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空氣分級(jí)低NOx燃燒器
一、技術(shù)背景
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和電力工業(yè)的快速發(fā)展，鍋爐燃煤產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）污染物與日劇增，由于NOx對(duì)人類乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的危害巨大，對(duì)其排放量的控制已引起全球范圍內(nèi)的普遍重視，我國(guó)也制定了較嚴(yán)格的燃煤鍋爐氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)《GB13223-2003火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)也正在制定中。
火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組氮氧化物最高允許排放濃度（G13223-2003）
1996年12月31日前項(xiàng)目，執(zhí)行第1時(shí)段排放控制要求。
1997年1月1日起至2003年12月31日項(xiàng)目，執(zhí)行第2時(shí)段排放控制要求。
2004年1月1日起項(xiàng)目，執(zhí)行第3時(shí)段排放控制要求。
火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組氮氧化物最高允許排放濃度（G13223-2010） 征求意見稿 單位：mg/Nm3
2003年 12 月 31 日前項(xiàng)目，執(zhí)行第 1 時(shí)段排放控制要求。
2004年 1 月 1 日起至 2009 年 12 月 31 日前項(xiàng)目，執(zhí)行第 2 時(shí)段排放控制要求。
2010年 1 月 1 日起項(xiàng)目，執(zhí)行第 3 時(shí)段排放控制要求。
二、空氣分級(jí)低NOx燃燒技術(shù)LN-SOFA
NOx的生成
煤在燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物主要是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），這二者統(tǒng)稱為NOx。和SO2的生成機(jī)理不同，燃煤燃燒過程中氮氧化物的生成量與排放量與煤的燃燒方式，尤其是燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等燃燒條件關(guān)系密切。
在煤燃燒過程中，NOx的生成途徑有三個(gè)：
熱力型NOx：空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸傻腘Ox；
燃料型NOx：燃料中含有的氮氧化物在燃燒過程中熱分解而又接著氧化而成的NOx。由于煤的燃燒過程由揮發(fā)份燃燒和焦炭燃燒兩個(gè)階段組成，故燃料型NOx的形成也由氣相氮的氧化（揮發(fā)份）和焦炭中固相氮的氧化（焦炭）兩部分組成；
快速型Nox：燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等反應(yīng)生成的NOx。
煤粉燃燒所生成的NOx中，燃料型NOx是最主要的。由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600-800oC時(shí)就會(huì)生成燃料型NOx，它占NOx總生成量的60%～80%以上。熱力型NOx的生成和燃燒溫度的關(guān)系很大，當(dāng)T<1500℃時(shí)，NO的生成量很少，而當(dāng)T>1500℃時(shí)，T每增加100℃，反應(yīng)速率增大6-7倍，在溫度足夠高時(shí)，熱力型NOx的生成量可占到NOx總量的20%?？焖傩蚇Ox在煤燃燒過程中的生成量很小，小于5%。
由此可見，對(duì)常規(guī)煤粉燃燒而言，NOx主要是通過燃料型的生成途徑而成的，因此，控制和減少燃燒產(chǎn)生的NOx，主要是控制燃料型NOx的生成。研究表明，從煤中析出活性最強(qiáng)的氣相氮對(duì)燃料型NOx生成的影響******，而被滯留在焦炭中的固相氮對(duì)NOx生成的影響最小。因此，低NOx煤粉燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是減少揮發(fā)份氮轉(zhuǎn)化成NOx。而揮發(fā)份氮轉(zhuǎn)化成NOx的生成率又與燃燒器區(qū)域和爐膛平均氧濃度關(guān)系很大，當(dāng)過量空氣系數(shù)α在0.6～0.7時(shí)，燃料型NOx的生成率最低。
從燃料型NOx的生成和破壞機(jī)理可知，為了減少燃料型NOx，不僅要盡可能地抑制NOx的生成，對(duì)已生成的NOx，還要?jiǎng)?chuàng)造條件，盡可能地促使它們的破壞和還原，見圖2。
NOx的控制
控制NOx排放的技術(shù)措施可以分為兩大類：
一類是一次措施，即通過各種技術(shù)手段，控制燃燒過程中NOx的生成量，主要技術(shù)措施有空氣分級(jí)低NOx燃燒技術(shù)（LN-SOFA）和燃料分級(jí)低NOx燃燒技術(shù)（REBURNING）。
另一類是二次措施，即將已經(jīng)生成的NOx通過某種手段從煙氣中脫除掉，從而降低NOx的排放量，主要技術(shù)措施有選擇性催化還原技術(shù)（SCR）和選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）。
由于煙氣脫硝裝置投資和運(yùn)行費(fèi)用都十分昂貴，不太適合我國(guó)國(guó)情，有效的方法是采用低NOx燃燒技術(shù)，這也是目前國(guó)際上的主流研究方向。
國(guó)家環(huán)境保護(hù)部環(huán)發(fā)[2010]10號(hào)文件《火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策》摘抄：防治技術(shù)路線
倡導(dǎo)合理使用燃料與污染控制技術(shù)相結(jié)合、燃燒控制技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)相結(jié)合的綜合防治措施，以減少燃煤電廠氮氧化物的排放。
燃煤電廠氮氧化物控制技術(shù)的選擇應(yīng)因地制宜、因煤制宜、因爐制宜，依據(jù)技術(shù)上成熟、經(jīng)濟(jì)上合理及便于操作來確定。
低氮燃燒技術(shù)應(yīng)作為燃煤電廠氮氧化物控制的******技術(shù)。當(dāng)采用低氮燃燒技術(shù)后，氮氧化物排放濃度不達(dá)標(biāo)或不滿足總量控制要求時(shí)，應(yīng)建設(shè)煙氣脫硝設(shè)施。
低氮燃燒技術(shù)
發(fā)電鍋爐制造廠及其他單位在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)發(fā)電鍋爐時(shí)，應(yīng)配置高效的低氮燃燒技術(shù)和裝置，以減少氮氧化物的產(chǎn)生和排放。
新建、改建、擴(kuò)建的燃煤電廠，應(yīng)選用裝配有高效低氮燃燒技術(shù)和裝置的發(fā)電鍋爐。
在役燃煤機(jī)組氮氧化物排放濃度不達(dá)標(biāo)或不滿足總量控制要求的電廠，應(yīng)進(jìn)行低氮燃燒技術(shù)改造。
縱觀國(guó)外的低NOx燃燒技術(shù)的發(fā)展過程，可大致分為三代：
第一代低NOx燃燒技術(shù)不要求對(duì)燃燒系統(tǒng)作大的改動(dòng)，只是對(duì)燃燒設(shè)備的運(yùn)行方式或部分運(yùn)行方式作調(diào)整或改進(jìn)，如濃淡燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)等，其NOx的降幅有限；
第二代低NOx燃燒技術(shù)的特征是燃燒空氣分級(jí)送入燃燒設(shè)備，從而降低初始燃燒區(qū)的氧濃度，通過富燃料區(qū)域NO前驅(qū)物（HCN和NH3）向N2轉(zhuǎn)化而抑制NO生成。國(guó)內(nèi)早期主要采用OFA技術(shù)，簡(jiǎn)單的緊挨上層燃燒器的CCOFA一般只能降低NOx排放20%左右。我公司的低NOx燃燒技術(shù)（LN-SOFA）技術(shù)即從該技術(shù)發(fā)展而來，可最高降低50%NOx排放量。
第三代NOx燃燒技術(shù)的特征是空氣和燃料都分級(jí)送入爐膛，燃料分級(jí)送入可在燃燒區(qū)的下游形成一個(gè)富集NH3、CnHm、HCN的低氧還原區(qū)，燃燒產(chǎn)物通過此區(qū)域時(shí)，已生成的NOx會(huì)部分地被還原為N2。
LN-SOFA技術(shù)原理
空氣分級(jí)低NOx燃燒技術(shù)LN-SOFA是目前較先進(jìn)和成熟的低NOx燃燒技術(shù)，圖3所示為L(zhǎng)N-SOFA技術(shù)的示意圖。在主燃燒區(qū)送入部分煤粉完全燃燒所需要的一次風(fēng)和二次風(fēng)，在緊鄰主燃燒區(qū)的上方送入CCOFA，在CCOFA上方一定的距離送入SOFA，這樣就在揮發(fā)氮物質(zhì)形成的非常關(guān)鍵的早期燃燒階段將O2降低，在整個(gè)爐膛內(nèi)實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí)燃燒和局部性空氣分級(jí)燃燒，在初始的富燃料欠氧條件下促使揮發(fā)氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化成N2，從而達(dá)到總的NOx生成量的減少。在一定范圍內(nèi)，氧量越低，NOx生成量越少；SOFA送入時(shí)間越晚，NOx生成量越少。通過選用合適的主燃燒區(qū)氧量和SOFA高度，最高可降低50%NOx排放量。
LN-SOFA技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)
主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)
在一定范圍內(nèi)，NOx的生成量與主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)成正比關(guān)系，見圖4。但主燃燒區(qū)過量空氣系數(shù)選取過低，將對(duì)鍋爐飛灰含碳量造成一定影響。
SOFA離主燃燒區(qū)的距離
NOx的生成量與SOFA離主燃燒區(qū)的距離成反比關(guān)系，見圖6。但SOFA離主燃燒區(qū)的距離過大，將對(duì)鍋爐飛灰含碳量造成一定影響。
經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，我公司已經(jīng)成功掌握無(wú)煙煤、貧煤、煙煤和褐煤等
各煤種的LN-SOFA技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，并已取得較好成效。
LN-SOFA燃燒器結(jié)構(gòu)
LN-SOFA燃燒器的主要組件，見圖7：
· 緊湊燃盡風(fēng)（CCOFA），布置于主燃燒器頂部
· 可水平擺動(dòng)的分離燃盡風(fēng)（SOFA），見圖8，布置于主燃燒器上方3-6米區(qū)域
· 預(yù)置水平偏角的輔助風(fēng)噴嘴（CFS），見圖9，布置于主燃燒器煤粉噴嘴之間
· 煤粉噴嘴
LN-SOFA技術(shù)的主要特點(diǎn)
·NOx排放值最高可降低約50%
通過選用合適的主燃燒區(qū)氧量和SOFA高度（還可通過SOFA噴口垂直擺動(dòng)來調(diào)整），可最高降低50%NOx排放量。
·設(shè)備簡(jiǎn)單，安裝、改造工作量小，工期短，適用范圍廣
現(xiàn)有鍋爐應(yīng)用LN-SOFA技術(shù)，需將主燃燒器上方增加SOFA燃燒器，主燃燒器作適當(dāng)改造即可。改造工期短，鍋爐大修燃燒器更換備件時(shí)即可同時(shí)實(shí)施改造。適用于各種燃料的各種爐型，如四角切圓燃燒鍋爐、對(duì)沖燃燒鍋爐等。
·成本低
與SCR技術(shù)和SNCR技術(shù)相比，LN-SOFA技術(shù)因其設(shè)備簡(jiǎn)單、改造工作量小而初期投資成本相對(duì)較小。而且，因無(wú)須催化劑和還原劑，運(yùn)行成本更是比SCR技術(shù)和SNCR技術(shù)低很多。
·有利于控制爐膛出口煙溫偏差，有效避免結(jié)焦和高溫腐蝕，對(duì)機(jī)組影響小
應(yīng)用LN-SOFA技術(shù)，通過SOFA噴口的水平擺動(dòng)，可以有效降低爐膛出口煙溫偏差，通過CFS噴口的采用，可以有效避免鍋爐水冷壁結(jié)焦和高溫腐蝕。LN-SOFA技術(shù)可能帶給機(jī)組運(yùn)行不利的影響是鍋爐飛灰含碳量會(huì)有微量增加，但通過運(yùn)行調(diào)節(jié)如配風(fēng)和煤粉細(xì)度可以較好地解決。
·與SCR、SNCR技術(shù)比較，有明顯優(yōu)勢(shì)
LNB、SCR和SNCR三種脫氮技術(shù)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較
三、典型案例
大唐西固熱電有限責(zé)任公司2x330MW鍋爐LN-SOFA技術(shù)應(yīng)用
大唐西固熱電有限責(zé)任公司2x330MW亞臨界汽包鍋爐，由武漢鍋爐股份有限公司設(shè)計(jì)制造，采用四角切圓燃燒、擺動(dòng)式直流燃燒器。該鍋爐低NOx燃燒器設(shè)計(jì)采用主燃燒器+CCOFA+SOFA布置方式，實(shí)現(xiàn)了NOx的低排放，目前鍋爐滿負(fù)荷時(shí)NOx平均排放值為360mg/Nm3，低于國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)（450 mg/Nm3），收到明顯成效。
大唐西固熱電有限責(zé)任公司300MW鍋爐LN-SOFA燃燒器
煤種 (煙煤)
LN-SOFA燃燒器設(shè)計(jì)特點(diǎn)
（1）在主燃燒器的頂部布置有兩層CCOFA噴口，上一次風(fēng)上方6.5米處布置有三層SOFA噴口，見圖10～圖13，CCOFA+SOFA風(fēng)占總風(fēng)量的23%，主燃燒器區(qū)域的過量空氣系數(shù)約0.9，既降低了主燃燒器區(qū)域NOx的生成量，又可在燃燒后期補(bǔ)充氧量，保證煤粉的燃燼。
（2）SOFA噴口既可水平擺動(dòng)±15°，又可上下擺動(dòng)±20°。水平擺動(dòng)可以減小爐膛出口煙氣殘余旋轉(zhuǎn)，減小煙溫偏差；上下擺動(dòng)可以控制SOFA風(fēng)進(jìn)入爐膛的時(shí)間，可使NOx的排放值和飛灰含碳量達(dá)到******。
（3）采用彎頭式水平濃淡分離燃燒技術(shù)。不僅提高低負(fù)荷穩(wěn)燃性能，又能夠防止結(jié)渣與高溫腐蝕，減少NOx排放。
（4）一次風(fēng)噴嘴周界風(fēng)采用不等邊周界風(fēng)，背火側(cè)大，向火側(cè)小，增加了一次風(fēng)射流的剛性，并在水冷壁附近形成富氧區(qū)，防止結(jié)渣和高溫腐蝕。
（5）將頂部燃燼風(fēng)及中間一層二次風(fēng)反切12°。減少爐膛出口處氣流的“殘余旋轉(zhuǎn)”，減少爐膛出口煙溫偏差，同時(shí)降低NOx排放。
（6）燃燒器特性參數(shù)
LN-SOFA燃燒器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
箱體
燃燒器箱體設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，用隔板將燃燒器風(fēng)箱隔成多個(gè)風(fēng)室，各風(fēng)室出口布置噴嘴，入口處布置風(fēng)門擋板，整個(gè)燃燒器與鍋爐的連接是通過箱殼與水冷套的連接來實(shí)現(xiàn)的，見圖14。
擺動(dòng)機(jī)構(gòu)
主燃燒器和SOFA燃燒器每角分別由一臺(tái)氣動(dòng)執(zhí)行器來驅(qū)動(dòng)噴口的上下擺動(dòng)； SOFA燃燒器由手動(dòng)擺動(dòng)裝置帶動(dòng)噴口擺動(dòng)，見圖14。
SOFA風(fēng)噴口
SOFA風(fēng)噴口分為內(nèi)噴口和外噴口，見圖15。外噴口通過軸與燃燒器箱體連接，整組噴口繞軸上下擺動(dòng)；內(nèi)噴口通過軸與外噴口連接，內(nèi)噴口繞軸水平擺動(dòng)。
一次風(fēng)室
燃燒器一次風(fēng)采用彎頭式水平濃淡分離燃燒技術(shù)。一次風(fēng)室由彎頭、一次風(fēng)管和噴嘴組成。彎頭布置于燃燒器入口端，煤粉氣流經(jīng)彎頭濃淡分離后進(jìn)入一次風(fēng)管，保證煤粉氣流分為濃、淡氣流進(jìn)入噴嘴。
二次風(fēng)室
主燃燒器布置有六層二次風(fēng)，兩層CCOFA二次風(fēng)，SOFA燃燒器設(shè)計(jì)有三層二次風(fēng)，此三層二次風(fēng)可同時(shí)垂直、水平擺動(dòng)。
二次風(fēng)擋板
每個(gè)風(fēng)室都配有各自的風(fēng)門擋板，同一層四組燃燒器的風(fēng)門擋板同步動(dòng)作。
風(fēng)門擋板的結(jié)構(gòu)為雙擋板對(duì)稱布置，全閉狀態(tài)下?lián)醢宄?5°傾斜。
SOFA風(fēng)道
分別從鍋爐兩側(cè)主二次風(fēng)道引一路SOFA風(fēng)向上，至SOFA燃燒器高度后再對(duì)稱的前后分別引至前后角SOFA燃燒器，保證四角SOFA風(fēng)量均勻，見圖17。
鄂公網(wǎng)安備 42018502003588號(hào)