锅炉/加热炉燃烧器本体低氮改造技术研究分析

锅炉/加热炉燃烧器本体低氮改造技术研究分析

王树峰

中电投蒙东能源集团有限责任公司通辽发电总厂 

内蒙古通辽市  028000

摘要：在电力生产中，电厂会消耗大量燃煤并排放各种污染物，对生态环境造成严重影响。随着环保意识的提高，相关部门越来越重视加强对污染物排放的有效控制。通过使用低氮燃烧器，能有效抑制NOx反应，从而有效减少NOx的实际排放量。

关键词：锅炉；燃烧器；低氮改造

我国能源结构的改善及清洁环保工作的加快，建立在能源需求显著增加和供应模式不断进步基础上。与传统燃煤(油)锅炉/加热炉相比，燃气锅炉/加热炉在减少污染方面具有显著优势，绿色新能源在我国发展应用也成为必然趋势，但也存在一些大气污染问题。近年来，为减少污染，我国也进入了大规模控制NOx排放的重要阶段。由于NOx进入大气，易与挥发性有机化合物(VOCs)发生氧化反应，导致雾霾和酸雨等问题。其中，雾霾会放大光化学烟雾污染程度，进而引发一系列重大环境问题，所以NOx的致毒作用不容忽视。

一、低氮燃烧器概述

低氮燃烧器能对燃烧空气及燃烧头进行调节，以获取最佳燃烧参数。燃烧器是燃煤锅炉的重要组成设备，对于保障燃煤稳定着火，并有效实现完全燃烧发挥着重要作用。为有效抑制NOx的生成量，必须对燃烧器进行改进。近年来，低氮燃烧器研发取得了巨大进展。低NOx预燃室燃烧器是具有高效率，且低NOx的分级燃烧技术。预燃室通常由一次风或二次风及燃料喷射系统所构成，能快速将燃料和一次风进行混合，并在预燃室内部相应的一次燃烧区形成富燃料混合物，形成缺氧条件，使部分燃料实现燃烧，在一次火焰区内，火焰温度相对较低，且具有贫氧环境，燃料析出挥发分，有效抑制了NOx的生成反应，进而减少了NOx的排放。

二、锅炉/加热炉燃烧器低氮改造方案

1、NOx生成原理。大多数燃料与空气发生放热放光化学反应生成NOx，其占NO总量的90～95%。NO易与空气中氧气反应产生NO2，增强了其毒性及污染能力。在燃烧过程中，燃料会产生三种类型的NOx：热力型、快速型、燃料型。①热力型NOx：空气中N2和O2在高温下发生氧化反应，生成NO及NO2的总和。②快速型NOx：碳氢化合物燃料燃烧的高温效应增加了碳氢化合物浓度，并在反应区附近快速生成NOx。③燃料型NOx：当含氮有机化合物燃料在空气中燃烧时，热裂解产生碳氢离子团，与空气反应生成NOx。

2、NOx控制方式。当前，控制NOx生成的方法包括燃烧前、燃烧中、燃烧后处理。其中，燃烧前处理是在燃烧前预处理燃料，使其转化为低氮清洁燃料，即控制燃料本身的氮含量。具体方法有：燃料脱氮、使用低氮燃料、使用替代燃料。燃烧后处理，也称尾部控制，是指通过化学吸附等方法，将燃气锅炉/加热炉运行中产生的NOx吸收并还原为无害气体。燃烧后处理技术，包括燃烧后产物的脱硝，以实现低氮排放。对此，还需专门的循环系统来控制燃烧后处理。选择性催化还原(SCR)在国内外得到了广泛应用，脱硝率可达85%以上，但经济成本高，所需催化剂昂贵，并且需额外的装置且占用部分空间，这种方法广泛应用于电站锅炉/加热炉。选择性非催化还原(SNCR)能通过将含有NHx基的还原剂直接喷入炉膛，而在不使用催化剂情况下进行催化还原。使用这种方法的反应温度窗口窄，脱硝率通常在50%左右。对于与电站锅炉/加热炉相比功率小得多的工业燃气锅炉/加热炉而言，燃烧后控制技术的使用具有许多局限性并且成本高昂。

燃烧是指可燃物与空气或氧气间的氧化反应，释放能量，并将燃料的组成元素转化为氧化物。燃气锅炉/加热炉在燃烧中不可避免地会产生快速型NOx，但生成量较小，不到NOx总生成量的5%。热力型NOx是燃气锅炉/加热炉中NOx生成的主要途径，热力型NOx的含量随温度变化，温度越高，含量越高，在高温作用下，氮分子的化学活性增加。此外，过高氧浓度也是促进完全燃烧的一个条件。基于生成原理，在确保燃烧安全性能的同时，减少热力型NOx的生成并抑制NOx的产生至关重要。

控制NOx生成的另一种方法是通过燃烧中处理，其通过优化燃烧方式与条件，以达到减少NOx排放的效果。同时，这也是一种用于还原一氧化氮(NO)的控制方法，其在燃烧中将一部分一氧化氮还原为氮气(N2)、二氧化碳(CO2)，减少NOx的产生。

在燃烧中，为充分燃烧，必须满足以下条件：①燃烧中所需空气量，即空气系数；②当不同燃料的温度上升到着火温度时，就会发生氧化反应，为燃烧提供温度因素；③完全燃烧由在反应区的停留时间控制，这是一个时间因素；④控制燃料和氧气的混合浓度，即混合因素。因此，燃料与空气的比例、温度因素、时间因素和混合因素的控制已成为检验反应过程是否实现有效燃烧、评价燃烧过程质量，以及确定低氮燃烧器是否符合环境标准的指标。

三、燃烧器本体低氮改造技术措施

基于利旧降本提效原则，根据NOx控制方法，采用燃烧中处理，通过改进燃烧方法来减少NOx排放，从而影响燃料条件。燃烧过程中的空气量、燃料燃烧温度、燃烧反应区停留时间、燃料和氧气的混合程度都得到了升级改造。对原有燃烧器本体进行升级改造，采用扩散、分级、烟气内循环降氮技术，并将其集成到燃烧器本体中，实现燃烧器低氮排放。

1、扩散燃烧技术。扩散燃烧火焰是指在燃烧前分别供应燃气及空气，混合和燃烧过程同时发生的一种火焰。非预混火焰是扩散火焰的一种特征，焰锋具有定常、非定常特性，火焰反应发生在近似等压面上。扩散火焰中的化学反应速率比气体混合速率快，因此，燃烧速度及燃烧完全性不仅与化学反应动力学有关，还与天然气与空气混合的程度和分子运动速度有关，具有相对稳定的扩散火焰下，能确保在无预先混合下不会发生回火，使其易于控制，并且与预混合燃烧相比具有更广泛的应用范围。

2、分级燃烧技术。分级燃烧是指将主燃料喷枪布置在燃烧器直流风区最外圈的外侧，以实现燃料的径向扩散分级。其是对燃烧器喷口进行分层处理，通过中心及外围燃烧使喷口燃烧面扩大，形成多个燃烧域，进一步降低整体温度，抑制NOx的产生。

燃烧空气是燃气、旋流风、中心风、二次风的混合，形成不同的高低温燃烧区，高温区贫氧燃烧，能有效抑制高温区NOx的产生；低温区富氧燃烧，实现均匀燃烧，减少NOx生成量。燃烧器的中心实现富氧燃烧，火焰稳定，外圈燃料在缺氧条件下混合燃烧。来自外圈未燃烧产物流回中心区域，继续氧化和还原NOx，降低了燃烧强度，减少了NOx排放。

3、烟气内循环燃烧技术。烟气内循环(FIR)技术通过主燃气枪喷口及燃烧筒实现主燃料的亚音速喷射，一方面，它拉长了火焰燃尽距离，在炉膛高度均匀地辐射换热，减少了炉膛内局部高温区。另一方面，主燃气亚音速喷射会席卷周围低温烟气，并与未燃尽燃气混合。通过双重引射，实现了炉内循环，降低了燃烧中的初始氧气浓度，达到了抑制NOx生成的目的。①从中心向外，沿径向与轴向将燃气、助燃空气划分为多个级别，集成了空气分级及燃料分级技术，每级燃料有相应空气来提供燃烧支持，减少了局部高温区域，并抑制了热力型NOx的产生。②各级火焰从中心向外相互支撑，确保燃烧器具有良好的稳燃性。③燃气射流的高速运动能卷吸烟气回流，形成炉内烟气的内循环，有利于降低局部含氧量，从而降低燃烧温度。④旋流的二次风可在炉膛中心形成高温烟气回流区，从而增强稳燃效果。

参考文献：

[1]GB/T36699-2018.锅炉/加热炉用液体和气体燃料燃烧器技术条件[S].

[2]蒋文伟.分级燃烧技术实现NOx超低排放的应用实践[J].水泥，2021(02):56-60.