分段燃烧、低氮燃烧器的研究

分段燃烧、低氮燃烧器的研究

西北电力建设调试施工研究所西安市长乐西路3号邮编 710032 王万海

[摘要] 降低煤燃烧中污染物的排放，减少大气环境的污染日益成为人们所关注；本文介绍英国巴布克公司（MBEL）制造的采用分段燃烧的低氮燃烧器，以供今

后燃烧系统的设计及老厂改造中借鉴。

[关键词]分段燃烧低NOX 燃烧

前言

燃料燃烧是人类利用能源的主要方法之一，随着我国经济增长，化石燃料的消耗量随之今后几十年内化石燃料将仍是我国的主要能源，锅炉是将燃料是化学能转化为热能的主要设备，是目前最大的固体污染物排放源；煤燃烧所引起的环境问题日益引起人们的关注，对煤燃烧污染排放的控制要求也越来越严格，煤燃烧生成的的污染物主要包括氮氧化学物（NOX）硫氧化物（SOX）碳氧化物（CO和CO2）碳氢化合物（CXHY）和粉尘；减少这些污染的方法主要分三类：燃料前对燃料进行净化，提纯等处理；其次是在燃料中采取措施，如采用循环硫化床锅炉、炉顶喷钙、低氮燃烧等方法；还有在燃烧后对燃料产物的处理，如烟气脱硫、脱硝等。

本文将介绍燃料中减少NOX生成的燃烧器

1.低氮燃烧的结构及燃烧系统

如图所示是MBEL制造的低氮旋流燃烧器，中心为点火油枪及油枪提供辅燃风的中心风，其外层为携带煤粉的一次风，其余辅燃二次风分两部分进入喷燃器，为煤粉燃烧提供不足的燃烧空气，空气过剩系数约0.95-1.05。

燃烧器分别布置在锅炉的前后墙，如图2所示，具有较大的燃烧器间距，燃烧器放热效率低，有助于限制NOX的形成。

制粉系统采用动态旋转分离器，得到转细的煤粉，煤粉细度为：通过80筛子为99.5%通过200目筛子为88%。

2.使用效果及分析

在运行中，由于使用了旋流分离器和较细的煤粉，着火稳定性好和断油负

荷率低，最低断油稳燃负荷低于30%，锅炉效率大于90%，烟气中NOX含量为350MG/NM3。之所以能得到较低的NOX含量，是因为使用了低氮燃烧器及分级燃烧。具体分析如下：

2.1氮氧化物的生成机理

锅炉燃烧生成的NOX的机理有三种；1燃料型：由于煤中含有氮的化合物，燃烧中氧化而成NOX；2热力型：由于空气中含氮，在燃烧高温区氧化而生成NOX；3快速型：是热力型的一种特殊形式，碳氢化合物燃烧火焰中，空气不足生成NO，氮也是来自空气，在CO或H2与空气预热混燃烧中没有这种现象。

2.1.1燃料型NOX（FUEL NOX）

煤炭含氮量不同品质变化很大，含氮量0.5%-2.5%，研究结果表明，在一般燃烧条件下煤粉锅炉燃料中氮形成NO的转化率为20%-30%，另一些实验表明，燃料氮有20%-80%转化为NOX。一般地，燃料含氮量高，则NO转化率低，固体燃料燃烧生成的NOX主要是燃料型，当温度为1600度，热力型NOX占20%-30%，当温度低于1400度，则全部是燃料型NOX。

燃料氮形成NOX的极力尚不十分清楚。燃料中氮以原子态存在于氮的有机化合物中，结合键能量小；空气中氮的结合键能高的多。已提出的理论认为，燃料氮在燃烧前期受热分解，划分为挥发物中的氨和焦碳中的氮，挥发物的中间产物主要是NH2、HCN等。中间产物可能和含氧化合物（O、O2、OH）反应生成NO，也可能还原N2，实验表明，中间产物多，且在燃烧区停留时间长，则有较多的NH2、HCN还原成N2，从而NO生产量减少。在过量空气系数1.0-2.0，氧气越充分，NO生成量越高。残留在焦碳燃烧过程中生成NO。这部分NO在总量中占比例很小。

2.1.2热力型NOX（THENMAL）

热力型NOX的生成与温度关系密切。在燃烧温度低欲1500度，热力型NO 生成量极少，当温度超过1500度，NO生成量随温度升高急剧增加。如图3所示。热力型NOX生成与火焰面之后，在燃烧火焰内，原子氧与氮分子反应活化能大，原子氧与可燃成分子反应活化能小，因而火焰不会大量生成NO。在燃烧完成之后才进行上呢过程的反应。

在一般锅炉的燃烧条件下，热力型NOX生成量只占燃烧生成量的百分之几。

2.1.3快速型NO（PROMPT NO）

快速型NO出现在火焰内部：其生成量受温度影响，而与压力的0.5次方成比例，碳氢化合物在过量空气系数为0.7-0.8的预混火焰中，出现NO，其生成极力尚不清楚。BOWMAN认为由于火焰中原子态氧浓度超过氧分子离解平衡浓度的缘故。FENIMOCE认为是碳、碳氢化物与N2反应生成中间物N、CN、HCN等，再于氧反应NO，快速型NO在燃烧NO的总量中比例很小。

低氮燃烧器就是根据NOX的生成机理，在燃烧中未尽量减少NOX的生成。

2.2低氮燃烧器、分段燃烧的工作

根据氮氧化物生成的机理，对于在燃烧中NOX生成的控制，大致方向如下，控制热力型NOX降低燃烧温度，使之低于1300度，减少锅炉日热负荷；减少过量空气，从而降低高温区的氧原子浓度；缩短在高温区的停留时间。控制燃料型NOX，把燃烧温度降的更低（燃料型NOX形成与680度-1400度）降低氧的分压。低NOX燃烧控制技术有：二段燃烧法、浓度燃烧法、烟气再循环法和各种NOX燃烧器等。

本文能提及的MBEL制造的燃烧器既采用空气二段燃烧法、而且其系统布置也为空气二段燃烧法布置。

如图4所示，燃烧器本身的结构实现空气的分段燃烧；在炉膛的高度方向也形成空气分段燃烧，通过布置在上层的燃后风进入第二段燃烧所需的空气。

燃烧器为圆形旋流燃烧器，空气分两层在燃烧器的外层进入，其空气总量为过剩空气系数0.95-0.05，这样可以推迟空气混入，以降低NOX形成区的氧浓度并减少最高温度区燃料燃烧量，空气分段使煤在低于化学当量比的情况下挥发，促使燃料氮转化为分子氮。

如图1所示，在燃烧器上部布置有燃后风，补充燃料所有的空气，使空气过剩系数为.1-1.2，这样使整个炉壁形成空气二段燃烧。第一段燃烧为燃烧器布置区。此段燃烧空气不充补，形成富燃料燃烧，氧量不足，燃料型NOX难以形成；同时第一段燃烧比常规燃烧温度降低热力型NOX也很少形成。燃后风为第二段燃烧，补充不足的空气，使燃烧完全，此时燃烧温度已经降低，虽然有氧，NO也生成缓慢。

采用这样的系统应注意二段燃烧对效率的影响，减少飞灰中的含碳量，通

常可使用较细煤粉，并延长燃尽停留时间。

3.结束语

随着人们对大气排放污染物的控制，洁净煤的各种技术应用也越来越广泛，本文所介绍的空气分段燃烧低NOX技术也将被大量使用，它可大量降低锅炉烟气中的NOX含量，采取措施可以使效率不至于降低，切同时具有系统简单，易于老厂改造，着火稳定，断油稳燃负荷低等优点。