企业培训_低氮燃烧技术原理培训课件

京能集团运行人员培训教程 BEIH Plant Course 低氮燃烧技术原理 low NOX combustion technology MAJ TD NO.100.2 目 录 1 1 低氮燃烧技术低氮燃烧技术1 1.1 NOX 产生机理和抑制方法.1 1.2 影响 NOX 生成量的因素6 2.2.低氮燃烧技术低氮燃烧技术.13 2.1 基本原理.13 3.3.空气分级低空气分级低 NOXNOX 燃烧技术原理及其技术特征分析燃烧技术原理及其技术特征分析.14 3.1空气分级燃烧的基本原理15 3.2空气分级燃烧的主要形式15 3.3轴向空气分级燃烧的影响因素16 3.4径向空气分级燃烧的影响因素16 3.5燃尽风的种类 .16 3.6燃尽风布置方式的选择 .22 3.7空气分级燃烧技术的应用前景23 4.4.燃料分级燃烧燃料分级燃烧.24 4.1燃料再燃的原理 .24 4.2再燃燃料的选择 .25 4.3再燃燃料的选取 .25 4.4影响再燃效果的主要因素27 4.5燃料再燃技术的发展前景27 5.5.烟气再循环低烟气再循环低 NOXNOX 燃烧技术原理及其技术特征分析燃烧技术原理及其技术特征分析.27 5.1烟气再循环机理 .28 5.2烟气再循环率的选择 .28 5.3利用烟气再循环实现 HTAC29 6.6.低低 NOXNOX 燃烧器技术原理及型式燃烧器技术原理及型式.29 6.1低 NOX 燃烧器的原理 .29 6.2直流煤粉燃烧器 .30 6.3旋流煤粉燃烧器 .32 6.4双调风燃烧器 .33 7.7.低低 NOXNOX 燃烧器的发展前景燃烧器的发展前景39 8 8 题题库库.41 1 1 低氮燃烧技术低氮燃烧技术 1.1 NOX 产生机理和抑制方法 锅炉燃烧过程中成成的氮氧化物（主要是 NO 和 NO2）严重地污染了环境。因此，抑制 NOX 的生成已成为大容量锅炉的燃烧器设计及运行时必须考虑的主要问题之一。锅炉燃烧 过程中产生的 NOX 一般可分为三大类：即热力型 NOX(Thermaol NOX)、燃料型 NOX（Feul NOX） 、和快速型 NOX（Prompt NOX） 。上述 3 种氮氧化物的组成随燃料含氮量不同有差别。 对于燃煤，通常燃料型 NOX 占 7085，热力型 NOX 占 1525，其余为少量的快 速型 NOX。 图 1-1 不同类型 NOX 生成量与炉膛温度的关系 1.1.1 热力型： 热力型 NOX 是高温下空气中氮气氧化而成，其生成机理是由原苏联科学家捷里道维奇 提出来的。温度对热力型 NOX 的影响十分非常明显，热力型 NOX 又称为温度型 NOX。当 燃烧温度低于 1800K 时，热力 NOX 生成极少；当温度高于 1800K 时，反应逐渐明显，且随 温度的升高，NOX 生成量急剧升高。控制热力型 NOX 的关键在于降低燃烧温度水平，避免 局部高温。 （1）产生机理： 1）化学反应及反应物、生成物活化能的影响： 按泽尔多维奇机理，NO 生成可用如下一组不分支连锁反应来说明。 O2O+O N2+ONO+N N+O2NO+O 上述反应是一个连锁反应，决定 NO 生成速度的是原子 N 的生成速度，反应式 N+O2NO+O 相比于式 N2+ONO+N 是相当迅速的，因而影响 NO 生成速度的关键反应 链是反应式 N2+ONO+N，反应式 N2+ONO+N 是一个吸热反应，反应的活化能由反应 式反应和氧分子离解反应的活化能组成，其和为 542X103J/mol。分子氮比较稳定，只有较 大的活化能才能把它氧化成 NO，在反应中氧原子的作用是活化链接的环节，它源于 O2在 高温条件下的分解。热力型 NOX 的生成量伴随氧气浓度和温度的增大而加大。正因为氧原 子和氮分子反应的活化能很大，而原子氧和燃料中可燃成份反应的活化能又很小，在燃烧 火焰中生成的原子氧很容易和燃料中可燃成份反应，在火焰中不会生成大量的 NO，NO 的 生成反应基本上在燃料燃烧完了之后才进行。热力型 NOX 的生成速度要比相应的碳等可燃 成份燃烧速度慢，主要生成区域是在火焰的下游位置。 2）反应时间的影响： 在锅炉燃烧水平下，NO 生成反应还没有达到化学平衡，因而 NO 的生成量将随烟气在 高温区内的停留时间增长而增大。另外，氧气的浓度直接影响 NO 的生成量，氧浓度水平 越高，NO 的生成量就会越多。当温度高于 1500时，NO 生成反应变得十分明显，随着温 度的升高，反应速度按阿累尼乌斯定律按指数规律迅速增加。通过实验得到，温度在 1500以上附近变化时，温度每升高 100，上述反应的速度将增大 6-7 倍。可见温度具有 决定性影响。因此也就把这种在高温下空气中的氮氧化物称之为温度型 NOX。 （2）热力型 NOX 的抑制： 热力型 NOX 的产生源于空气中的氮气在 1500 以上的高温反应环境下氧化，所以，控 制热力型 NOX 的主要从一下几方面入手： 1）降低燃烧反应是的温度，避开其反应所需要的高温环境； 2）使氧气浓度处于较低的水平； 3）减少空气中的氮气浓度； 4）缩短热力型 NOX 生成区的停留时间。 一般来说，工业燃烧过程中以空气为氧化剂时控制 N2的浓度不容易实现，而富氧燃烧 或纯氧燃烧技术就是以减少 N2从而减少热力型 NOX 的一种方法。降低燃烧温度在工程实 践中是通过向火焰面喷射水/水蒸气来实现的。降低氧浓度可以通过烟气循环来实现。使一 部分烟气和新鲜空气混合，既可以降低氧浓度，同时可以降低火焰的温度。此外分级燃烧 和浓淡燃烧技术也可以控制热力型 NOX。 1.1.2 快速型： 快速型 NOX 主要是指燃料中的碳氢化合物在燃料浓度较高区域燃烧时所产生的烃与燃 烧空气中的 N2 分子发生反应形成的 CN、HCN，继续氧化而生成氮氧化物。因此，快速型氮 氧化物主要产生于碳氢化合物含量较高、氧浓度较低的富燃料区。快速温度型 NOX 是空气 中的氮分子在着火初始阶段，与燃料燃烧的中间产物烃（CHi）等发生撞击，生成中间产物 HCN 和 CN 等，在经氧化最后生成 NOX。其转化率取决于过程中空气过剩条件和温度水平。 （1）产生机理： 快速温度型 NOX 的产生是由于氧原子浓度远超过氧分子离解的平衡浓度的缘故。测定 发现氧原子的浓度比平衡时的浓度高出十倍，并且发现在火焰内部，由于反应快， O、OH、H 的浓度偏离其平衡浓度，其反应如下: H+O2OH+O O+H2OH+H OH+H2H2O+H 可见，快速温度型 NOX 的生成可以用扩大的泽尔多维奇机理解释，但不遵守氧分子离 析反应处于平衡状态这一假定。 经实验发现，随着燃烧温度上升，首先出现 HCN，在火焰面内到达最高点，在火焰面 背后降低下来。在 HCN 浓度降低的同时，NO 生成量急剧上升。还发现在 HCN 浓度经最高 点转入下降阶段时，有大量的 NHi 存在，这些胺化合物进一步氧化生成 NO。其中 HCN 是 重要的中间产物，90%的快速温度型 NOX 是经 HCN 而产生的。快速温度型 NOX 的生成量 受温度的影响不大，而与压力的 0. 5 次方成正比。在煤粉炉中，其生成量很小，一般在 5% 以下。正常情况下，对不含氮元素的碳氢燃料的较低温度的燃烧反应中，才着重考虑快速 型 NOX。 （2）快速型 NOX 的抑制原理 快速型 NOX 的特征是温度依赖性低，生成速度快。根据快速型 NOX 的生成机理考虑， 它是由 N2 分子和 CHI 自由基反应生成的 HCN ， HCN 又被数个基元反应氧化而成的。所 以快速型 NOX 的控制主要从两个方面来入手考虑:抑制 N2 分子和 CHI 自由基的反应以及 HCN 的多个基元反应。 1.1.3 燃料型： 燃料型 NOX 是燃料中氮化合物在燃烧过程中热分解且氧化而生成的，是燃煤电厂锅 炉产生氮氧化物的主要途径，其生成量主要与氧浓度（化学当量比）有关。燃料型 NOX 包 括挥发分中均相生成的 NOX 和由残焦中异相生成的 NOX 两部分。挥发分中的氮主要以 HCN 和 NHi的形式析出，随后氧化生成 NOX。焦炭中氮可以通过异相反应氧化生成 NOX。 其中由挥发分燃料氮转化而成的燃料型 NOX（简称挥发分燃料型 NOX）约占 6080， 由焦炭燃料氮转化而成的 NOX（简称焦炭燃料型 NOX）约占 2040。 燃料中氮的化合物中氮是以原子状态与各种碳氢化合物结合的，与空气中氮相比，其 结合键能量较小，因而这些有机化合物中的原子氮较容易分解出来，氮原子的生成量大大 增加，液体与固体燃料燃烧时，由于氮的有机化合物放出大量的氮原子，因此无论是挥发 燃烧中还是焦炭燃烧阶段都生成大量的 NO。就煤而言，燃料氮向 NOX 转化过程大致有三 个阶段:首先是有机氮化合物随挥发分析出一部分，其次是挥发分中氮化合物燃烧，最后是 炭骸中有机氮燃烧。 （1）产生机理： 燃料燃烧时，燃料氮几乎全部迅速分解生成中间产物 I，如果有含氧化合物 R 存在时， 则这些中间产物 I(指 N，CN，HCN 和 NHi 等化合物)与 R(指 O，O2 和 OH 等)反应生成 NO， 同时 I 还可以与 NO 发生反应生成 N2: 燃料(N) I I+RNO+ I+NON2 燃煤中的氮分为挥发性氮和焦炭氮，其中挥发性氮被释放后含有一定量的 NH3，并按 下式进行反应: NH3+02NO+ 焦炭 N+O2NO+ 燃煤中的氮生成 NOX 主要取决于煤中的含氮量，显然煤中的含氮量越高，生成的 NOX 越多。当锅炉内生成 NOX 时，还存在一系列氧化还原反应。 燃料氮的转化率主要受温度、过量空气系数(富裕氧浓度)和燃料含氮量的影响，一般 在 10%45%范围内。 随着氮的转化率(主要受温度影响)升高，燃料氮转化率不断提高，但这主要发生在 700800温度区间内。因为燃料 NO 既可通过均相反应又可通过多相反应生成，燃烧温 度很低时，绝大部分氮留在焦炭内；而温度很高时，70% -90%的氮以挥发分形式析出。浙 江大学研究表明，850时，70%的 NO 来自焦炭燃烧；1150时，这一比例降至 50%。由 于多相反应的限速机理，在高温时可能向扩散控制方向转变，故温度超过 900以后，燃 料氮转化率只有少量升高。 其主要的生成阶段是燃烧起始时候，在煤粉炉占 NOX 生成总量的约 60%一 80%左右， 目前对燃料型 NOX 的研究仍在继续深入。燃煤中氮元素的含量一般约为 0.5%2.5%，以 N 原子状态与煤中的碳氢化合物相紧密结合，以链状或环状形式存在，主要是以 N-C 和 N-H 键的形式存在，N-C 和 N-H 键要比分子氮的 N-N 键能小的多，更容易被氧化断裂生成 NOX，从这个反应的机理可以看出燃料型 NOX 要比热力型 NOX 更容易产生。由于这种氮氧 化物是燃料中的氮化合物经过热分解和氧化产生的，故称之为燃料型 NOX 。 而焦炭氮煤在通常的燃烧温度下以产生燃料型和热力型 NOX 为主，对不含氮的碳型燃 料，只在较低温度燃烧时，才需要重点考虑快速型 NOX，而当温度超过 1000时，则主要 生成热力型 NOX。可见，降低燃烧温度可有效减少 NO 的生成，但当温度降低到 900以 下时，燃料 N 向 N2 O 的转化率将提高。因此，仅通过降低燃烧温度来控制 NOX 的排放是 不够的，需要兼顾各方面因素。 （2）燃料 NOX 的抑制： 经理论和试验研究结果表明，煤粉中氮转化成 NOX 的量主要取决于炉内过量空气系数 的高低，当煤粉在缺氧状态下燃烧时，挥发出来的 N 和 C，H 竞争环境中不足的氧气。但 是由于氮竞争能力相对较弱，这就减少了 NOX 的形成；氮虽竞争氧能力较差，但是却可以 之间相互作用而生成无害的氮气分子。由以上结论可以看出，在富燃料条件下降低炉内的 过量空气系数能在很大程度上抑制燃料型 NOX 的生成。 同时，燃料中的含氮量也是影响燃料型 NOX 生成的一个重要因素。研究发现，含氮量 越高的燃料生成 NOX 的转化率越低。但是由于基数相对较大，实际燃烧过程中高含氮量燃 料最终所产生的燃料型 NOX 要远大于含氮量低的燃料。研究表明燃料中的氮是在较低温度 下就开始分解，故温度对燃料型 NOX 的生成影响不是很大。 综上所述，降低燃料型 NOX 的主要因素是减少反应环境中的氧气浓度，使煤粉在 a1 环境中进行燃烧反应；在扩散燃烧时候推迟空气和燃料的混合；在允许条件下应当燃用含 氮量低的燃煤。 燃烧过程中最终生成的 NO 浓度和燃料中氮全部转化成 NO 时的浓度比为燃料型 NOX 的转化率 CR【最终生成的 NO 浓度】【燃料全部转化成 NO 的浓度】 试验研究表明，影响 CR 的主要因素是煤种特性以及炉内的燃烧条件。 用挥发分化学当量比（SRV Stoichiometric Ratio of Volatile）来表征挥发分燃烧过程中的 气氛。 对挥发份析出时刻进行气氛的有效控制，可以有效抑制 NOX 的生成，这一结论从微观 角度验证了空气分级技术对 NOX 深层控制的可行性。 1.2 影响 NOX 生成量的因素 1.2.1 煤质条件 煤是一种含有大量 C，H，O 和少量 S，N 等有机物和部分无机物的沉积岩。煤里面的 N 原子一般是以链状或者环状两种形态存在于物质当中，经研究发现，如果 N 以环状形态 存在于物质中，通过燃烧一般不会转化成为氮氧化物，所以对环境的污染相对较少，但是 如果以链状的形态存在于物质中，经过剧烈的燃烧化学反应多数被氧化成氮氧化物，造成 大气污染。然而煤中的 N 元素的主要存在形式为链状，所以煤燃烧过程就伴随大量的氮氧 化物的产生。 （1（煤质氮含量： 常规燃料中，除天然气基本上不含氮化物外，其他燃料或多或少地含有氮化物，其中 石油的平均含氮量为 0.65%左右，煤的含氮量一般在 0.5%2.5%左右。通常，燃料中大约 20%80%的 N 转化为 NOX ，其中 NO 又占 90%95%。当燃料中的 N 含量超过 0.1%时， 燃料型 NOX 排放将是最主要的。燃料的 N 含量增加时，虽然生成的燃料型 NOX 量增加， 但 NOX 的转化率却减少；煤的燃料比 FC/V 越高， NOX 的转化率越低。 （2（挥发分含量 我国发电用煤中 N 和挥发分含量：对于所考察数据库中的煤种，随干燥无灰基挥发分 含量(Vdaf )的增加，收到基 N 含量(Nar)呈逐渐降低的趋势，只有少数挥发分很高的褐煤稍 偏离这一趋势。 锅炉燃用煤种主要是贫煤和烟煤，但挥发分含量在 2030之间的较少，因为这一 范围的烟煤主要是炼焦煤不用作锅炉燃料 对于所统计的锅炉和煤种。燃煤高挥发分含量 煤的锅炉 NO 排放量一般较低。相比起来，燃用贫煤比燃用烟煤的锅炉 NO 排放质量浓度 高得多，如图 1-2、图 1-3。 图 1-2 无烟煤挥发份氮 v 与 关系 图 1-3 烟煤挥发份氮 v 与 关 系 国内外大量的实验室研究结果和实际锅炉现场试验的经验表明，煤的挥发分含量是影 响锅炉 NOX 生成和排放量的主要因素之一，这是因为煤中挥发分的释放和燃烧相当程度上 决定了煤粉火焰特别是燃烧初期高温区的温度及其分布，因此在燃烧空气充分的条件 下高挥发分煤燃烧的火焰温度高，这种情况下燃烧生成的 NOX 质量浓度随煤的挥发分的 增加而增加， 但另一方面挥发分的释放和快速燃烧可迅速、大量消耗 O，导致燃烧初期 火焰区贫氧甚至出现还原气氛区。从而抑制挥发分氮向 NOX 的转化和燃料 NOX 的生成， 这是低 NOX 煤粉燃烧器控制 NOX 生成的主要依据之一。此时，煤中挥发分含量增加，随 热解析出到火焰中的氮一般较多且较多地被还原。因而锅炉生成的 NOX 随煤中挥发分含量 的增加而降低。 1.2.2 锅炉的设计参数和运行条件 （1（低 NOX 燃烧系统的影响 通过低 NOX 燃烧器对煤粉的燃烧组织，促进挥发分析及挥发分氮的大量析出，通过主 燃烧区低过量空气系数抑制挥发分氮向 NO 的转化，而炉内深度空气分级的采用则促进 NOX 的还原，高挥发分煤因相对 N 含量低且燃料 N 的转换可得到有效抑制，因此这种控 制方式对高挥发分煤 NOX 排放控制更为有效。 （2（焦氮含量随温度变化趋势，如图 1-4 图 1-4 （3（煤粉细粒对燃料 N 转化为挥发分 N 比例的影响，如图 1-5 图 1-5 （4（机组负荷对氮氧化物排放影响 机组负荷的高低直接影响了炉膛温度的高低，而温度对热力型和快速型氮氧化物的影 响很大，从而对氮氧化物的排放产生影响，因此不同负荷下氮氧化物的排放也有不同。如 图 1-6，说明降低炉膛温度也是降低氮氧化物的一个重要思路，但是锅炉运行炉内温度不 宜过度的降低(尤其是锅炉燃用劣质煤)会导致锅炉的低负荷稳燃性能降低、燃烧效率降低， 甚至有熄火的危险。 图 1-6 （5（炉膛氧量对氮氧化物排放影响 对神华煤燃烧过程中试验发现： 当 SRV 值小于 1.1 时，NO 析出量很小，当 SRV 大于 1.11 时，挥发份燃烧后 O2开始有 部分剩余，造成 HCN，NH3等前驱物的大量氧化，引起 NO 的快速增加。 在 SRV1.58 之后，可以明显观察到焦炭的燃烧，并且随着 O2量的增加，加速了 O2 从周围空间向焦炭表面的扩散，焦炭的非均相氧化，焦炭 NOX 也会迅速增加。在 SRV 增大 到 2.38 时达到最大值，随后随 SRV 增大开始呈现下降趋势。适当的高温有利于早期挥发份 的快速析出，降低整体 NOX 析出比例，如图 1-7 图 1-7 （6（NOX 排放量与一次风的关系 传统锅炉设计一次风配比方式，见表 1-1 一次风率 煤种 干燥无灰基挥发 分含量 Vdaf/%直流燃烧器旋流燃烧器SRV 无烟煤280.150.22.57.5 贫煤8190.150.21.061.875 20300.250.31.01.25 烟煤 30400.30.30.41.0 褐煤40500.350.40.80.875 推荐值SRV1.0 表 1-1 图 1-9 图 1-8 化氮排放量与一次风率的关系 图 1-10 从图 1-10 氧量变化对 NOX 排放影响显著，在 300MW 工况下，配风方式相同时，当氧 量从 4%降至 2%时，一般 NOX 的排放量能减少 150350mg/m3左右。氧量降低对 NOX 排放 的减少主要原因是当氧量减少时，燃料型 NOX 的生成明显减少所致。 应控制一次风的 SRV24的烟煤，具有明显的低负荷稳燃性能，能在 40负荷下不投油稳定燃烧， 该技术已经成功地应用黄台电厂上。 6.2.2WR 型低 NOX 燃烧器 WR 型燃烧器(Wide Range Burner，宽调节比燃烧器)主要由喷嘴和喷嘴体两部分组成， 如图 6-2 所示。WR 型燃烧器也是利用弯头的惯性分离作用，形成浓煤粉和淡煤粉，与弯头 相接的管道中安装了浓、淡煤粉的分离挡板，使这两股气流从各自的管道通过。这种燃烧 器的喷口内安装有波形钝体，可增强煤粉与气流的搅拌并在燃烧器的出口处形成一个有利 于着火的稳定回流区，从而提高火焰的稳定负荷范围。 图 6-2 WR 型低 NOX 燃烧器 WR 型燃烧器在垂直方向形成浓淡燃烧，其降低 NOX 排放的原理与 PM 燃烧器相似。 WR 型燃烧器与 PM 型燃烧器的不同之处在于：PM 型燃烧器有两个喷嘴，而 WR 型燃烧器 将浓、淡相集中在一个喷口内。因此，WR 型燃烧器的上、下一次风中心距可以做得较小， 这样既有利于降低整体的火焰高度、减少 NOX 的排放，又降低了锅炉的造价、满足了燃用 劣质煤的要求。这种燃烧器已在多家电厂成功应用。例如，汉川电厂采用这种燃烧器取得 了较好的低负荷稳燃和低 NOX 排放效果。 6.2.3水平浓淡式燃烧器 在浓淡燃烧技术的基础上，哈尔滨工业大学经过多年的努力，提出“风包粉”煤粉燃烧 的思想，开发出水平浓淡风煤粉燃烧器。水平浓淡可以采用两种方式来实现：第 1 种是采 用百叶窗煤粉浓缩器，如图 6-3 所示。这种方式对煤粉管道的布置无特殊要求，适用于工 程改造；第 2 种是采用 90弯头，这种方式需要对管道设计做特殊处理，主要适用于新机 组的设计。 图 6-3 百叶窗水平浓淡燃烧器 水平浓淡燃烧器利用浓缩器或弯头将煤粉气流分成浓淡两相，并保持水平直到喷嘴出 口。含有一次风中大部分煤粉的浓相气流在向火侧切向喷入炉内，形成内侧小切圆；淡煤 粉气流在背火侧切向喷入炉内，形成外侧假想大切圆。水平浓淡燃烧器也属于浓淡燃烧方 式，故其降低 NOX 排放的原理与 WR 型燃烧器相似。此外，由于燃烧器中形成了内层切圆 富燃料，属还原性气氛，能进一步降低 NOX 的形成。 与 WR 型燃烧器相比，水平浓淡燃烧器除具备低 NOX 排放的优点外，还能进一步改善 着火条件，增强水冷壁附近的氧化性气氛，可防止结焦和高温腐蚀。这种燃烧器煤种适应 性非常广，对于低挥发分的贫煤、无烟煤的应用效果也不错，已经成功应用在安阳等多家 电厂燃烧器的改造上。 6.3 旋流煤粉燃烧器 旋流燃烧器根据二次风的供入方式和一次风煤粉浓度可分为三类：普通型、分级燃烧 型和浓缩型。 6.3.1普通型旋流燃烧器： 普通型旋流燃烧器是指二次风通过燃烧器送入炉膛，一次风粉混合物没有浓缩的旋流 燃烧器，有以下几种形式：一、二次风均旋转的双蜗壳式旋流燃烧器；一次风为直流，二 次风为旋流的单蜗壳扩锥型燃烧器；一次风可以旋转或不旋转，二次风通过可动的切相 叶片送入炉膛的切相可动叶片燃烧器；轴向可动叶轮燃烧器，利用拉杆移动二次风通道中 的叶轮，从而改变二次风中直流气流和旋流气流的比例；轴向叶轮蜗壳型燃烧器，一次 风通过蜗壳进入炉膛，二次风的旋流器为直叶片；旋流预燃室燃烧器，根部二次风经过不 旋转的直叶片进入预燃室，另外的二次风在预燃室出口附近通过直叶片或有倾角的叶片送 入炉膛；管式旋流燃烧器。 普通的旋流燃烧器由于一二次风混合比较强烈,导致煤粉与气流强烈混合,过快的温升及 过量氧的加入,使燃烧强度很高,最终导致 NOX 的大量生成,约为 10001200mg/L。但可通过 增加燃烧器之间的距离和分级配风的方法来降低 NOX 的排放 6.3.2分级燃烧型旋流燃烧器 分级燃烧型旋流燃烧器是指二次风分两级或两级以上送入炉膛，一次风粉没有浓缩的 旋流燃烧器，有以下几种形式：双通道外混式旋流燃烧器，一次风为直流风，大部分二次 风通过轴向固定叶片送入炉膛，另外的二次风为直流风；SM 型燃烧器，一次风不旋转， 二次风通过旋转叶片形成旋转气流，一、二次风占燃烧总空气量的 80-90%，剩下的二次风 从燃烧器喷口周边外一定距离处均匀布置的四个喷口以直流的形式送入炉膛；蜗壳叶片 式燃烧器，一次风通过蜗壳进入炉膛，二次风通过内、外二次风通道的轴向叶片一旋转的 方式进入炉膛；RSFC 型燃烧器，一次风为直流风，二次风由三个分风道以旋流的形式进入 炉膛，其中一个或三个分风道均可以掺入在循环烟气。 6.3.3浓缩型旋流煤粉燃烧器 浓缩型旋流燃烧器是指一次风粉混合物经过浓缩后通过提高煤粉浓度来改善煤粉的着 火及燃烧条件的旋流煤粉燃烧器。 6.3.4DRB 型旋流燃烧器 B&W 公司 20 世纪 70 年代推出了二次风双流道均为旋流的燃烧器，即 DRB 型燃烧器 (Dual Register Burner，双调风旋流燃烧器)，其结构如图 6-4 所示。DRB 型燃烧器一次风管 外有可调的内二次风和外二次风管，风管中设有 2 个分别控制的调风器。内调风器的主要 作用是促进着火和稳燃，外调风器的主要作用是在火焰下游供风以完成燃烧。 图 6-4 DRB 型旋流燃烧器 DRB 型燃烧器主要通过调整内、外二次风的比例和旋流强度来调节一、二次风的混合， 延迟燃烧过程、降低燃烧强度，并在燃烧器出口造成很强的还原性气氛，从而降低 NOX 的 排放量。DRB 型燃烧器主要适用于燃烧挥发分大于 5的烟煤。运行实践证明，采用 DRB 型燃烧器后，距喷口 1.2 m 处的火焰温度由 1600降至 1400，N0x 排放浓度可降低 39。 6.4 双调风燃烧器 是美国 B&W 公司开发出的第一代低 NOX 旋流煤粉燃烧器，并在 1971 年投入商业运行。 一次风一般为直流，一次风管道内装有颗粒导向器和圆锥形扩散体，用惯性分离作用将一 次风风粉混合物分成浓、两股气流，一次风管壁四周为浓煤粉气流，一次风管中心附近为 淡煤粉气流。二次风分为两部分，内二次风道中有轴向可动叶片，外二次风道中采用轴向 或切向可动叶片使内、外二次风旋转。通过调节内、外二次风的比例和叶片角度，可以改 变气流的旋转强度，从而调节一、二次风的混合。 6.4.1德国 Babcock 公司 WS 型双调风低氮燃烧器 WS 型双调风低氮燃烧器，如图 6-5 所示。燃烧器的中心是中心风管，管中可插点火油 枪。一次风和外二次风是直射流，内二次风由叶片产生旋转，改变叶片的角度可调整旋流 强度。 图 6-5 WS 型低 NOX 燃烧器 WS 6.4.2HT-NR 型低 NOX 燃烧器 Babcock-日本 IHI 公司在 DBR 型燃烧器的基础上，与 1985 年研制成 HT-NR 型低 NOX 燃 烧器，其结构如图 6-6 所示。一次风粉气流经过 90弯头进入燃烧器一次风管后，通过文 丘里管向中心浓缩，然后经过安装在中心管上小角度轴向叶片，煤粉被甩向一次风管壁附 近后喷入炉膛。一次风喷口装有陶瓷制成的齿形稳燃环，可使煤粉颗粒稳定着火。内二次 风通道内装有可调角度的轴向叶片。在内二次风道出口，排列紧密的旋流叶片围绕着一次 风喷口。二次风挡板和内二次风轴向叶片分别由两根推拉式的拉杆控制，推拉二次风挡板 可改变内、外二次风风量比例。 图 6-6 HT-NR 型低 NOX 燃烧器 1-齿环稳燃器 2-内二次风扩口 3-外二次风径向叶片；4-内二次风轴向叶片； 5-一次风叶片；6-二次风挡板；7-文丘里管；8-一次风管；9-看火孔；10-油枪 6.4.3PAX 型旋流燃烧器 PAX 型燃烧器(Primary Air Exchange Burner，一次风交换燃烧器)是 B&W 公司在 DRB 型 燃烧器的基础上增设了 PAX 装置及分级风管形成的，结构如图 6-7 所示。 图 6-7 PAX 型燃烧器 PAX 型燃烧器的原理是当一次风粉气流通过燃烧器入口弯头时，由于离心力的作用， 使进入外侧主燃烧器喷嘴的煤粉约占总煤粉量的 90。其余约 10的煤粉和约 50的低 温乏气，从一次风管中抽出，将其作为三次风在燃烧器周围的三次风口喷入炉膛。一次风 管中所剩的 50空气与二次风箱引入的温度为 310371的热风混合后作为一次风喷入炉 膛。这种燃烧器的降低 NOX 原理仍是分级送风。 6.4.4NSW 型旋流燃烧器 NSW 型旋流燃烧器的一次风通道内装有轴向叶片式分离器，利用惯性分离作用将一次 风风粉混合物分成浓、两股气流，淡煤粉气流通过一次风内通道，浓煤粉气流通过一次风 外通道。两股气流在喷口处，通过导向装置将浓煤粉气流引向燃烧器中心附近，淡煤粉气 流引向浓煤粉气流外侧喷入炉膛，二次风通过内、外二次风通道以旋流的形式进入炉膛。 运行表明，火焰稳定性提高。 6.4.5径向浓淡旋流燃烧器 哈尔滨工业大学在提出了“水平浓缩煤粉燃烧”技术的基础上，提出了“径向浓淡旋流煤 粉燃烧”技术，这种燃烧器的结构见图 6-8。 图 6-8 径向浓淡旋流燃烧器 径向浓淡旋流燃烧器是在一次风道中加装了一个煤粉浓缩器，从而将一次风、粉混合 物分成煤粉浓度相差适当的两股径向气流。靠近中心的一股为含粉量较多的浓煤粉气流， 它经过浓一次风通道喷入炉膛。另外一股为含粉量较少的淡煤粉气流，在浓煤粉气流外侧 环形通道喷入炉内，从而形成沿半径方向的浓煤粉、淡煤粉的着火方式。同时二次风通道 分成了两部分，一部分二次风以旋流的形式进入炉内；另一部分二次风以直流的形式在旋 流二次风外侧的环形通道进入炉内。这种燃烧器是将煤粉分级、空气分级相组合的一种方 式，已在燃用贫煤、烟煤的多台锅炉上得到应用，实现了高效、稳燃、低污染燃烧#。 现将国外几家旋流燃烧器生产公司的低氮燃烧器发展情况及国内外大型锅炉燃烧器改 造及使用情况汇总见表 6-1。 各公司低氮燃烧器的发展及应用情况表 公司名称第一代燃烧器第二代燃烧器第三代燃烧器第四代燃烧器第五代燃烧器 1976 年，CF（可 控流量）燃烧器， 二次风分两层， 即内、外二次风， 有一个可滑动的 套筒挡板可控制 每个燃烧器的二 次风量。北仑 期所用的是这代 的修改型，在燃 烧器中间增加了 中心风。 CF/SF 燃烧器始 于 1979 年，该 燃烧器与第一代 燃烧器的区别是 喷嘴的形式不同， 第二代燃烧器的 喷嘴分成 4 个椭 圆形的，即火焰 为 4 股。 1991 年1995 年，对燃烧器的 喷嘴形式进行了 一些改进，即把 CF/SF 燃烧器 4 个煤粉喷嘴改为 IFS 燃烧器的 6 个煤粉喷嘴。 1994 年至今， PF/SF 燃烧器， 与第三代的主 要区别为内二 次风进入的方 式，在进口内、 外二次风是平 行的，而不是 先进入外二次 风然后再进入 内二次风；第 四代燃烧器煤 粉进入方式为 轴向的，而不 是切向的。 1997 年至今， VS/SF 燃烧器， 内二次风的叶片 为轴向，角度固 定；内二次风风 量通过一个可轴 向滑动的内二次 风锥形套筒进行 调节。 美国 FW 北仑二期，改造 前的江苏利港， 使用该燃烧器 NOX 排放浓度都 在 1000mg/Nm3左 右。 FW 提供业绩没有 超过 300MW 以上 的机组，在美国 的 HP1（500t/h) 炉其 NOX 排放为 258mg/Nm3，NJ 炉为 393mg/m3。 美国巴威 20 世纪 70 年代， 双调风燃烧器， 即 DRB 燃烧器。 20 世纪 80 年代 中期，DRB-XCL 燃烧器，内、外 二次风旋流强度 可通过轴向叶片 21 世纪初， DRB-4Z 燃烧器， 在内二次风与一 次风之间有一过 渡区，该区域的 公司名称第一代燃烧器第二代燃烧器第三代燃烧器第四代燃烧器第五代燃烧器 角度调节。二次风量可调节。 北仑#2 炉用该燃 烧器 NOX 的排放 值在 550mg/Nm3。 嘉兴用该燃烧器， NOX 的排放值在 330460mg/Nm3 。 兰溪电厂用的是 该燃烧器，NOX 的排放值在 300mg/Nm3。 1997 年 ABT 燃烧 器开始商业运行， 其开发的 Opti- Flow 燃烧器专用 来对原锅炉进行 改造，该燃烧器 采用双调风系统， 控制燃烧器内外 二次风的分配。 美国 ABT 江苏利港电厂改 造后其 NOX 排放 浓度控制在 400mg/Nm3左右。 德国巴威 1976 年，W 型二 次风为一股 1978 年，WS 型 燃烧器二次风分 内、外二次风， 内二次风的旋流 强度可调。 1991 年，DS 型 燃烧器，内、外 二次风旋流强度 都可调，且一次 风也有旋流叶片。 公司名称第一代燃烧器第二代燃烧器第三代燃烧器第四代燃烧器第五代燃烧器 Staudinger 电 厂改造前使用该 型号燃烧器 NOX 排放浓度在 500800mg/Nm3 。 Staudinger 电 厂改造后使用该 型号燃烧器 NOX 排放浓度在 300460mg/Nm3 。 80 年代中期英巴 完成对 Mark型 燃烧器的商业运 行，该燃烧器除 了一次风和燃料， 还有二次风和三 次风，较以前英 巴燃烧器在 NOX 排放上减少了近 50%浓度。 90 年代中期英 巴开发了 Mark型低氮燃 烧器，该燃烧器 在型的基础上 引入了四次风， 其 NOX 的排放浓 度可进一步降低 25%左右。英国巴威 香港青山电厂改 造后使用该燃烧 器 NOX 排放浓度 从原来 1500mg/Nm3下降 到 500900mg/Nm3 。 表 6-1 7.7.低低 NOXNOX 燃烧器的发展前景燃烧器的发展前景 直流燃烧器和旋流燃烧器各有优劣，结合我国煤种多变、煤质下降的情况以及多年来 所取得的切圆燃烧的运行经验来看，直流燃烧器具有其优越性。目前世界上比较成熟的低 NOX 燃烧器有：美国 B&W 公司的双调风低 NOX 系列燃烧器，即 DRB-XCL 低 NOX 燃烧器和 DRB-4ZTM 低 N0x 燃烧器；美国 FW 公司的 CF/SF 低 NOX 燃烧器；日本 BHK 公司的 HT NR3 型燃烧器；日本三菱公司的 PM 低 NOX 燃烧器；ALSTOM 公司的低 NOX 同轴燃烧系统。 我国低 NOX 燃烧技术起步较早，主要集中在对四角切圆直流燃烧方式锅炉燃烧器的 LNB 改 造上。采用 LNB 技术，只需用低 NOX 燃烧器替换原来的燃烧器，燃烧系统和炉膛结构不需 要作任何更改，改造费用较低，因此成为电站锅炉降低 NOX 排放量的重要手段。 三菱 MACT 低 NOX 燃烧系统如图 7-1： PM 型低 NOX 燃烧器为主要燃烧器，集低 NOX 燃烧器、炉膛空气分级、燃料分级和烟气再循环于一体，适用于四角切向燃烧的燃烧 器布置方式，可达 100ppm 以下 。 图 7-1 8 8 题库题库 一、填空题 1（燃烧过程中最终生成的 NO 浓度和燃料中氮全部转化成 NO 时的浓度比）为燃料型 NOX 的转化率 2（燃料）型 NOX 是电厂锅炉排放 NOX 最主要的 3 空气分级燃烧的实现有多种形式，但主要有（轴向）和（径向）分级燃烧两种。 4 燃尽风的种类：（紧凑型燃尽风） 、 （分离燃尽风） 、 （高速燃尽风） 、 （旋流燃尽风） 。 5（将再燃和选择性非催化还原(SNCR)相结合，将氨水或尿素作为氮催化剂喷入再燃区或燃 尽区，以进一步降低 NOX） ，称之为先进再燃。 6 影响再燃效果的主要因素（再燃燃料的种类和特性） 、 （再燃燃料比和过量空气系数） 、 （再燃燃料注入温度） 、 （烟气在再燃区的停留时间） 。 7（再燃燃料输入热量占锅炉总输入热量的份额）为再燃燃料比。 二、简答题 1 燃煤锅炉排放的 NOX 来源有哪几种类型？并简述每种类型的生成机理。 根据 NOX 中的 N 的来源及生成途径，燃煤锅炉中 NOX 的生成机理可以分为三类：热 力型、燃料型和快速型，其中燃料型占主导作用。 （1）热力型 NOX 是参与燃烧的空气中的 N 在高温下氧化产生的，热力型 NOX 产生的 反应速度要比燃烧时反应速度慢，而且温度对其生成起着决定性作用，因此，在锅炉燃烧 时可以通过降低火焰温度、控制氧气浓度以及缩短煤在高温区的停留时间来抑制热力型 NOX 的生成。 （2）快速型的 NOX 中 N 的来源也是空气中的氮，煤炭挥发分中的碳氢化合物在高温条 件下发生热分解，生成活性很强的碳化氢自由基（CH、CH2 ）这些活化的 CHi 与空气中的 N2 反应形成中间产物 HCN、NH 和 N 等，再进一步氧化而形成的 NO，实验表明这个过程 只需 60ms，故称快速型 NOX。 （3）由燃料中的 N 氧化而生成的 NOX 称为燃料型 NOX；燃料型 NOX 是煤粉燃烧过程中 NOX 的主要来源，占总量的 60%80%；煤中绝大多数的 N 都是以有机 N 的形式存在，在 燃烧过程中，一部分含氮的有机化合物挥发并受热裂解生成 N、CN、HCN 和 NHi 等中间 产物，随后再被氧化生成 NOX；另一部分焦炭中剩余氮在焦炭燃烧过程中被氧化成 NOX， 因此燃料型 NOX 又分为挥发分 NOX 和焦炭 NOX。 2 燃煤锅炉的低 NOX 空气分级燃烧燃技术的原理是什么？ 它通过调整燃烧器及其附近区域或是整个炉膛区域内空气和燃料的混合状态，在保证 总体过量空气系数不变的基础上，使燃料经历“富