低氮燃烧技术原理培训教程

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低氮燃烧技术原理

IowNOXcombustiontechnoIogy

MAJ

TDNO.100.2

目录

1低氮燃烧技术....................................................................0

1.1NOX产生机理与抑制方法.....................................................0

1.2影响NOX生成量的因素.......................................................5

2.低氮燃烧技术................................................................12

2.1基本原理.................................................................12

3.空气分级低NOX燃烧技术原理及其技术特征分析..................................13

3.1空气分级燃烧的基本原理..................................................14

3.2空气分级燃烧的要紧形式..................................................14

3.3轴向空气分级燃烧的影响因素..............................................15

3.4径向空气分级燃烧的影响因素..............................................15

3.5燃尽风的种类............................................................15

3.6燃尽风布置方式的选择....................................................21

3.7空气分级燃烧技术的应用前景..............................................22

4.燃料分级燃烧................................................................23

4.1燃料再燃的原理..........................................................23

4.2再燃燃料的选择..........................................................24

4.3再燃燃料的选取..........................................................24

4.4影响再燃效果的要紧因素..................................................26

4.5燃料再燃技术的进展前景..................................................26

5.烟气再循环低NOX燃烧技术原理及其技术特征分析................................26

5.1烟气再循环机理..........................................................26

5.2烟气再循环率的选择......................................................27

5.3利用烟气再循环实现HTAC..........................................................................................................27

6.低NOX燃烧器技术原理及型式..................................................28

6.1低NOX燃烧器的原理......................................................28

6.2直流煤粉燃烧器..........................................................28

6.3旋流煤粉燃烧器..........................................................31

6.4双调风燃烧器............................................................32

7.低NOX燃烧器的进展前景......................................................38

8题库...........................................................................40

1低氮燃烧技术

1.1NOX产生机理与抑制方法

锅炉燃烧过程中成成的氮氧化物(要紧是NO与N0J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务必考虑的要紧问题之一。锅炉燃烧过

程中产生的NOX通常可分为三大类：即热力型NOX(ThermaolNOX)、燃料型NOX(FeulNOX)、

与快速型NOX(PromptNOX)。上述3种氮氧化物的构成随燃料含氮量不一致有差别。关于

燃煤，通常燃料型NOX占70%〜85%,热力型NOX占15%〜25%,其余为少量的快速型

NOX«

1500

(

E

/

3

E1000

、)

X

O

N

500

100014001800

炉膛温度/力

图1-1不一致类型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又称之温度型NOX。当燃

烧温度低于1800K时，热力NOX生成极少；当温度高于1800K时，反应逐步明显，且随温

度的升高，NOX生成量急剧升高。操纵热力型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。

。2一0+0

N2+O->NO+N

N+ch-NO+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+O2-NO+O相比于式N2+0TN0+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W+O-NO+N,反应式N2+O-NO+N是一个吸热反应，反应的活化能由反应式

反应与氧分子离解反应的活化能构成，其与为542X103j/mol。分子氮比较稳固，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02在高温条

件下的分解。热力型NOX的生成量伴随氧气浓度与温度的增大而加大。正由于氧原子与氮

分子反应的活化能很大，而原子氧与燃料中可燃成份反应的活化能又很小，在燃烧火焰中生

成的原子氧很容易与燃料中可燃成份反应，在火焰中不可能生成大量的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，要紧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，N。的生成量就会越多。当温度高于1500℃时，N。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℃

以上邻近变化时，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NOXo

（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°C以上的高温反应环境下氧化，因此，操

纵热力型NOX的要紧从一下几方面入手：

1）降低燃烧反应是的温度，躲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。

通常来说，工业燃烧过程中以空气为氧化剂时操纵此的浓度不容易实现，而富氧燃烧

或者纯氧燃烧技术就是以减少W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。降低氧浓度能够通过烟气循环来实现。使一

部分烟气与新鲜空气混合，既能够降低氧浓度，同时能够降低火焰的温度。此外分级燃烧与

浓淡燃烧技术也能够操纵热力型NOX。

1.1.2快速型：

快速型NOX要紧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烧与燃

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

氧化物要紧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燃(CHi)等发生撞击，生成中间产物HCN

与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与温度水平。

(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，同时发现在火焰内部，由于反应快，0、0H、

H的浓度偏离其平衡浓度，其反应如下：

H+C)2-0H+0

O+H2-0H+H

OH+H2TH20+H

可见，快速温度型N0X的生成能够用扩大的泽尔多维奇机懂得释，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，N0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，通常在5%下列。

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的特征是温度依靠性低，生成速度快。根据快速型NOX的生成机理考虑，

它是由N2分子与CHI自由基反应生成的HCN,HCN又被数个基元反应氧化而成的。因此

快速型NOX的操纵要紧从两个方面来入手考虑:抑制N2分子与CHI自由基的反应与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

产生氮氧化物的要紧途径，其生成量要紧与氧浓度(化学当量比)有关。燃料型NOX包含

挥发分中均相生成的NOX与由残焦中异相生成的NOX两部分。挥发分中的氮要紧以HCN与

NHi的形式析出，随后氧化生成NOX。焦炭中氮能够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60%〜80%,由焦炭燃

料氮转化而成的NOX（简称焦炭燃料型NOX）约占20%〜40%。

燃料中氮的化合物中氮是以原子状态与各类碳氢化合物结合的，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，因此不管是挥发燃烧中还

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，假如有含氧化合物R存在时，则

这些中间产物1（指N,CN,HCN与NHi等化合物与R（指O,。2与OH等）反应生成NO,同

时I还能够与NO发生反应生成N2:

燃料（N）-I

I+R-NO+.......

I+NO—N2.......

燃煤中的氮分为挥发性氮与焦炭氮，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+O2-N0+.......

焦炭N+C）2->N0+.......

燃煤中的氮生成NOX要紧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。

燃料氮的转化率要紧受温度、过量空气系数（富裕氧浓度）与燃料含氮量的影响，通常在

10%~45%范围内。

随着氮的转化率（要紧受温度影响）升高，燃料氮转化率不断提高，但这要紧发生在700℃

~8000c温度区间内。由于燃料N。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

究说明，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操纵方向转变，故温度超过900℃以后，燃料氮转化率只

有少量升高。

其要紧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%—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通常约为0.5%~2.5%,以N

原子状态与煤中的碳氢化合物相紧密结合，以链状或者环状形式存在，要紧是以N-C与N-H

键的形式存在，N-C与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,

从这个反应的机理能够看出燃料型NOX要比热力型NOX更容易产生。由于这种氮氧化物是

燃料中的氮化合物通过热分解与氧化产生的，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与热力型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，则要紧

生成热力型NOXo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℃下列

时，燃料N向此0的转化率将提高。因此，仅通过降低燃烧温度来操纵NOX的排放是不够

的，需要兼顾各方面因素。

(2)燃料NOX的抑制:

经理论与试验研究结果说明，煤粉中氮转化成NOX的量要紧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与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，但是却能够之

间相互作用而生成无害的氮气分子。由以上结论能够看出，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。研究说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的要紧因素是减少反应环境中的氧气浓度，使煤粉在a<l

环境中进行燃烧反应；在扩散燃烧时候推迟空气与燃料的混合；在同意条件下应当燃用含氮

量低的燃煤。

燃烧过程中最终生成的N。浓度与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】4-【燃料全部转化成NO的浓度】

试验研究说明，影响CR的要紧因素是煤种特性与炉内的燃烧条件。

用挥发分化学当量比(SRVStoichiometricRatioofVolatile)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操纵，能够有效抑制NOX的生成，这一结论从微观

角度验证了空气分级技术对NOX深层操纵的可行性。

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,0与少量S,N等有机物与部分无机物的沉积岩。煤里面的N

原子通常是以链状或者者环状两种形态存在于物质当中，经研究发现，假如N以环状形态

存在于物质中，通过燃烧通常不可能转化成为氮氧化物，因此对环境的污染相对较少，但是

假如以链状的形态存在于物质中，通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元素的要紧存在形式为链状，因此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，其他燃料或者多或者少地含有氮化物，其

中石油的平均含氮量为0.65%左右，煤的含氮量通常在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排放将是最要紧的。燃料的N含量增加时，尽管生成的燃料型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与挥发分含量：关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)呈逐步降低的趋势，只有少数挥发分很高的褐煤稍偏

离这一趋势。

锅炉燃用煤种要紧是贫煤与烟煤，但挥发分含量在20%〜30%之间的较少，由于这一

范围的烟煤要紧是炼焦煤.不用作锅炉燃料关于所统计的锅炉与煤种。燃煤高挥发分含量

煤的锅炉NO排放量通常较低。相比起来，燃用贫煤比燃用烟煤的锅炉N。排放质量浓度高

得多,如图1-2、图1-3。

SI空气系数a过量空气系数a

图-2无烟煤挥发份氮nv与a关系图1-3烟煤挥发份氮nv与a关系

国内外大量的实验室研究结果与实际锅炉现场试验的经验说明，煤的挥发分含量是影响

锅炉NOX生成与排放量的要紧因素之一，这是由于煤中挥发分的释放与燃烧相当程度上决

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.挥发分的释放与快速燃烧可迅速、大量消耗0,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N0X的转化与燃料N0X的生成，这是低

N0X煤粉燃烧器操纵N0X生成的要紧根据之一。如今，煤中挥发分含量增加，随热解析出

到火焰中的氮通常较多且较多地被还原。因而锅炉生成的N0X随煤中挥发分含量的增加而

降低。

1.2.2锅炉的设计参数与运行条件

(1)低N0X燃烧系统的影响

通过低N0X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N0的转化，而炉内深度空气分级的使用则促进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，因此这种操纵方式

对高挥发分煤NOX排放操纵更为有效。

(2)焦氮含量随温度变化趋势，如图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

90

80

70

60

50

40+120-1500

30―11-120目

20

1070-1000

050100150200300400500600700800

时间（ms）

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,而温度对热力型与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，因此不一致负荷下氮氧化物的排放也有不一致。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（特别是锅炉燃用劣质煤）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。

苣

>

运

§送

百

机组负荷（rwy

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02开始有

部分剩余，造成HCN,NK等前驱物的大量氧化，引起N。的快速增加。

在SRV=1.58之后，能够明显观察到焦炭的燃烧，同时随着量的增加，加速了5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

200-

180-

160-

沟140-

怅120-

H

N100-

80-

二

O60-

N

W40-

W20-

0-

0.00.51.01.52.02.53.03.5

SRV

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

F燥无灰基挥发一次风率

煤种

分含量Vdaf/%直流燃烧器旋流燃烧器SRV

无烟煤2〜80.15〜0.22.5-7.5

贫煤8〜190.15〜0.21.06〜1.875

20〜300.25〜0.31.0〜1.25

烟煤

30〜40-0.30.3-0.4^1.0

褐煤40〜50—0.35—0.40.8-0.875

推荐值SRV<1.0

表1-1

氧

等腰塔塔当

正

均束倒，

——-

♦时

一TT同

相

式

方

风

配

，

下

况

工

W

M

0

0

3

90在

-1-

11，

图著

图显

响

影

放

排

X

O

N

对

化

-辑址胡蒙

CTTO/a*N变

量

氧

0

1-

1

0000000

0000000图

9876543

从

量从4%降至2%时，通常NOX的排放量能减少150~350mg/m3左右。氧量降低对NOX排放

的减少要紧原因是当氧量减少时，燃料型NOX的生成明显减少所致。

应操纵一次风的SRV<1.0,在煤粉着火之间找到最佳值，同时避免二次空气在挥发份燃

烧阶段过早混入。

（7）风、煤配比对氮氧化物排放影响

随着氧量的降低，相同配风方式下NOX的排放浓度也逐步降低，NOX的排放浓度排放

浓度与配风方式正塔、均等、束腰、倒塔依次呈降低趋势。说明配风方式对NOX的排放浓

度影响显著。

1）正塔配风时，由于煤粉燃烧所需的空气在燃烧初期就已大量混入主燃烧区，主燃烧

区氧化性气氛较浓，因此导致燃烧区的NOX生成得不到有效抑制，尽管这种燃烧方式下，

主燃烧区温度比其他方式低，但由于燃料型NOX的生成在燃烧初期呈主导地位，因此，该

方式下NOX的排放浓度是最高的。

2）均等配风方式与束腰配风方式下，NOX的排放特性接近，相比均等配风方式略比束

腰配风排放低。两种配风方式下NOX的生成量均低于正塔配风方式，要紧是由于这两种配

风方式下，主燃烧区的氧浓度均低于正塔配风方式，从而抑制了燃料型NOX的生成，如图

l-lla

1—2獐,最

■3碑,量

4海,量

图1-11

3)预期束腰方式下NOX的排放要低于均等配风，但实际两者排放特性相近，且束腰

方式下的NOX的排放要略高于均等配风，这要紧是由于束腰方式尽管更能抑制燃料NOX的

生成，但由于该方式下，火焰中心温度较高，热力型NOX生成量增加，两者相抵，导致两

种配风方式下NOX排放浓度接近。

4）使用倒塔配风或者倒塔、束腰的组合配风方式对NOX生成的抑制效果最为明显，

只

有使用这种配风方式，才能比较有效地实现燃料与空气分级，从而有效地降低NOX的生成

量。

5）尽管使用倒塔配风与倒塔束腰的组合配风方式对NOX的排放浓度降低效果明显，

但务必在一定条件下合理使用正确的配风方式，否则将对锅炉运行安全与经济性均产生不利

影响。

（8）降低氮氧化物排放对锅炉效率影响

1）低氧燃烧方式对锅炉运行经济性的影响

使用低氧燃烧方式对锅炉经济性有利，同时能有效操纵NOX的生成，是大型烟煤锅炉

上能够推广使用的运行方式。

2）配风方式对锅炉运行经济性的影响

研究结果说明，锅炉一、二次风配风方式会对锅炉的燃烧经济性产生较大影响。与锅炉

正常运行的正塔、均等配风方式相比，使用倒塔运行方式尽管能更有效地降低锅炉NOX的排

放，但使用此配风方式会对锅炉经济性产生不利的影响。

研究说明，在燃烧系统优化改造的基础上，使用低氧燃烧方式与倒束腰的配风方式均可

有效降低NOX的排放。假如将两种方法适当组合、联合应用，能够取得降低NOX排放量的良

好效果。通过燃烧优化，使得在一定条件下，同时实现节能减排，提高锅炉效率，降低NOX

排放。

研究说明，使用低氧燃烧与配风方式相结合的方式能大幅度降低NOX排放量。但是，但

由于现有燃烧器的布置无法达到燃烧空气轴向深度分级、在燃尽风与主燃烧器之间无法形成

足够的还原空间，NOX的排放量仍无法达到国家标准450mg/m｝的要求。说明目前传统的低氮

燃烧方式难以达到我国现行排放标准的要求。

近年来.新建燃煤电站锅炉均使用了先进低NOX燃烧系统低NOX燃烧技术的快速进展

与应用，显著影响锅炉的运行性能.锅炉NOX排放特性及各影响因素的影响趋势也随低NOX

燃烧技术的使用而变化对使用先进低NOX燃烧系统的锅炉，要紧是根据煤的燃烧特性来实现

NOX排放操纵，相应的燃煤挥发分含量高则NOX度通常降低HI。在煤粉锅炉中燃料NOX占

NOX生成量的大部分。燃料NOX的生成量不仅取决于煤中的含氮量，还取决于其他煤质特

性参数.这些参数要紧通过影响煤的热解、燃烧特性而影响燃料N的转化与NOX的生成影

响燃料NOX生成的要紧煤质特性是煤中氮与挥发分含量，此外颗粒尺寸分布、热解速度、挥

发分与焦燃烧速度也影响NOX的生成。

2.低氮燃烧技术

从热力型对、燃料型与快速型三种NOX生成机理能够得出抑制NOX生成与促使破坏NOX

的途径，图2-1中还原气氛箭头所指即抑制与促使NOX破坏的途径。

2.1基本原理

2.1.1.低过量空气燃烧：

低过量空气燃烧是传统常用的低氮燃烧技术,如图2-2是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,能够抑制NOX的生成。这是一种最简单的

降低NOX排放的方法。通常可降低NOX排放15—20%。但如炉内氧浓度过低（3%下列），会

造成浓度急剧增加，增加化学不完全燃烧热缺失，引起飞灰含碳量增加，燃烧效率下降。因

此在锅炉设计与运行时，应选取最合理的过量空气系数。

25

液态排渣炉

固态排渣炉

图2-2剩系数对NOX生成量的影响

2.1.2.降低助燃空气预热温度

燃烧空气由27℃预热到315°C,NO排放量增加3倍，如图2-3

空气预热温度/石

图2-3热温度对天然气燃烧系统NOX生成量的影响

3.空气分级低NOX燃烧技术原理及其技术特征分析

3.1空气分级燃烧的基本原理

空气分级燃烧技术是美国在20世纪50年代首先进展起来的，它是目前使用最为普遍的

低NOX燃烧技术之一。空气分级燃烧的基本原理为：将燃烧所需的空气量分成两级送入，

使第一级燃烧区内过量空气系数在0.8左右，燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧，使得燃烧

速度与温度降低，因而抑制了热力型NOX的生成。同时，燃烧生成的CO与NO进行还原反

应，与燃料N分解成中间产物（如NH、CN、HCN与NH3等）相互作用或者与NO还原分解，

抑制了燃料型NOX的生成；在二级燃烧区内，将燃烧用的空气的剩余部分以二次空气输入,

成为富氧燃烧区。由于此区域温度已降低，新生成的NOX量有限，因此，总体上NOX的排

放量少，最终空气分级燃烧可使NOX生成量降低30%〜50%。

3.2空气分级燃烧的要紧形式

空气分级燃烧的实现有多种形式，但要紧有轴向与径向分级燃烧两种。

轴向分级燃烧（OFA方式）,如图3T：

轴向分级燃烧方式即火上风方式，是将燃烧所需的二次风分两部分进入炉膛：一部分为

主二次风，约占二次风总量的70%〜85%；另一部分为火上风（也称燃尽风OFA）,约占二次

风量的15%〜30%。如此，炉膛内形成3个燃烧区域，即热解区、贫氧区与富氧区，如下图

所示。热解区中煤粉与一次风混合燃烧，会生成少量的热力型NOX；贫氧区中燃料不完全燃

烧，抑制了燃料性NOX的生成；富氧区中火上风促成了燃料的完全燃烧。整个过程减少了

热力型NOX的生成，同时抑制了燃料型NOX的生亦降低了NOX的总排放量，实现了高效

低NOX燃烧的要求。

图3T轴向空气分级燃烧示意图图3-2径向空气分级燃烧示意图

径向分级燃烧，如图3-2：

将二次风射流轴线向水冷壁偏转一定角度，形成一次风煤粉气流在内、二次风在外的径

向分级燃烧。如今，沿炉膛水平径向把煤粉的燃烧区域分成位于炉膛中心的贫氧区与水冷壁

邻近的富氧区。由于二次风射流向水冷壁偏转，推迟了二次风与一次风的混合，降低了燃烧

中心氧气浓度，使燃烧中心a<l,煤粉在缺氧条件下燃烧，抑制了NOX的生成，NOX的排

放浓度降低。由于在水冷壁邻近形成氧化性气氛,可防止或者减轻水冷壁的高温腐蚀与结焦。

3.3轴向空气分级燃烧的影响因素

燃尽风喷口与燃烧器最上层一次风喷口的距离H：

距离大，分级效果好，NOX下降幅度大，但飞灰可燃物会增加。合适的距离与炉膛结构、

燃料种类有关。根据前苏联全苏热工研究所试验经验。H由下式计算：

"=1.5x(%“/10/

燃尽风份额：风量大，分级效果好，但可能引起燃烧器区域严重缺氧而出现受热面结焦

与高温腐蚀。关于煤粉炉，合理的燃尽风占锅炉总风量的15%〜20%左右。

燃尽风风速：燃尽风要有足够高的流速，以保证与烟气的良好混合。燃尽风速约为45〜

50m/s合适。

燃尽风喷口布置方式：常见的是角置式OFA喷口，也有使用墙置式结构，即OFA喷口

沿炉膛四面墙布置。

3.4径向空气分级燃烧的影响因素

要紧是二次风的偏转角度，偏转角度大，N0X排放量下降幅度大，但飞灰可燃物也会增

多，合适的偏转角度因煤种而异。

3.5燃尽风的种类

3.5.1紧凑型燃尽风(CCOFA)

CCOFA(Close-coupledOverFiredAir)也称之强耦合式燃尽风，通常紧邻最上层燃烧器

布置，由大风箱供风。它能够减少富燃料区的反应时间，增加贫燃料区或者燃尽区的反应时

间。其布置结构如图3-3所示：

[SOFA

CCOFM

CCOEM

ZE

E

DE

[

CD

C

BC

B

AB

A

AA

⑻Cross-sectionalviewoffurnace(b)Frontviewofburners

图3-3炉内空气分级结构示意图

在前些年投产的300MW等级机组锅炉中，几乎都使用了CCOFA技术，CCOFA风量通常

只占总风量的15%左右，可使锅炉NOX排放量操纵在650mg/m3左右。

3.5.2分离燃尽风(SOFA)

SOFA(SeparatedOverFiredAir)是另一种燃尽风形式，其风速通常设计为50m/s。SOFA

风布置在远离燃烧器的位置，与主燃烧器拉开一定距离。当前300MW与600MW机组锅炉

的典型设计中，SOFA风与上一次风的距离通常都在8米左右。表3-1给出了国内部分电厂

深度分级燃烧布置的尺寸。

国内部分电厂深度分级燃烧布置尺寸

序名称单位外高桥一黄埔电厂外高桥二宝钢电

厂3号炉5、6号炉rr

i号炉

1机组容量MW300300900350

2紧靠型燃尽风7qqX

3紧靠型燃尽风数量个84——

4分离型燃尽风4qq

5分离型燃尽风数量个/层8/212/3