浅谈低nox燃烧技术
摘要：nox是燃烧产生的主要污染物之一，nox的排放会造成严重的大气污染，它是造成酸雨的原因之一，也是全球温度及臭氧层破坏元凶。nox不仅对环境造成破坏，还会影响人类健康。本文将介绍燃料燃烧nox生成消减机理及低nox燃烧技术原理，并介绍几种应用低nox燃烧技术的燃烧器。
前言
燃料与空气在高温燃烧时会释放出氮氧化物，统称为nox，主要包括一氧化氮（no）、二氧化氮（no2）及氧化亚氮（n2o），其中，no约占95%，no2等仅占5%。no排入大气后与空气中的氧结合成no2，no2在一定的条件下进一步氧化成n2o。nox是参与光化学反应并形成光化学烟雾的关键组分，与so2一起构成燃烧过程中排放出来的主要污染气体。
nox生成消减机理[1]
燃料燃烧过程中所生成的nox，按其氮的来源和生成机理可分为热力型nox（thermal nox）、燃料型nox(fuel nox)和快速型nox(prompt nox)。
热力型nox是燃烧过程中，空气中的n2在高温条件下氧化而生成的nox；燃料型nox是燃料中的氮化合物，在燃烧过程中热分解，而后氧化而形成的nox；快速型nox是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团反应生成的nox。
热力型nox的生成速率强烈地依赖于反应温度t，与燃烧温度呈指数关系。同时还正比于n2的浓度与o2浓度的平方根以及停留时间。在燃烧温度低于1500℃时，热力型nox的生成量很少，而温度高于1500℃时，每增加100℃，反映速度将增大6～7倍。所以，如果炉内存在局部的高温区，在高温区内形成的nox可能对炉内整个热力型nox的生成起决定性作用。当锅炉温度为1600℃时，煤粉燃烧生成的热力型nox约占nox生成总量的25%～30%。
燃烧性nox的生成机理非常复杂，它的生成和消耗过程不仅和煤种特性、煤的结构、燃料中氮受热分解后挥发分和焦炭中的比例、成分和分布有关，而且还和燃烧条件如温度、氧及各种成分的浓度等密切相关。
快速型nox的生成量在煤粉炉中一般仅占nox生成总量的5%以下，一般不作为重点考虑对象。快速型nox 对温度的依赖性很弱。
三．低nox燃烧技术[2]
用改变燃烧条件的方法来降低nox的排放，统称为低nox燃烧技术。在各种降低nox排放的技术中，低nox燃烧技术采用最广、相对简单、经济并且有效，目前主要有以下几种：
(一) 低过量空气燃烧
使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行，随着烟气中过量氧的减少，可以抑制nox的生成。这是一种最简单的降低nox排放的方法。一般可降低nox排放15－20%。但如炉内氧浓度过低（3%以下），会造成浓度急剧增加，增加化学不完全燃烧热损失，引起飞灰含碳量增加，燃烧效率下降。因此在锅炉设计和运行时，应选取最合理的过量空气系数。
（二）空气分级燃烧
基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段完成。在第一阶段，将从主燃烧器供入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的70－75%（相当于理论空气量的80%），使燃料先在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧。此时第一级燃烧区内过量空气系数α＜1，因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平。因此，不但延迟了燃烧过程，而且在还原性气氛中降低了生成nox的反应率，抑制了nox在这一燃烧中的生成量。为了完成全部燃烧过程，完全燃烧所需的其余空气则通过布置在主燃烧器上方的专门空气喷口ofa（over fire air）――称为"火上风"喷口送入炉膛，与第一级燃烧区在"贫氧燃烧"条件下所产生的烟气混合，在α＞1的条件下完成全部燃烧过程。由于整个燃烧过程所需空气是分两级供入炉内，故称为空气分级燃烧法。
这一方法弥补了简单的低过量空气燃烧的缺点。在第一级燃烧区内的过量空气系数越小，抑制nox的生成效果越好，但不完全燃烧产物越多，导致燃烧效率降低、引起结渣和腐蚀的可能性越大。因此为保证既能减少nox的排放，又保证锅炉燃烧的经济性和可靠性，必须正确组织空气分级燃烧过程。
若用空气分级燃烧方法改造现有煤粉炉，应对前墙或前后墙布置燃烧器的原有炉膛进行改装，将顶层燃烧器改作"火上风"喷口，将原来由顶层燃烧器送入炉膛的煤粉中形成富燃料燃烧，从而nox生成。可降低15－30%。新设计的锅炉可在燃烧器上方设"火上风"喷口。
（三） 燃料分级燃烧
在燃烧中已生成的no遇到烃根chi和未完全燃烧产物co、h2、c和cnhm时，会发生no的还原反应，反应式为：
4no+ch4 =2n2+co2+2h2o
2no+2cnhm+(2n+m/2-1)o2 =n2+2nco2+mh2o
2no+2co =n2+2co2
2no+2c =n2+2co
2no+2h2 = n2+2h2o
利用这一原理，将80-85%的燃料送入第一级燃烧区，在α>1条件下，燃烧并生成nox。送入一级燃烧区的燃料称为一次燃料，其余15-20%的燃料则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区，在α<1的条件下形成很强的还原性气氛，使得在一级燃烧区中生成的nox在二级燃烧区内被还原成氮分子，二级燃烧区又称再燃区，送入二级燃烧区的燃料又称为二次燃料，或称再燃燃料。在再燃区中不仅使得已生成的nox得到还原，还抑制了新的nox的生成，可使nox的排放浓度进一步降低。
一般，采用燃料分级可使nox的排放浓度降低50%以上。在再燃区的上面还需布置"火上风"喷口，形成第三级燃烧区（燃尽区），以保证再燃区中生成的未完全燃烧产物的燃尽。这种再燃烧法又称为燃料分级燃烧。
燃料分级燃烧时所使用的二次燃料可以是和一次燃料相同的燃料，例如煤粉炉可以利用煤粉作为二次燃料。但目前煤粉炉更多采用碳氢类气体或液体燃料作为二次燃料，这是因为和空气分级燃烧相比，燃料分级燃烧在炉膛内需要有三级燃烧区，这合行燃料和烟气在再燃区内的仪时间相对较短，所以二次燃料宜于选用煤粉作为二次燃料，也要采用高挥发分易燃的煤种，而且要磨得更细。
在采用燃料分级燃烧时，为了有效地降低nox排放，再燃区是关键。因此需要研究在再燃区中影响nox浓度值的因素。
（四） 烟气再循环
目前使用较多的还有烟气再循环法，它是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉内，或与一次风或二次风混合后送入炉内，这样不但可降低燃烧温度，而且也降低了氧气浓度，进而降低了nox的排放浓度，。从空气预热器前抽取温度较低的烟气，通过再循环风机将抽取的烟气送入空气烟气混合器，和空气混合后一起送入炉内，再循环烟气量与不采用烟气再循环时的烟气量之比，称为烟气再循环率。
烟气再循环法降低nox排放的效果与燃料品种和烟气再循环有关。经验表明，烟气再循环率为15-20%时，煤粉炉的nox排放浓度可降低25%左右。nox的降低率随着烟气再循环率的增加而增加。而且与燃料种类和燃烧温度有关。燃烧温度越高，烟气再循环率对nox降低率的影响越大。
电站锅炉和烟气再循环率一般控制在10-20%。当采用更高的烟气再循环率时，燃烧会不稳定，未完全燃烧热损失会增加。另外采用烟气再循环时需加装再循环风机、烟道，还需要场地，增大了投资，系统复杂。对原有设备进行改装时还会受到场地的限制。
烟气再循环法可在一台锅炉上单独使用，也可和其它低nox燃烧技术配合使用，可用来降低主燃烧器空气的浓度，也可用来输送二次燃料。需进行技术经济比较。
（五） 低nox燃烧器
煤粉燃烧器是锅炉燃烧系统中的关键设备。不但煤粉是通过燃烧器送入炉膛，而且煤粉燃烧所需的空气也是通过燃烧器进入炉膛的。从燃烧的角度看，燃烧器的性能对煤粉燃烧设备的可靠性和经济性起着主要作用。从nox的生成机理看，占nox绝大部分的燃料型nox是在煤粉的着火阶段生成的，因此，通过特殊设计的燃烧器结构以及通过改变燃烧器的风煤比例，可以将前述的空气分级、燃料分级和烟气再循环降低nox浓度的大批量用于燃烧器，以尽可能地降低着火氧的浓度适当降低着火区的温度达到最大限度地抑制nox生成的目的，这就是低nox燃烧器。低nox燃烧器得到了广泛的开发和应用，世界各国的大锅炉公司，为使其锅炉产品满足日益严格的nox排放标准，分别开发了不同类型的低nox燃烧器，可达到nox降低率一般在30-60%。
（六） 煤粉炉的低nox燃烧系统
为更好地降低nox的排放量和减少飞灰含碳量，很多公司将低nox燃烧器和炉膛低nox燃烧（空气分级、燃料分级和烟气再循环）等组合在一起，构成一个低低nox燃烧系统。
（七）液态排渣炉的低nox燃烧
目前旋风炉、切向燃烧液态炉和u型火焰液态炉仍有大量设备在运行。现代化的大型液态排渣炉主要是采用u型火焰燃烧方式。在不采取降低nox的措施时，其nox排放值一般均超过2000mg/nm3，所以近年电站煤粉炉多倾向于固态排渣沪。其主要降低nox的措施有：
1.采用ws型低nox燃烧器，并采用再循环烟气和一次风或二次风混合以使着火区成为富燃料燃烧区，可使nox降低25%。
2.增设三次风。当采用烟气再循环并取三次风份额为20%时，锅炉的nox排放量可降至1000mg/nm3以下。
3.使用细颗粒煤粉。
（八） 层燃炉降低nox排放的方法
我国使用最普遍的层燃炉是链条炉。链条炉燃料层燃烧过程本身存在着类似于空气分级燃烧的特点，其nox排放比煤粉炉低得多，在450mg/nm3以下。可以采用适用于煤粉炉的低nox燃烧技术。如采用低过量空气系数，可降低20%；如在除尘器后将再循环烟气引入炉膛内，可降低20%；采用燃料分级燃烧时，可降低50%。
低nox燃烧器
(一) 低nox燃烧器分类[3]
低氮氧化物燃烧器大致分为以下几类：
1.阶段燃烧器
根据分级燃烧原理设计的阶段燃烧器，使燃料与空气分段混合燃烧，由于燃烧偏离理论当量比，故可降低nox的生成。
2.自身再循环燃烧器
一种是利用助燃空气的压头，把部分燃烧烟气吸回，进入燃烧器，与空气混合燃烧。由于烟气再循环，燃烧烟气的热容量大，燃烧温度降低，nox减少。
另一种自身再循环燃烧器是把部分烟气直接在燃烧器内进入再循环，并加入燃烧过程，此种燃烧器有抑制氧化氮和节能双重效果。
3.浓淡型燃烧器
其原理是使一部分燃料作过浓燃烧，另一部分燃料作过淡燃烧，但整体上空气量保持不变。由于两部分都在偏离化学当量比下燃烧，因而nox都很低，这种燃烧又称为偏离燃烧或非化学当量燃烧。
4.分割火焰型燃烧器
其原理是把一个火焰分成数个小火焰，由于小火焰散热面积大，火焰温度较低，使“热反应no”有所下降。此外，火焰小缩短了氧、氮等气体在火焰中的停留时间，对“热反应no”和“燃料no”都有明显的抑制作用。
5.混合促进型燃烧器
烟气在高温区停留时间是影响nox生成量的主要因素之一，改善燃烧与空气的混合，能够使火焰面的厚度减薄，在燃烧负荷不变的情况下，烟气在火焰面即高温区内停留时间缩短，因而使nox的生成量降低。混合促进型燃烧器就是按照这种原理设计的。
6.低nox预燃室燃烧器
预燃室是近10年来我国开发研究的一种高效率、低nox分级燃烧技术，预燃室一般由一次风（或二次风）和燃料喷射系统等组成，燃料和一次风快速混合，在预燃室内一次燃烧区形成富燃料混合物，由于缺氧，只是部分燃料进行燃烧，燃料在贫氧和火焰温度较低的一次火焰区内析出挥发分，因此减少了nox的生成。
低nox燃烧器专利
1.新型wr浓淡煤粉燃烧器+偏置周界风+sofa燃烧器（专利技术）[4]
新型wr浓淡煤粉燃烧器是在原有wr煤粉燃烧的基础上改进形成地，它保持了原有wr煤粉燃烧器的着火稳定的优点，同时借鉴了浓淡分离和浓相相对集中布置降低nox的先进技术，形成了创新的新型煤粉浓淡燃烧系统。
新型wr浓淡煤粉燃烧系统避免了应用在四角切圆燃烧系统中wr燃烧器的局限性，不仅能够通过导流板实现上淡下浓的浓淡分离技术，同时还可通过百叶窗形成上浓下淡的浓淡分离技术，实现了两项技术空间布置位置的完美结合。因此，该专利技术实现了炉膛内部真正的浓淡分离和浓相相对集中，达到炉内燃烧梯度分级要求，实现最初的降低nox和着火稳定性目的。
新型wr浓淡煤粉燃烧器+偏置周界风+sofa燃烧器的性能特点
1）降低炉膛出口烟温偏差和保证高温受热面壁温不超温；
2)有效防止两侧墙水冷壁因实现炉内空气分级后导致的主燃区过量空气系数降低而产生的结渣和高温腐蚀问题；
3)有效提高了锅炉的煤种适应性；
4)大幅度降低nox排放量；
①一次风气流经百叶窗煤粉喷嘴体后，被分离成浓淡两股气流，浓相煤粉相对集中，使煤粉在还原性气氛中燃烧，延长在还原性气氛中的停留时间，可有效抑制nox的形成。
? ② 浓相区域为低氧还原性气氛，有利于抑制燃料型nox的形成；
? ③ 拉大二次风同一次风混合点距离，通过调节风门挡板开度，可改变二次风分级燃烧的程度；
? ④ 浓淡燃烧与二次风分级燃烧相结合，实现了最大限度地降低nox排放量新型燃烧技术；
⑤更重要的是在主燃烧器上部增设sofa喷口，实现了炉内空气分级燃烧，降低了主燃区过量空气系数，
⑥ 使主燃区还原性气氛进一步增强，可大幅度地降低烟气中nox排放量。
5)降低未燃炭损失提高燃烧效率。
2.新型低nox燃烧器——dsb燃烧器 [5]
1)燃烧器结构
dsb低氮燃烧器，主要结构如图1所示，包括：
①中心风通道；
②一次风弯头、煤粉均匀挡片、煤粉浓缩文丘里、一次风伸缩套筒、一次风旋流叶片、稳焰环；
③内二次风通道、内二次风旋流叶片；
④外二次风通道、外二次风旋流叶片。
2）技术特点
①具备一般低nox旋流燃烧器的特点：双调风
②具备创新的核心技术：在燃烧器内部实现一次风稀相向二次风扩散，从而使得一次风速可调，极大地提高了燃烧稳定性和煤种适应性（图2、图3）；
③多种调节手段，以适应各种炉膛、煤质和燃烧工况（表1）：
④内外二次风量比例可调节；
⑤一次风旋流通过旋流叶片进行调节；
⑥一次风量（速）可以通过伸缩套筒调节；
⑦煤粉浓度可以通过伸缩套筒进行调节；
⑧中心风可调
图2 一次风伸缩套筒拉杆位置对喷口一次风速的影响
图3 一次风套筒拉杆位置对着火距离的影响
3）nox控制机理
二次风分级，形成空气分级燃烧方式是dsb燃烧器是成为低氮燃烧器的主要的因素。此外，还如下两方面的原因：
（1）空气分级程度被加深
dsb燃烧器一次风可以大幅度减小，促进了初期燃烧，但氧量更加缺乏，使得空气分级程度更深，nox控制效果更为明显；
（2）形成了燃料浓淡分布的燃烧方式
部分煤粉颗粒预先分散到内二次风里，降低了一次风区附近的氧浓度，使得一次风粉远离二次风气流更为明显，进一步强化了空气分级燃烧，同时具有燃料浓淡分布的效果，在一定程度上具有了燃料分级效果。
（3）煤种适应性
dsb具备多种调节手段，使得煤种适应性很强：
0.vdaf >30%的高挥发分烟煤和褐煤
一次风直流，风速>28m/s，内二次风中度旋转，
1.20％
一次风轻度旋转，风速25m/s，内二次风中度旋转，
2.14％
一次风中度旋转，风速20m/s，内二次风高度旋转，
3.vdaf<12%的劣质贫煤和无烟煤
一次风中高度旋转，风速<16m/s，内二次风高度旋转。 上述参数的调整只依赖燃烧器的调节完成，不影响系统的其它环节。
适应不同煤种的火花模拟见（图4——图6）
（4）dsb燃烧器和一般低nox旋流燃烧器性能比较
表1列出了dsb燃烧器主要的控制对象，由于控制对象较多，故dsb燃烧器是一种调节和模仿能力很强的燃烧器， 它可以通过调节机构调整“转变”不同类型的低nox旋流燃烧器，实现类似德州电厂的贫煤燃烧器和华能北京电厂烟煤燃烧器的气流组织，并且由于一次风速和煤粉浓度的调节使得它的性能超过了普通低nox旋流燃烧器。表2列出了dsb燃烧器与南京某电厂蜗壳式燃烧器、北京某电厂和德州电厂低nox燃烧器在调节性能和燃烧性能上的比较
3.国外开发的低nox烧煤燃烧器[6]
（1）墙置式分级混合烧煤燃烧器（西德斯坦因缪勒公司生产）
燃烧器为圆形墙置式，前后墙对冲布置的轴向旋流燃烧器，从燃烧器中心管圆形截面流出的是中心二次风。燃烧器烧油时才投入中心二次风，烧煤时其中心二次风挡板几乎处于关闭状态。煤粉一次风气流是由环行截面喷入炉膛。除中心风外，下剩的二次风分成周界风和分级风两部分。周界风的环行喷口处于煤粉喷口的外侧，两者同心。分级风的喷口布置在燃烧器外围，该喷口可以是圆形的也可以是缝隙式。分级风用挡板进行调节。煤粉一次风和周界风在燃烧器出口附近形成一个低于理论空气量运行的一次燃烧区。而分级风以分股射流的方式从一次火焰外部喷入燃尽区，保证了煤粉的完全燃烧。
weihen电站0．7万kw燃煤锅炉改装为分级混合燃烧器后，满负荷运行时，当分级风接近关闭时，测得锅炉的nox排放量为550 mg／m3，投用分级风后，当控制一次燃烧区的空气系数为n1＝0．9时，nox排放量为335 mg／m3，约减少了40％；当n1＝0．75时，nox排放量为270 mg／m3，约减少了50％。
（2）多股火焰燃烧器（美国福斯特惠勒（fw）公司生产）
该燃烧器采用两层二次风，煤粉一次风气流经环行通道喷出四股射流，每股射流各自形成火焰。此燃烧器一次风的多股喷射和二次风的双层配风方式，能保证在喷口6．83～3．05 m的范围内，燃烧区的空气量维持在60％～70％的理论空气量。预期的锅炉的nox排放量为0．21 b／106 btu（150～155mg／m3）。
（3）dmb燃烧器（美国能源和环境研究所（eer）生产）
具有3个同心的环行喷口中心煤粉一次风喷口和内外层双调风器的二次风喷口。以上3个喷口供给的风量总和为70％的理论空气量。另外，在燃烧器的周围布置了几个空气喷嘴，引入的三次空气量使锅炉炉膛具有20％的空气过剩量，用以保证煤粉颗粒的燃尽。预期的锅炉的nox排放量为0．451b／106 btu
（4）sgr煤粉燃烧器（日本三菱重工生产）
其结构是煤粉一次风喷嘴与辅助二次风喷嘴相间布置，与传统的切向燃烧器相比，sgr煤粉燃烧器在结构上具有如下特点：
1）在煤粉喷嘴的上下方各布置一个再循环烟气分隔（sgr）喷嘴，通过sgr喷嘴向炉膛喷入再循环烟气。
2）由于sgr喷嘴的存在，使煤粉隔仓和辅助
三次风的间距加大。
3）sgr的煤粉喷嘴出口是渐扩型，用以保证煤粉气流靠近喷嘴出口发生着火，并起着稳定火焰的作用。
sgr射流对一、二次风射流的分隔作用，把煤粉的燃烧过程分为两个燃烧区，它的nox排放量是一次燃烧区生成的（nox）p和二次燃烧区生成的（nox）s的总和。预期锅炉的nox排放量为0．21b／106 btu（150～155 mg／m3）。
（5）htnr低nox烧煤烧器（荷兰拔伯葛－日立公司生产）
htnr燃烧器的火焰能提供使主燃区生成的部分nox在火焰中再度被还原的必要条件，从而降低火焰中的nox。
（6）切向燃煤pm（polution minimun）燃烧器（三菱重工研制）
三菱重工研制的切向燃煤pm燃烧器，pm燃烧器的关键部位是分离器，它由靠近燃烧器的一次风管的一个弯头及两个喷口组成。煤粉气流流过分离器时进行简单的惯性分离，富粉流进入上喷口，贫粉流进入下喷口，实行浓淡分离。此外，如果在pm燃烧器上部设置顶部燃烬风喷口，使pm燃烧器区域处于富燃区，顶部燃烬风喷口处于燃烬区，形成分级燃烧，可使nox进一步降低。所以，pm燃烧器实际上是集烟气再循环、分级燃烧和浓淡燃烧于一体的低nox燃烧系统。这种燃烧器的nox生成量较sgr燃烧器的低，比常用的直流燃烧器煤粉火焰更低，因而称为污梁物最少型燃烧器。 据报导，pm燃烧器的nox值为：烧气为30mg／m3，烧油为80 mg／m3，烧煤为150 mg／m3。与常规燃烧器相比，pm燃烧器可使nox的生成量减少60％。
a－pm燃烧器（三菱重工研制）
a－pm燃烧器主要的特征为：
用内置式煤粉浓淡分离器，形成煤粉浓淡分布。
2）大宽度燃烧器。
3）分割式燃烧器风箱代替常用的整体式燃烧器风箱。
4）减少燃烧器喷嘴数。
其原理是希望在pm燃烧器基础上进一步降低nox。在燃烧器着火区，一次风煤粉浓淡分离后，把浓粉气流集中分布在外侧，并增大燃烧器宽度来增加从周围吸收热量，目的是实现低空气比和高温环境；在燃烧器到燃尽区，除了要低的空气比和提高温度，还要求风粉混合良好，并加长停留时间，采取的措施是将燃烧器风箱分割开使炉膛高度方向的空气分割，来实现炉内流动的最佳化，并扩大nox还原区；燃尽区以后，要求低温、低空气比，而且还得防止产生高飞灰含碳可燃物，因此需特别均匀地降低炉内空气比，使氧气扩散均匀。
五．心得体会
目前，燃料燃烧不可避免的排放出大量污染气体，对人类的健康及生存环境造成破坏。学习了解燃料燃烧排放出的污染气体的生成和销毁原理，并结合生产实际开发低污染排放的燃烧器意义重大。
参考文献
[1]《燃烧学讲义》 哈尔滨工业大学
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]电厂锅炉低nox燃烧技术的探讨 周炜，李戈 （浙江省电力公司，浙江杭州310007）
