低氮燃烧技术教材.docx
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低氮燃烧技术教材
燃煤锅炉的低NOx燃烧技术
NOx是对N2O、NO2、NO、N2O5以及PAN等氮氧化物的统称。
在煤的燃烧过程中，NOx生成物主要是NO和NO2，其中尤以NO是最为重要。
实验表明，常规燃煤锅炉中NO生成量占NOx总量的90%以上，NO2只是在高温烟气在急速冷却时由部分NO转化生成的。
N2O之所以引起关注，是由于其在低温燃烧的流化床锅炉中有较高的排放量，同是与地球变暖现象有关，对于N2O的生成和抑制的内容我们将结合流化床燃烧技术进行介绍。
因此在本章的讨论中，NOx即可以理解为NO和NO2。
一、燃煤锅炉NOx的生成机理
根据NOx中氮的来源及生成途径，燃煤锅炉中NOx的生成机理可以分为三类：
即热力型、燃料型和快速型，在这三者中，又以燃料型为主。
它们各自的生成量和炉膛温度的关系如图3-1所示。
试验表明，燃煤过程生成的NOx中NO占总量的90%，NO2只占5%～10%。
1、热力型NOx
热力型NOx是参与燃烧的空气中的氮在高温下氧化产生的，其生成过程是一个不分支的链式反应，又称为捷里多维奇（Zeldovich）机理
（3-1）
（3-2）
（3-3）
如考虑下列反应
（3-4）
则称为扩大的捷里多维奇机理。
由于N≡N三键键能很高，因此空气中的氮非常稳定，在室温下，几乎没有NOx生成。
但随着温度的升高，根据阿仑尼乌斯（Arrhenius）定律，化学反应速率按指数规律迅速增加。
实验表明，当温度超过1200℃时，已经有少量的NOx生成，在超过1500℃后，温度每增加100℃，反应速率将增加6～7倍，NOx的生成量也有明显的增加，如图3-1所示。
但总体上来说，热力型NOx的反应速度要比燃烧反应慢，而且温度对其生成起着决定性的影响。
对于煤的燃烧过程，通常热力型NOx不是主要的，可以不予考虑。
一般来说通过降低火焰温度、控制氧浓度以及缩短煤在高温区的停留时间可以抑制热力型NOx的生成。
2、快速型NOx
快速型NOx中的氮的来源也是空气中的氮，但它是遵循一条不同于捷里多维奇机理的途径而快速生成的。
其生成机理十分复杂，如图3-2所示。
通常认为快速型NOx是由燃烧过程中的形成活跃的中间产物CHi与空气中的氮反应形成HCN、NH和N等，再进一步氧化而形成的。
在煤的燃烧过程中，煤炭挥发分中的碳氢化合物在高温条件下发生热分解，生成活性很强的碳化氢自由基（CH·，CH2·），这些活化的CHi和空气中的氮反应生成中间产物HCN、NH和N，随后又进一步被氧化成NO，实验表明这个过程只需60ms，故称为快速型NOx，这一机理是由费尼莫（Fenimore）发现的，所以又称为费尼莫机理。
（3-5）
（3-6）
由图3-1可以看出，在煤粉燃烧过程中快速型NOx生成量很小，大致在（10～100）×10-6，且和温度关系不大。
但随着NOx排放标准的日益严格，对于某些碳氢化合物气体燃料的燃烧，快速型NOx的生成也应该得到重视。
3、燃料型NOx
由燃料中的N生成的NOx称为燃料型NOx，由图3-1可知，燃料型NOx是煤粉燃烧过程中NOx的主要来源，占总量60%～80%。
同时由于煤的热解温度低于其燃烧温度，因此在600～800℃时就会生成燃料型NOx，而且其生成量受温度不大。
煤的氮含量在0.4%～2.9%之间，且随其产地的不同有较大差异。
煤中绝大多数的氮都是以有机氮的形式存在。
在燃烧过程中，一部分含氮的有机化合物挥发并受热裂解生成N、CN、HCN和NHi等中间产物，随后再氧化生成NOx；另一部分焦炭中的剩余氮在焦炭燃烧过程中被氧化成NOx，因此燃料型NOx又分为挥发分NOx和焦炭NOx。
该过程如图3-3所示。
实验表明，在通常的燃烧条件下，燃煤锅炉中大约只有20%～25%的燃料氮转化为NOx，而且受燃烧过程空气量影响很大，常用过量空气系数（α）来表示燃烧过程空气量的多少，一般定义在化学当量比下的过量空气系数为1，大于1表示空气过量，小于1表示空气量不足。
如图3-4所示，当过量空气系数α=0.7时，燃料型NOx的生成量接近于零，然后随过量空气系数的增加而增加。
同时进一步研究表明，焦炭氮向NOx的转化率很低，大多数燃料型NOx属于挥发分NOx，以上知识对于研究和开发燃料型NOx的控制技术是相当重要的。
煤燃烧的氮氧化物形成实际上是一个非常复杂的过程，与煤种、燃烧方式及燃烧过程的控制密切相关。
对于各种不同的煤种的原始NOx排放情况，一般来说无烟煤燃烧时的NOx排放量最大，褐煤燃烧时为最小，这不但与煤种有关，更重要的是与煤的燃烧方式有关，煤中的挥发分越低，燃烧时为了燃烧的要求，组织的燃烧温度越高，同时风量一般也最大，就形成了原始的NOx排放也越高。
图3-5所示的是不同的燃煤锅炉炉型所产生的原始NOx排放量的状况，从图中可以看来，对于循环流化床锅炉具有最好的低NOx排放性能，原始排放量最大的是液态排渣煤粉炉，这也是为什么目前液态炉用得不多的原因之一。
图3-6进一步给出了都是煤粉炉不同燃烧方式的条件下的NOx排放量，从图中可以看出，从NOx原始排放量来看，最佳的是固态排渣的切向燃烧锅炉，这类锅炉也是煤粉炉中应用最广的一种炉型。
在图3-6中同时还给出了为了满足环保要求，不同炉型的NOx排放控制要求的简单线算方法，因此通过这张图就可以初步判断用什么方法可以达到排放的要求。
二、燃煤锅炉的低NOx燃烧技术
低NOx燃烧技术就是根据NOx的生成机理，在煤的燃烧过程中通过改变燃烧条件、或合理组织燃烧方式等方法来抑制NOx生成的燃烧技术。
正如前文所述，在燃煤过程中燃料型NOx，尤其是挥发分NOx的生成量占的比例最大，因此低NOx燃烧技术的基本出发点就是抑制燃料型NOx的生成。
根据燃料型NOx的生成机理，可以将其生成过程归纳为如下竞争反应
燃料氮→I
（R1）
（R2）
其中I代表含氮的中间产物（N、CN、HCN和NHi），RO代表含氧原子的化学组分（OH，O，O2）。
反应R1是指含氮的中间产物被氧化生成NOx的过程，反应R2指生成的NOx被含氮中间产物还原成N2的反应。
因此抑制燃料型NOx的生成，就是如何设计出使还原反应R2显著的优先于氧化反应R1的条件和气氛。
除此之外，抑制热力型NOx的生成也能在一定程度上减小NOx的排放量，只是效果很小。
一般来讲抑制热力型NOx的主要原则是：
①降低过量空气系数和氧气的浓度，使煤粉在缺氧的条件下燃烧；
②降低燃烧温度并控制燃烧区的温度分布，防止出现局部高温区；
③缩短烟气在高温区的停留时间。
显然，以上原则多数与煤粉炉降低飞灰含碳量、提高燃尽率的原则相矛盾，因此在设计开发低NOx燃烧技术时必须全面考虑。
目前常见的低NOx燃烧技术主要有：
低NOx燃烧器技术、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术（又称再燃技术）和烟气再循环技术。
各项技术的利用方式也不同，在燃煤锅炉中的布置位置也不同，如图3-7所示。
1、烟气再循环技术
烟气再循环法是指将一部分燃烧后的烟气再返回燃烧区循环使用的方法。
由于这部分烟气的温度较低（140～180℃）、含氧量也较低（8%左右），因此可以同时降低炉内的燃烧区温度和氧气浓度，从而有效地抑制了热力型NOx的生成。
循环烟气可以直接喷入炉内，或用来输送二次燃料，或与空气混合后掺混到燃烧空气中，工业实际中最后一种方法效果最好，应用也最多，如图3-8所示。
用于再循环的烟气量与不采用再循环时的总烟气量的比值称为再循环率，再循环率与NOx排放量的关系如图3-9。
但是，再循环率的提高是有限度的，循环烟量的增加，入口处速度增大，会使燃烧趋于不稳定，发生脱火现象同时增加了未完全燃烧的热损失；一般再循环率控制在15%～20%，此时NOx排放可以降低25%左右。
另外该法需要添加配套设备如风机、风道等，使系统变得复杂并增加了投资，对于旧机组改造时往往受到场地的限制。
由于热力型NOx在燃煤锅炉中生成比例较小，所以该方法对降低总NOx排放的效果也相对较小。
另外必须注意的是，采用烟气再循环技术虽然降低了燃烧温度和氧气浓度，但也从而造成未燃炭的增加。
2、空气分级燃烧技术
空气分级燃烧技术是目前最为普遍的低NOx燃烧技术，它是通过调整燃烧器及其附近的区域或是整个炉膛区域内空气和燃料的混合状态，在保证总体过量空气系数不变的基础上，使燃料经历“富燃料燃烧”和“富氧燃尽”两个阶段，以实现总体NOx排放量大幅下降的燃烧控制技术。
空气分级燃烧之所以能从总体上减少NOx排放的基本原理是：
在富燃料燃烧阶段，由于氧气浓度较低，燃料的燃烧速度和温度都比正常过氧燃烧要低，从而抑制了热力型NOx的生成，同是由于不能完全燃烧，部分中间产物如HCN和NH3会将部分已生成的NOx还原成N2，从而使燃料型NOx的排放也有所减少。
然后在富氧燃烧阶段，燃料燃尽，但由于此区域的温度已经降低，新生成的NOx量十分有限，因此总体上NOx的排放量明显减少。
在空气分级燃烧技术中，合理的分配两级燃烧的过量空气系数是影响NOx排放控制效果的关键因素。
经验表明：
富燃料区的过量空气系数如果太低，煤粉不易点燃而且燃烧不稳定；如果太高，则NOx的生成量也会上升，一般取0.8左右。
根据分级燃烧实现的区域和方式，可大致分为通过燃烧器设计实现空气分级、通过加装一次风稳燃体实现空气分级和通过炉膛布风实现空气分级三类。
①通过燃烧器设计实现空气分级。
对煤粉炉来讲，燃烧器是燃烧系统中最为重要的设备，它的结构和布置直接决定了燃料和空气的混合情况，从而影响到燃料的着火及燃烧过程。
不管是何种燃烧器，空气的送入通常都已经分了一次风、二次风和三次风等，这为进一步的分级燃烧降低NOx的形成创造了良好的条件。
因此可以通过燃烧器设计来实现空气分级燃烧，彩图2是正在安装中的低氮氧化物燃烧器。
在所利用不同方法实现降低NOx排放的燃烧器，即低NOx燃烧器（LNB）中，空气分级方式是最为常见的。
对于直流燃烧器和旋流燃烧器，其组织煤粉燃烧的方式不同，一般直流燃烧器采用四角切圆布置，通过整体火焰发生旋转来强化煤粉和空气的混合；而旋流则采用墙式燃烧，通常靠二次风的旋转来使气流强烈混合。
由此采用两类燃烧器产生生的混合和燃烧情况是不相同的，所以采用的空气分级方式也不一样。
如图3-10所示，同轴燃烧技术又有两种形式：
一种是使同轴的两个切圆旋转方向同向；另一个则是反向。
一般同向时会加剧炉内整体旋转的动量，引起炉膛出口烟气与空气的混合。
在实际应用中，经常在炉内的不同高度分别布置反向和正向切圆，既可以使混合程度加强，也可以互相产生抵消降低炉内整体的旋转。
如图3-11为某燃烧烟煤的300MW锅炉同轴燃烧系统中一次风、二次风的布置，其各层的二次均采用反向的方式。
b.直流燃烧器浓淡燃料燃烧技术。
燃料浓淡燃烧的基本原理是在燃烧器喷口前，经过惯性分离等方法使一次煤粉气流分离成煤粉浓度不同的两股煤粉气流，一股煤粉气流实现富燃料燃烧，其火焰稳定，有利于着火过程，同时由于其相对含氧量低，可有效控制燃料型NOx的形成；另一股煤粉气流进行贫燃料燃烧，燃烧温度较低，可使热反应型NOx生成量减少，然后再混合完成整个燃烧过程。
通常燃料可以在水平或是垂直方向上实现浓淡分离。
水平浓淡燃烧方式见图3-12。
将浓相煤粉气流喷向向火侧，稀相煤粉气流喷向背火侧，形成内浓外稀两层切圆的分级燃烧方式。
垂直浓淡燃烧方式是将一次煤粉气流分离成两股后，将原来的一个一次风喷口分成垂直方向分开有一定距离的上下两个喷口，从而形成上下浓淡的燃烧方式。
图3-13所示为日本三菱公司的PM型低NOx燃烧器，这是一种典型的垂直浓淡燃烧技术。
一次风和煤粉混合气流在进入燃烧器前，先经过一个弯头进行惯性分离，因煤粉的密度大于气体而因惯性分离成浓煤粉气流进入上面的燃料相对富的喷口，而相对煤粉浓度较低的煤粉气流进入下面的贫燃料喷口，从而实现了上下垂直浓淡燃烧。
实验表明这种浓淡燃烧方式可以降低NOx的排放30%左右。
c.旋流燃烧器空气分级技术。
旋流燃烧器是更为广泛应用于燃煤锅炉的燃烧器形式，它一般采用墙式燃烧。
传统的旋流燃烧器的特点是一次风煤粉气流以直流或旋流的方式进入炉膛，二次风从煤粉气流的外侧转进入炉膛。
射流的强烈旋转使两股气流进入炉膛后立即强烈混合，卷吸大量易着火的高温烟气，在着火端形成氧气过量的燃烧区域，而且火焰短，放热集中，易出现局部的火焰峰值区，所以传统的旋流燃烧器比四角直流燃烧的NOx排放量高的多。
因此为了降低其NOx的排放量，关键是需要尽可能延长煤粉燃烧时与二次风混合的时间，避免形成高温富氧的环境。
图3-14为低NOx旋流燃烧器的基本设计原理，煤粉和一次风在燃烧器喷嘴处附近形成高温气氛区Ⅰ、Ⅱ。
在区域Ⅰ内，煤粉迅速燃烧，并发生热分解过程释放出氮气。
在区域Ⅱ，外部叶轮强力的空气旋转力形成内部高循环区域，大量的NOx在这个区域形成。
在区域Ⅲ，由内部叶轮产生的高温空气促进了挥发分燃烧，确保火焰的稳定性，同时造成内部环境的高温化。
而在区域Ⅳ，通过外侧叶轮进入的空气在局部范围形成了燃料过剩区，从而迫使释放出来的燃料氮向N2还原。
提高燃料的温度可以使煤炭中挥发性气体的发生量增加，同时煤炭中挥发性氮化合物的释放量也增加，这些化合物在还原性气氛下均可被还原为N2。
因此高温下燃料过剩区的形成起着极为关键的作用。
低NOx旋流燃烧器目前应用较广，表3-1是几种常见的低NOx旋流燃烧器的制造商及其主要特点。
图3-15、图3-16分别是DRB型和NR型典型的结构图。
②通过加装一次风稳燃体实现空气分级燃烧。
在燃烧器喷口处增设不同形状的稳燃体不仅可以起到稳定燃烧和强化着火的作用，同时可以改变喷口区域空气与煤粉的混合和流动状态，使之在某些区域首先发生富燃料反应，因此也是一种简单的分级燃烧方式。
其中比较典型的有清华大学开发的火焰稳定船低NOx燃烧技术。
该技术在直流燃烧器喷口附近增设了一个类似于船体的稳燃体，由于它是研究直流燃烧器在低负荷下燃烧低质煤稳燃问题时的成果，因此称之为船形稳定器。
但在研究中发现它除了能够稳燃以外，还具有降低NOx生成的效果。
如图3-17所示是该技术在燃烧大同烟煤时实测的温度分布，以及通过数值计算得到的煤粉高浓度区。
可以看到由于气流发生弯曲，部分惯性较大的煤粉发生分离并形成富燃料区，这里的温度在900～1000℃，既能保证煤的燃烧，还能有效地控制NOx的生成。
随着燃烧的进行煤粉同是向前运动，与外部的空气混合并完全燃烧。
这正符合空气分级的原理。
图3-18所示为在有船体和无船体两种情况下，NOx排放浓度的测量结果，可以看出整体上增加了船体后NOx排放降低了40%左右。
1998年年底北京市实行严格的控制大气污染的28条措施，其中之一就是在电站锅炉上采用这种燃烧器，应用表明，该技术降低NOx的排放可达35%以上。
③通过炉膛布风实现空气分级燃烧。
仅通过燃烧器周围进行分级燃烧，燃料在富燃料区停留时间往往不够，NOx的还原还未达到平衡，而且富氧区的温度较高，燃料燃烧会有新的NOx生成，因此NOx的最终排放量下降幅度不是很大。
通过炉膛布风空气分级燃烧将范围扩大到接近整个炉膛，可以合理地控制燃料在富燃料区的停留时间，并使富氧区的温度降得更低。
其基本方法是，使燃烧器附近的空气过量系数控制在0.8左右，发生富燃料燃烧。
然后在燃烧器上方通入剩余空气，在第一段燃烧区所生成的烟气混合，在富氧的条件下完成全部燃烧过程。
在工业上第二段通入的空气又称火上风OFA（overfireair）。
其示意图3-19中SOFA即采用炉膛布风时的火上风。
由于燃烧器附近均为还原性气氛，灰熔点比氧化气氛中降低100～120℃，容易引起结渣和水冷壁高温腐蚀，因此尽可能防止高温还原性气流和炉墙接触，工业上常采用的方法是通边界风“boundaryair”，在炉底或侧墙上布置风口，让空气沿炉墙上升，保持水冷壁表面的氧化性气氛防止结渣和水冷壁的高温腐蚀。
在同等条件下，仅采用这种方式进行分级燃烧，也可以减少20%～30%的NOx排放量，在实际工程中，往往将它与低NOx燃烧器同时应用，以提高降低NOx排放的效果。
这类方法对于直流四角燃烧锅炉和旋流燃烧锅炉均可采用。
3、燃料分级燃烧技术
在空气分级燃烧技术中，煤粉先进行的是富燃料燃烧，不利于点燃和稳定燃烧，为此燃料再燃烧技术采用的是另一个思路，即煤粉先经过完全燃烧，生成NOx，然后现利用燃料中的还原性物质将其还原，从而减少NOx排放。
与空气分级燃烧技术类似，燃料再燃烧技术有通过燃烧器实现燃料分级和炉膛内燃料再燃两类。
①通过燃烧器实现燃料分级。
燃料分级燃烧器原理就是在燃烧器内将燃料分级供入，使一次风和煤粉入口的着火区在富氧条件下燃烧，提高了着火的稳定性，然后再与上方喷口进入的再燃燃料混合，进行再燃。
此类燃烧器中最具代表性的是德国Steinmuller公司MSM低NOx燃烧器，由于应用并不广，这里不详细介绍。
②炉膛内燃料再燃。
如图3-20，燃料再燃法将整个炉膛分成了主燃区、再燃区和燃尽区三个部分。
在主燃区，约80%的燃料在富氧条件下点燃并完全燃烧，此处的过量空气系数保持大于1，生成一定NOx；其余的燃料在再燃区送入，与主燃区生成烟气及未燃尽煤粒混合，形成还原性气氛，此处的总的过量空气系数小于1。
燃料中的C、CO、烃以及部分还原性氮，将NOx还原成分子氮，如
最后在再燃区的上方通入过量空气（火上风），使总的过量空气系数大于1，使未燃烧的燃料完全燃烧，因此称为燃尽区。
但由于此时的温度已经降低，NOx生成量并不大。
燃料再燃烧法的再燃燃料可以选用煤粉、天然气或燃料油等。
由于再燃区范围往往较窄，燃料的停留时间较短，因此再燃燃料需要容易着火，如果选用煤粉，通常采用高挥发分的煤种，且磨制成超细粉，这往往使工艺复杂，成本提高。
所以采用天然气再燃其工艺就比较简单，同时天然气中杂质氮很少，本身燃烧不会增加NOx的生成，是比较有效的二次燃料。
三、低NOx燃烧技术
随着针对NOx排放的控制标准越来越严格，单一低NOx燃烧技术往往不能满足实际要求，在先进的燃煤锅炉系统中，通常结合各类低NOx燃烧技术以实现最低的排放量和最佳的经济性。
在实际工程中，如仅采用低NOx燃烧器，排放量减少率在50%以内，如果仅采用烟气循环、分段燃烧等方式，其减排能力还要低。
因此往往将以上基本技术结合起来形成一套低NOx燃烧系统，以使NOx排放的减少率最高：
如低NOx燃烧器和空气分段燃烧系统，低NOx燃烧器和天然气再燃技术等。
1、低NOx燃烧器和空气分段燃烧技术
如图3-21所示为美国洁净煤计划示范工程之一，设在Hammond电站4号机组500MWe煤粉炉中的低NOx燃烧系统，它结合了FW公司的低NOx燃烧器和先进的火上风技术（AFOF），即分段燃烧技术。
在该套系统中，AOFA在普通OFA的基础上增进混合，保证燃料的燃尽。
采用的FW公司的CFSF型NOx燃烧器将气体和燃料的混合气流分成四股，从而减小了燃烧器区域煤和空气的混合程度，强化了该处的分级燃烧，有效地控制了NOx的生成。
该锅炉燃用的是含硫量1.7%的美国东部烟煤，其长期运行监测的结果如图3-2所示，可见当将低NOx燃烧器与分段燃烧技术结合起来时，NOx排放量的下降率有明显提高，同时飞灰未燃尽损失的增加也有所降低。
2、低NOx燃烧器和天然气再燃技术
图3-22是美国另一个洁净煤示范工程，设在Cherokee电站3号机组172MWe煤粉锅炉上的低NOx燃烧系统。
它结合了EERC的天然气再燃技术GR和FW公司的低NOx燃烧器技术。
将天然气（热值不超过总发热量的25%）通入锅炉的再燃区，同时在再燃区上方设有OFA，以保证燃料充分燃尽。
由于采用了烟气再燃，因此低NOx燃烧器区域可以通入过量的空气，使燃烧稳定且完全。
在第一代系统中同时还引入了烟气再循环技术，循环烟气与天然气混合后通入再燃区。
锅炉燃用含硫量为0.4%的低硫烟煤，表3-3是工程实际运行的监测结果，非常明显的是引入天然气再循环后NOx排放量的降低率增长达20个百分点。
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