爭環(huán)境中不足的氧氣。但是

由于氮競爭能力相對較弱，這就減少了NOX的形成；氮雖競爭氧能力較差，但是卻能夠之

間相互作用而生成無害的氮?dú)夥肿?。由以上結(jié)論能夠看出，在富燃料條件下降低爐內(nèi)的過量

空氣系數(shù)能在很大程度上抑制燃料型NOX的生成。

同時，燃料中的含氮量也是影響燃料型NOX生成的一個重要因素。研究發(fā)現(xiàn)，含氮量

越高的燃料生成NOX的轉(zhuǎn)化率越低。但是由于基數(shù)相對較大，實(shí)際燃燒過程中高含氮量燃

料最終所產(chǎn)生的燃料型NOX要遠(yuǎn)大于含氮量低的燃料。研究說明燃料中的氮是在較低溫度

下就開始分解，故溫度對燃料型NOX的生成影響不是很大。

綜上所述，降低燃料型NOX的要緊因素是減少反應(yīng)環(huán)境中的氧氣濃度，使煤粉在a<l

環(huán)境中進(jìn)行燃燒反應(yīng)；在擴(kuò)散燃燒時候推遲空氣與燃料的混合；在同意條件下應(yīng)當(dāng)燃用含氮

量低的燃煤。

燃燒過程中最終生成的N。濃度與燃料中氮全部轉(zhuǎn)化成NO時的濃度比為燃料型NOX的

轉(zhuǎn)化率CR=【最終生成的NO濃度】4-【燃料全部轉(zhuǎn)化成NO的濃度】

試驗(yàn)研究說明，影響CR的要緊因素是煤種特性與爐內(nèi)的燃燒條件。

用揮發(fā)分化學(xué)當(dāng)量比(SRVStoichiometricRatioofVolatile)來表征揮發(fā)分燃燒過程中的

氣氛。

對揮發(fā)份析出時刻進(jìn)行氣氛的有效操縱，能夠有效抑制NOX的生成，這一結(jié)論從微觀

角度驗(yàn)證了空氣分級技術(shù)對NOX深層操縱的可行性。

1.2影響NOX生成量的因素

1.2.1煤質(zhì)條件

煤是一種含有大量C,H,0與少量S,N等有機(jī)物與部分無機(jī)物的沉積巖。煤里面的N

原子通常是以鏈狀或者者環(huán)狀兩種形態(tài)存在于物質(zhì)當(dāng)中，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，假如N以環(huán)狀形態(tài)

存在于物質(zhì)中，通過燃燒通常不可能轉(zhuǎn)化成為氮氧化物，因此對環(huán)境的污染相對較少，但是

假如以鏈狀的形態(tài)存在于物質(zhì)中，通過劇烈的燃燒化學(xué)反應(yīng)多數(shù)被氧化成氮氧化物，造成大

氣污染。然而煤中的N元素的要緊存在形式為鏈狀，因此煤燃燒過程就伴隨大量的氮氧化

物的產(chǎn)生。

(1)煤質(zhì)氮含量：

常規(guī)燃料中，除天然氣基本上不含氮化物外，其他燃料或者多或者少地含有氮化物，其

中石油的平均含氮量為0.65%左右，煤的含氮量通常在0.5%?2.5%左右。通常，燃料中大約

20%?80%的N轉(zhuǎn)化為NOX,其中NO又占90%?95%。當(dāng)燃料中的N含量超過0.1%時，燃

料型NOX排放將是最要緊的。燃料的N含量增加時，盡管生成的燃料型NOX量增加，但

NOX的轉(zhuǎn)化率卻減少；煤的燃料比FC/V越高，NOX的轉(zhuǎn)化率越低。

(2)揮發(fā)分含量

我國發(fā)電用煤中N與揮發(fā)分含量：關(guān)于所考察數(shù)據(jù)庫中的煤種，隨干燥無灰基揮發(fā)分

含量(Vdaf)的增加，收到基N含量(Nar)呈逐步降低的趨勢，只有少數(shù)揮發(fā)分很高的褐煤稍偏

離這一趨勢。

鍋爐燃用煤種要緊是貧煤與煙煤，但揮發(fā)分含量在20%?30%之間的較少，由于這一

范圍的煙煤要緊是煉焦煤.不用作鍋爐燃料關(guān)于所統(tǒng)計(jì)的鍋爐與煤種。燃煤高揮發(fā)分含量

煤的鍋爐NO排放量通常較低。相比起來，燃用貧煤比燃用煙煤的鍋爐N。排放質(zhì)量濃度高

得多,如圖1-2、圖1-3。

SI空氣系數(shù)a過量空氣系數(shù)a

圖-2無煙煤揮發(fā)份氮nv與a關(guān)系圖1-3煙煤揮發(fā)份氮nv與a關(guān)系

國內(nèi)外大量的實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果與實(shí)際鍋爐現(xiàn)場試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)說明，煤的揮發(fā)分含量是影響

鍋爐NOX生成與排放量的要緊因素之一，這是由于煤中揮發(fā)分的釋放與燃燒相當(dāng)程度上決

定了煤粉火焰特別是燃燒初期高溫區(qū)的溫度及其分布，因此.在燃燒空氣充分的條件下.高

揮發(fā)分煤燃燒的火焰溫度高，這種情況下燃燒生成的NOX質(zhì)量濃度隨煤的揮發(fā)分的增加而

增加，但另一方面.揮發(fā)分的釋放與快速燃燒可迅速、大量消耗0,導(dǎo)致燃燒初期火焰區(qū)

貧氧甚至出現(xiàn)還原氣氛區(qū)。從而抑制揮發(fā)分氮向N0X的轉(zhuǎn)化與燃料N0X的生成，這是低

N0X煤粉燃燒器操縱N0X生成的要緊根據(jù)之一。如今，煤中揮發(fā)分含量增加，隨熱解析出

到火焰中的氮通常較多且較多地被還原。因而鍋爐生成的N0X隨煤中揮發(fā)分含量的增加而

降低。

1.2.2鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)與運(yùn)行條件

(1)低N0X燃燒系統(tǒng)的影響

通過低N0X燃燒器對煤粉的燃燒組織，促進(jìn)揮發(fā)分析及揮發(fā)分氮的大量析出，通過主

燃燒區(qū)低過量空氣系數(shù)抑制揮發(fā)分氮向N0的轉(zhuǎn)化，而爐內(nèi)深度空氣分級的使用則促進(jìn)NOX

的還原，高揮發(fā)分煤因相對N含量低且燃料N的轉(zhuǎn)換可得到有效抑制，因此這種操縱方式

對高揮發(fā)分煤NOX排放操縱更為有效。

(2)焦氮含量隨溫度變化趨勢，如圖1-4

（3）煤粉細(xì)粒對燃料N轉(zhuǎn)化為揮發(fā)分N比例的影響，如圖1-5

90

80

70

60

50

40+120-1500

30―11-120目

20

1070-1000

050100150200300400500600700800

時間（ms）

圖1-5

（4）機(jī)組負(fù)荷對氮氧化物排放影響

機(jī)組負(fù)荷的高低直接影響了爐膛溫度的高低,而溫度對熱力型與快速型氮氧化物的影響

很大，從而對氮氧化物的排放產(chǎn)生影響，因此不一致負(fù)荷下氮氧化物的排放也有不一致。如

圖1-6,說明降低爐膛溫度也是降低氮氧化物的一個重要思路，但是鍋爐運(yùn)行爐內(nèi)溫度不宜

過度的降低（特別是鍋爐燃用劣質(zhì)煤）會導(dǎo)致鍋爐的低負(fù)荷穩(wěn)燃性能降低、燃燒效率降低，甚

至有熄火的危險。

苣

>

運(yùn)

§送

百

機(jī)組負(fù)荷（rwy

圖1-6

(5)爐膛氧量對氮氧化物排放影響

對神華煤燃燒過程中試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

當(dāng)SRV值小于1.1時，NO析出量很小，當(dāng)SRV大于1.11時，揮發(fā)份燃燒后02開始有

部分剩余，造成HCN,NK等前驅(qū)物的大量氧化，引起N。的快速增加。

在SRV=1.58之后，能夠明顯觀察到焦炭的燃燒，同時隨著量的增加，加速了5從

周圍空間向焦炭表面的擴(kuò)散，焦炭的非均相氧化，焦炭NOX也會迅速增加。在SRV增大到

2.38時達(dá)到最大值，隨后隨SRV增大開始呈現(xiàn)下降趨勢。適當(dāng)?shù)母邷赜欣谠缙趽]發(fā)份的

快速析出，降低整體NOX析出比例，如圖1-7

200-

180-

160-

溝140-

悵120-

H

N100-

80-

二

O60-

N

W40-

W20-

0-

0.00.51.01.52.02.53.03.5

SRV

圖1-7

(6)NOX排放量與一次風(fēng)的關(guān)系

傳統(tǒng)鍋爐設(shè)計(jì)一次風(fēng)配比方式，見表1-1

F燥無灰基揮發(fā)一次風(fēng)率

煤種

分含量Vdaf/%直流燃燒器旋流燃燒器SRV

無煙煤2?80.15?0.22.5-7.5

貧煤8?190.15?0.21.06?1.875

20?300.25?0.31.0?1.25

煙煤

30?40-0.30.3-0.4^1.0

褐煤40?50—0.35—0.40.8-0.875

推薦值SRV<1.0

表1-1

氧

等腰塔塔當(dāng)

正

均束倒，

——-

?時

一TT同

相

式

方

風(fēng)

配

，

下

況

工

W

M

0

0

3

90在

-1-

11，

圖著

圖顯

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從

量從4%降至2%時，通常NOX的排放量能減少150~350mg/m3左右。氧量降低對NOX排放

的減少要緊原因是當(dāng)氧量減少時，燃料型NOX的生成明顯減少所致。

應(yīng)操縱一次風(fēng)的SRV<1.0,在煤粉著火之間找到最佳值，同時避免二次空氣在揮發(fā)份燃

燒階段過早混入。

（7）風(fēng)、煤配比對氮氧化物排放影響

隨著氧量的降低，相同配風(fēng)方式下NOX的排放濃度也逐步降低，NOX的排放濃度排放

濃度與配風(fēng)方式正塔、均等、束腰、倒塔依次呈降低趨勢。說明配風(fēng)方式對NOX的排放濃

度影響顯著。

1）正塔配風(fēng)時，由于煤粉燃燒所需的空氣在燃燒初期就已大量混入主燃燒區(qū)，主燃燒

區(qū)氧化性氣氛較濃，因此導(dǎo)致燃燒區(qū)的NOX生成得不到有效抑制，盡管這種燃燒方式下，

主燃燒區(qū)溫度比其他方式低，但由于燃料型NOX的生成在燃燒初期呈主導(dǎo)地位，因此，該

方式下NOX的排放濃度是最高的。

2）均等配風(fēng)方式與束腰配風(fēng)方式下，NOX的排放特性接近，相比均等配風(fēng)方式略比束

腰配風(fēng)排放低。兩種配風(fēng)方式下NOX的生成量均低于正塔配風(fēng)方式，要緊是由于這兩種配

風(fēng)方式下，主燃燒區(qū)的氧濃度均低于正塔配風(fēng)方式，從而抑制了燃料型NOX的生成，如圖

l-lla

1—2獐,最

■3碑,量

4海,量

圖1-11

3)預(yù)期束腰方式下NOX的排放要低于均等配風(fēng)，但實(shí)際兩者排放特性相近，且束腰

方式下的NOX的排放要略高于均等配風(fēng)，這要緊是由于束腰方式盡管更能抑制燃料NOX的

生成，但由于該方式下，火焰中心溫度較高，熱力型NOX生成量增加，兩者相抵，導(dǎo)致兩

種配風(fēng)方式下NOX排放濃度接近。

4）使用倒塔配風(fēng)或者倒塔、束腰的組合配風(fēng)方式對NOX生成的抑制效果最為明顯，

只

有使用這種配風(fēng)方式，才能比較有效地實(shí)現(xiàn)燃料與空氣分級，從而有效地降低NOX的生成

量。

5）盡管使用倒塔配風(fēng)與倒塔束腰的組合配風(fēng)方式對NOX的排放濃度降低效果明顯，

但務(wù)必在一定條件下合理使用正確的配風(fēng)方式，否則將對鍋爐運(yùn)行安全與經(jīng)濟(jì)性均產(chǎn)生不利

影響。

（8）降低氮氧化物排放對鍋爐效率影響

1）低氧燃燒方式對鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響

使用低氧燃燒方式對鍋爐經(jīng)濟(jì)性有利，同時能有效操縱NOX的生成，是大型煙煤鍋爐

上能夠推廣使用的運(yùn)行方式。

2）配風(fēng)方式對鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響

研究結(jié)果說明，鍋爐一、二次風(fēng)配風(fēng)方式會對鍋爐的燃燒經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大影響。與鍋爐

正常運(yùn)行的正塔、均等配風(fēng)方式相比，使用倒塔運(yùn)行方式盡管能更有效地降低鍋爐NOX的排

放，但使用此配風(fēng)方式會對鍋爐經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利的影響。

研究說明，在燃燒系統(tǒng)優(yōu)化改造的基礎(chǔ)上，使用低氧燃燒方式與倒束腰的配風(fēng)方式均可

有效降低NOX的排放。假如將兩種方法適當(dāng)組合、聯(lián)合應(yīng)用，能夠取得降低NOX排放量的良

好效果。通過燃燒優(yōu)化，使得在一定條件下，同時實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高鍋爐效率，降低NOX

排放。

研究說明，使用低氧燃燒與配風(fēng)方式相結(jié)合的方式能大幅度降低NOX排放量。但是，但

由于現(xiàn)有燃燒器的布置無法達(dá)到燃燒空氣軸向深度分級、在燃盡風(fēng)與主燃燒器之間無法形成

足夠的還原空間，NOX的排放量仍無法達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)450mg/m｝的要求。說明目前傳統(tǒng)的低氮

燃燒方式難以達(dá)到我國現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

近年來.新建燃煤電站鍋爐均使用了先進(jìn)低NOX燃燒系統(tǒng)低NOX燃燒技術(shù)的快速進(jìn)展

與應(yīng)用，顯著影響鍋爐的運(yùn)行性能.鍋爐NOX排放特性及各影響因素的影響趨勢也隨低NOX

燃燒技術(shù)的使用而變化對使用先進(jìn)低NOX燃燒系統(tǒng)的鍋爐，要緊是根據(jù)煤的燃燒特性來實(shí)現(xiàn)

NOX排放操縱，相應(yīng)的燃煤揮發(fā)分含量高則NOX度通常降低HI。在煤粉鍋爐中燃料NOX占

NOX生成量的大部分。燃料NOX的生成量不僅取決于煤中的含氮量，還取決于其他煤質(zhì)特

性參數(shù).這些參數(shù)要緊通過影響煤的熱解、燃燒特性而影響燃料N的轉(zhuǎn)化與NOX的生成影

響燃料NOX生成的要緊煤質(zhì)特性是煤中氮與揮發(fā)分含量，此外顆粒尺寸分布、熱解速度、揮

發(fā)分與焦燃燒速度也影響NOX的生成。

2.低氮燃燒技術(shù)

從熱力型對、燃料型與快速型三種NOX生成機(jī)理能夠得出抑制NOX生成與促使破壞NOX

的途徑，圖2-1中還原氣氛箭頭所指即抑制與促使NOX破壞的途徑。

2.1基本原理

2.1.1.低過量空氣燃燒：

低過量空氣燃燒是傳統(tǒng)常用的低氮燃燒技術(shù),如圖2-2是使燃燒過程盡可能在接近理論

空氣量的條件下進(jìn)行,隨著煙氣中過量氧的減少,能夠抑制NOX的生成。這是一種最簡單的

降低NOX排放的方法。通常可降低NOX排放15—20%。但如爐內(nèi)氧濃度過低（3%下列），會

造成濃度急劇增加，增加化學(xué)不完全燃燒熱缺失，引起飛灰含碳量增加，燃燒效率下降。因

此在鍋爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行時，應(yīng)選取最合理的過量空氣系數(shù)。

25

液態(tài)排渣爐

固態(tài)排渣爐

圖2-2剩系數(shù)對NOX生成量的影響

2.1.2.降低助燃空氣預(yù)熱溫度

燃燒空氣由27℃預(yù)熱到315°C,NO排放量增加3倍，如圖2-3

空氣預(yù)熱溫度/石

圖2-3熱溫度對天然氣燃燒系統(tǒng)NOX生成量的影響

3.空氣分級低NOX燃燒技術(shù)原理及其技術(shù)特征分析

3.1空氣分級燃燒的基本原理

空氣分級燃燒技術(shù)是美國在20世紀(jì)50年代首先進(jìn)展起來的，它是目前使用最為普遍的

低NOX燃燒技術(shù)之一?？諝夥旨壢紵幕驹頌椋簩⑷紵璧目諝饬糠殖蓛杉壦腿?，

使第一級燃燒區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)在0.8左右，燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒，使得燃燒

速度與溫度降低，因而抑制了熱力型NOX的生成。同時，燃燒生成的CO與NO進(jìn)行還原反

應(yīng)，與燃料N分解成中間產(chǎn)物（如NH、CN、HCN與NH3等）相互作用或者與NO還原分解，

抑制了燃料型NOX的生成；在二級燃燒區(qū)內(nèi)，將燃燒用的空氣的剩余部分以二次空氣輸入,

成為富氧燃燒區(qū)。由于此區(qū)域溫度已降低，新生成的NOX量有限，因此，總體上NOX的排

放量少，最終空氣分級燃燒可使NOX生成量降低30%?50%。

3.2空氣分級燃燒的要緊形式

空氣分級燃燒的實(shí)現(xiàn)有多種形式，但要緊有軸向與徑向分級燃燒兩種。

軸向分級燃燒（OFA方式）,如圖3T：

軸向分級燃燒方式即火上風(fēng)方式，是將燃燒所需的二次風(fēng)分兩部分進(jìn)入爐膛：一部分為

主二次風(fēng)，約占二次風(fēng)總量的70%?85%；另一部分為火上風(fēng)（也稱燃盡風(fēng)OFA）,約占二次

風(fēng)量的15%?30%。如此，爐膛內(nèi)形成3個燃燒區(qū)域，即熱解區(qū)、貧氧區(qū)與富氧區(qū)，如下圖

所示。熱解區(qū)中煤粉與一次風(fēng)混合燃燒，會生成少量的熱力型NOX；貧氧區(qū)中燃料不完全燃

燒，抑制了燃料性NOX的生成；富氧區(qū)中火上風(fēng)促成了燃料的完全燃燒。整個過程減少了

熱力型NOX的生成，同時抑制了燃料型NOX的生亦降低了NOX的總排放量，實(shí)現(xiàn)了高效

低NOX燃燒的要求。

圖3T軸向空氣分級燃燒示意圖圖3-2徑向空氣分級燃燒示意圖

徑向分級燃燒，如圖3-2：

將二次風(fēng)射流軸線向水冷壁偏轉(zhuǎn)一定角度，形成一次風(fēng)煤粉氣流在內(nèi)、二次風(fēng)在外的徑

向分級燃燒。如今，沿爐膛水平徑向把煤粉的燃燒區(qū)域分成位于爐膛中心的貧氧區(qū)與水冷壁

鄰近的富氧區(qū)。由于二次風(fēng)射流向水冷壁偏轉(zhuǎn)，推遲了二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合，降低了燃燒

中心氧氣濃度，使燃燒中心a<l,煤粉在缺氧條件下燃燒，抑制了NOX的生成，NOX的排

放濃度降低。由于在水冷壁鄰近形成氧化性氣氛,可防止或者減輕水冷壁的高溫腐蝕與結(jié)焦。

3.3軸向空氣分級燃燒的影響因素

燃盡風(fēng)噴口與燃燒器最上層一次風(fēng)噴口的距離H：

距離大，分級效果好，NOX下降幅度大，但飛灰可燃物會增加。合適的距離與爐膛結(jié)構(gòu)、

燃料種類有關(guān)。根據(jù)前蘇聯(lián)全蘇熱工研究所試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。H由下式計(jì)算：

"=1.5x(%“/10/

燃盡風(fēng)份額：風(fēng)量大，分級效果好，但可能引起燃燒器區(qū)域嚴(yán)重缺氧而出現(xiàn)受熱面結(jié)焦

與高溫腐蝕。關(guān)于煤粉爐，合理的燃盡風(fēng)占鍋爐總風(fēng)量的15%?20%左右。

燃盡風(fēng)風(fēng)速：燃盡風(fēng)要有足夠高的流速，以保證與煙氣的良好混合。燃盡風(fēng)速約為45?

50m/s合適。

燃盡風(fēng)噴口布置方式：常見的是角置式OFA噴口，也有使用墻置式結(jié)構(gòu)，即OFA噴口

沿爐膛四面墻布置。

3.4徑向空氣分級燃燒的影響因素

要緊是二次風(fēng)的偏轉(zhuǎn)角度，偏轉(zhuǎn)角度大，N0X排放量下降幅度大，但飛灰可燃物也會增

多，合適的偏轉(zhuǎn)角度因煤種而異。

3.5燃盡風(fēng)的種類

3.5.1緊湊型燃盡風(fēng)(CCOFA)

CCOFA(Close-coupledOverFiredAir)也稱之強(qiáng)耦合式燃盡風(fēng)，通常緊鄰最上層燃燒器

布置，由大風(fēng)箱供風(fēng)。它能夠減少富燃料區(qū)的反應(yīng)時間，增加貧燃料區(qū)或者燃盡區(qū)的反應(yīng)時

間。其布置結(jié)構(gòu)如圖3-3所示：

[SOFA

CCOFM

CCOEM

ZE

E

DE

[

CD

C

BC

B

AB

A

AA

⑻Cross-sectionalviewoffurnace(b)Frontviewofburners

圖3-3爐內(nèi)空氣分級結(jié)構(gòu)示意圖

在前些年投產(chǎn)的300MW等級機(jī)組鍋爐中，幾乎都使用了CCOFA技術(shù)，CCOFA風(fēng)量通常

只占總風(fēng)量的15%左右，可使鍋爐NOX排放量操縱在650mg/m3左右。

3.5.2分離燃盡風(fēng)(SOFA)

SOFA(SeparatedOverFiredAir)是另一種燃盡風(fēng)形式，其風(fēng)速通常設(shè)計(jì)為50m/s。SOFA

風(fēng)布置在遠(yuǎn)離燃燒器的位置，與主燃燒器拉開一定距離。當(dāng)前300MW與600MW機(jī)組鍋爐

的典型設(shè)計(jì)中，SOFA風(fēng)與上一次風(fēng)的距離通常都在8米左右。表3-1給出了國內(nèi)部分電廠

深度分級燃燒布置的尺寸。

國內(nèi)部分電廠深度分級燃燒布置尺寸

序名稱單位外高橋一黃埔電廠外高橋二寶鋼電

廠3號爐5、6號爐rr

i號爐

1機(jī)組容量MW300300900350

2緊靠型燃盡風(fēng)7qqX

3緊靠型燃盡風(fēng)數(shù)量個84——

4分離型燃盡風(fēng)4qq

5分離型燃盡風(fēng)數(shù)量個/層8/212/3