低 NOx 燃烧技术原理及其技术性能分析

赵文帅 赵艳斌

华能沁北发电有限责任公司 459012

摘要：简要介绍了燃煤电厂NOx产生机理以及目前主流的低NOx燃烧技术原理。

关键词：低NOx燃烧技术；燃烧调整；锅炉燃烧效率；

1低NOx燃烧技术原理及技术性能分析

1.1空气分级燃烧

空气分级燃烧技术（Air Staging)最早是在美国发展起来的，是目前国内外普遍应用，比较成熟的低NOx燃烧技术。其基本原理是将燃烧所需空气分成两级送入，一级送入过量空气系数小于1,对于燃煤锅炉一般为理论空气量的70%~75%。其余空气经由布置在燃烧器上游的专门空气喷口OFA（Over Fire Air）送入炉膛继续完成燃烧。人为地形成准双区燃烧，即主燃烧区和燃烧完全区^[6]。

主燃烧区内由于缺氧使燃烧处于“富燃料燃烧（贫氧燃烧）”状态，燃烧速度和温度降低，抑制了热力型NOx的生成。此外，燃烧过程中生成的CO、NO、以及燃料中氮分解产生的CO、NO、HCN和NH₃等化合物相互复合作用同样也抑制了燃料型NOx的生成。

燃烧完全区内燃烧所需其余空气以二次空气输入，调整过量空气系数（过量空气系数大于1）使未燃尽燃料燃烧完全。此时虽然送入空气量较多，同样会使一些中间产物被氧化成NO，但由于空气分级技术此时反应区已由温度高的主燃烧区转移到温度低的燃烧完全区，抑制了燃料型NOx的生成。

采用空气分级燃烧技术后可使NOx排放量降低30%~60%。尽管空气分级燃烧弥补了简单的降低过量空气系数燃烧所导致的燃料未完全燃烧损失和飞灰含碳量增加的缺点，但是，若主燃烧区，燃烧完全区两级空气比例分配不合理，或者燃烧混合条件不好，则会增加不完全燃烧带来的损失。同时，主燃烧区的还原性气氛将导致灰熔点降低从而引起锅炉结渣和受热面腐蚀。

1.2 燃料分级燃烧

燃料分级燃烧通常采用的形式是燃料再燃烧技术，将燃烧过程设在三个区（主燃区、再燃区和燃尽区）进行，也称为三级燃烧技术，如图2-3所示。其所依据原理为主燃区形成的NOx会在次燃烧区和烃根CHi、未完全燃烧产物(CO、C、CnHm)发生还原反应成为分子氮气N₂。三级燃烧的大致过程为：主燃区中喷入80%-85%的燃料，在过量空气系数高于1的氧化性气氛中燃烧并生成NOx。再燃区在主燃区上方，剩余15%-20%的燃料就喷入再燃区，在过量空气系数小于1的条件下形成很强的还原性气氛，把主燃区产生的NOx还原为N₂。在再燃区中，不但已经产生的NOx被还原，而且也控制了新NOx的产生，可以进一步减少NOx的排放。在燃尽区送入剩余空气，过量空气系数恢复到正常值(α=1.2),使得末完全燃烧产物进一步燃烧，来确保燃尽效果。

图2-3 燃料分级燃烧示意图

燃料分级燃烧所使用的再燃燃料可以与主燃燃料相同，也可以采用更为适用的容易着火和燃烧的烃类气体或液体燃料，如天然气等，这是因为煤粉气流在再燃区内的停留时间相对较短。一般采用该方法可使NOx的排放浓度降低30%-40%左右。这种方法脱氮效果较为显著，但是在实际应用中受到很多限制，如燃烧不彻底、炉膛易焦结等。

1.3 浓淡燃烧

浓淡燃烧技术主要是依靠浓淡燃烧器来实现的。对NOx的生成特性研究表明：NOx的生成量与风煤比有关，研究结果如图2-4所示。在燃烧初期,也即挥发份析出着火阶段,若一次风中的风煤比在3～4则会产生较大的NOx量。从磨机出来到燃烧器的一次风管中的风煤比一般约为2～2.5即图中C_O点,常规非浓淡式燃烧器即是此种情况,它所产生的污染量为(NOx)CO。经弯头分离后,浓相和淡相一次风的风煤比均偏离C_O点,浓相喷咀位于C₁点,产生(NOx)C₁排放,淡相喷咀位于C₂点产生(NOx)C₂排放,(NOx)C₁和(NOx)C₂平均值比(NOx)C₀要低得多,由此,燃烧型NOx得到了降低。

图2-4 浓淡燃烧原理示意图

1.4 烟气再循环燃烧

烟气再循环燃烧技术是指抽取锅炉尾部烟道一部分温度较低的烟气直接送入炉内或与燃烧用的空气混合后送入，使燃烧区域内惰性气体含量增加，因烟气吸热和稀释了氧气浓度，使燃烧温度和O₂含量降低，燃烧速度下降，并最终达到降低NOx浓度的目的。一般烟气再循环率为15%~20%。

烟气再循环技术的核心在于利用再循环烟气低温，低氧的特点，将部分再循环烟气喷入炉膛适当位置降低局部温度及形成局部还原性气氛，从而抑制NOx的生成。减排效率约为25%。

2.结束语

燃煤电厂脱硝，不仅是社会环保的要求，也是企业生存的需要。以上所述几项燃烧技术均有降低NOx排放量的作用，在对燃煤机组进行优化调整时可以综合选用上述技术，并使之有机地组合在一起，完全可以实现既有较高的锅炉燃烧效率，同时又清洁燃烧，满足环保要求的目的。

参考文献

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4. 何华庆，朱跃等.低NOx燃烧技术综述[J].锅炉制造，2000(4):34-38

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6. 陈彦广,王志等.燃煤过程NOx抑制与脱除技术的现状与进展[J].过程工程学报，2007，7(3)：632-638