烟气脱硝：低氮燃烧技术介绍

烟气脱硝：低氮燃烧技术介绍

低氮氧化物燃烧技术是改进燃烧设备或控制燃烧条件，以降低燃烧尾气中NOx浓度的各项技术。影响燃烧过程中NOx生成的主要因素是燃烧温度、烟气在高温区的停留时间、烟气中各种组分的浓度以及混合程度，因此，改变空气—燃料比、燃烧空气的温度、燃烧区冷却的程度和燃烧器的形状设计都可以减少燃烧过程中氮氧化物的生成。工业上多以减少过剩空气和采用分段燃烧、烟气循环和低温空气预热、特殊燃烧器等方法达到目的。

发展历程

国外从20世纪50年代开始就对燃煤在燃烧过程中NOx的生成机理和控制方法进行研究，研究结果表明：影响NOx生成和排放最主要的因素是燃烧方式，也即燃烧条件。因此当燃煤设备的运行条件发生变化时，NOx的排放也随之发生变化。燃烧温度、烟气中O2、NHi、CHi、CO、C和H2浓度是影响NOx生成和破坏的最重要的因子，因此凡通过改变燃烧条件来控制上述因子，以抑制NOx的生成或破坏已生成的NOx，达到减少NOx排放的措施，都称为低NOx燃烧技术。

影响因素

影响燃料型NOX生成因素较多，与温度、氧含量、反应时间，及煤粉的物理和化学特性有关。

温度

温度的升高对燃料型NOX生成量有促进作用。在1200℃以下时，其随温度升高显著增加，温度在1200℃以上时，增速平缓。对于燃料型NOX，燃料中N越高、氧浓度越高、反应停留时间越长，NOX生成量越大，与温度相关性越差。

氧含量

氧含量的增加，可以形成或强化窑炉内燃烧的氧化气氛，增加氧的供给，促进燃料中N向NOX的转化。燃料型NOX随过剩空气系数的降低而降低，在α<1时，NOX生成量急剧降低。在氧含量不足时，氧被燃料中的可燃成分消耗尽，破坏了氮与氧反应的物质条件。在α>1.1时，热力型NOX含量下降，燃料型NOX仍上升。燃料型NOx与煤的热解产物和火焰中氧浓度密切相关，如果在主燃烧区延迟煤粉与氧气的混合，造成燃烧中心缺氧，可使绝大部分挥发份氮和部分焦碳N转化为N2。

煤粉性质

不同种类的煤，挥发份含量、氮含量等差异较大。通常挥发份和氮含量高的煤种生成NOX较多。煤粉细度较细时，挥发份析出速度快，燃烧速度快，加快了煤粉表面的耗氧速度，使煤粉颗粒局部表面易形成还原气氛，产生抑制NOX生成的作用。煤粉细度较粗时，挥发份析出慢，也会减少NOX的生成量。特别是对劣质煤或是着火点较高的煤，这种情况会更明显，控制合适煤粉细度可依据窑况和NOX生成量综合考虑。煤挥发份中氧氮比越大，NOX转化率越高。相同氧氮比条件下，过剩空气系数越大，NOX转化率越大。

燃烧技术

低NOx燃烧技术的主要特点是：工艺成熟、投资和运行费用低。在对NOx排放要求非常严格的国家(如德国和日本)，均是先采用低NOx燃烧器减少一半以上的NOx后再进行烟气脱硝，以降低脱硝设施入口的NO。浓度，减少投资和运行费用。低NOx燃烧技术是各种降低NOx排放技术中采用最广、相对简单、经济有效的方法，但他们减少氮氧化物的排放有一定的限度。由于降低燃烧温度、减少烟气中氧的浓度等都不利于煤燃烧过程本身，因此，各种低氮燃烧技术都必须以不会影响燃烧的稳定性，不会导致还原性气氛对受热面的腐蚀，以及不会不合理地增加飞灰含碳量而降低锅炉效率为前提。

第一代低NOx燃烧技术

这一代技术不要求对燃烧系统做大的改动，只是对燃烧装置的运行方式或部分运行方式做调整或改进。因此简单易行，可方便地用于现役装置，但NOx的降低幅度十分有限，主要通过以下几种方式来实现降低NOx排放浓度。

• 低过量空气系数运行

这是一种优化装置燃烧、降低NOx生成量的简单方法。它不需对燃烧装置做结构修改低过量空气系数运行抑制NOx生成量的幅度与燃料种类、燃烧方式及排渣方式有关。电站锅炉实际运行时的过量空气系数不能做大幅度的调整。对于燃煤锅炉而言，降低过量空气系数会造成受热面的粘污结渣和腐蚀、汽温特性的变化及因飞灰可燃物增加而造成经济性下降。对于燃气、燃油锅炉而言，主要限制在于CO浓度超标。

• 降低助燃空气预热温度

降低助燃空气预热温度可降低火焰区的温度峰值，从而减少热力型NOx的生成量。这一措施不宜用于燃煤、燃油锅炉，对于燃气锅炉，则有降低NO。排放的明显效果。

• 浓淡燃烧技术

这种方法是让一部分燃料在空气不足的条件下燃烧，即燃料过浓燃烧；另一部分燃料在空气过剩的条件下燃烧，即燃料过淡燃烧。无论是过浓燃烧还是过淡燃烧，其过量空气系数α都不等于1。前者α<1，后者α>1，故又称为非化学当量燃烧或偏差燃烧。浓淡燃烧时，燃料过浓部分因氧气不足，燃烧温度不高，所以燃料型NOx和热力型NOx都会减少。燃料过淡部分因空气量过大，燃烧温度低，热力型NOx生成量也减少。总的结果是NOx生成量低于常规燃烧。

• 炉膛内烟气再循环

把烟气掺入助燃空气，降低助燃空气的氧浓度，是一种降低燃煤液态排渣炉，尤其是燃气、燃油锅炉NOx排放的方法。通常的做法是从省煤器出口处出烟气，加入二次风或一次风中。加入二次风时，火焰中心不受影响，其唯一作用是降低火焰温度，有利于减少热力型NOx的生成。对固态排渣锅炉而言，大约80%的NOx是由燃料氮生成的，这种方法的作用就非常有限。

对于不分级的燃烧器，在一次风中掺入烟气效果较好，但由于燃烧器附近的燃烧工况会有所变化，要对燃烧过程进行调整。

• 部分燃烧器退出运行

这种方法适用于燃烧器多层布置的电站锅炉。具体做法是停止最上层或几层燃烧器的燃料供应，只送空气。这样所有的燃料从下面的燃烧器送入炉内，下面的燃烧器区实现富燃料燃烧，上层送人的空气形成分级送风。这种方法尤其适用于燃气、燃油锅炉而不必对燃料输送系统进行重大改造。德国把这种方法用在褐煤大机组上，效果不错。

第二代低NOx燃烧技术

这一代技术的特征是助燃空气分级送人燃烧装置，从而降低初始燃烧区(也称一次区)的氧浓度，相应地也降低火焰的峰值温度。属于这一代措施的有现阶段广泛应用于电站锅炉的各种低NOx空气分级燃烧器。如ABB—CE公司的整体炉膛空气分级直流燃烧器、同轴燃烧系统(CFS I、CFS 11)、低NOx同轴燃烧系统(LNCFS)及其种类繁多的变异形式、TFS2000燃烧系统；B&W公司的双调风旋流燃烧器(DRB、DRB—XCL)；Steinmuller公司、德国Babcock公司的各种旋流燃烧器等。

第三代低NOx燃烧技术

这一代技术的主要特征是空气和燃料都是分级送入炉膛。在一次区内，主燃料在稀相条件下燃烧，还原燃料投入后，形成欠氧的还原区，在高温(>1200℃)和还原气氛下析出的NH3、HCN、CmHn等原子团与来自一次区已生成的NOx反应，生成N2。燃尽风投入后，形成燃尽区，实现燃料的完全燃烧。属于这一代措施是空气/燃料分级低NOx旋流燃烧器和用于切圆燃烧方式的三级燃烧。这类低NOx燃烧技术以Steimuller公司的MSM型燃烧器日本三菱公司开发的MACT低NOx燃烧系统为典型代表。

技术措施

影响燃烧过程中NOx形成的因素包括：

• 空气-燃料比
• 燃烧空气的预热温度
• 燃烧区的冷却程度
• 燃烧器的形状设计

可降低氮氧化物浓度的方法有：

• 减少送入燃烧器的过剩空气
• 降低热风温度
• 降低燃烧室的热强度
• 采用双面露光水冷壁
• 人为地使燃料与空气缓慢混合
• 采用二段燃烧
• 烟气再循环

在燃用气体燃料或重油的锅炉上，运用技术手段减少NOx的浓度获得了一定的结果。但如何运用技术措施，减少固体燃料燃烧尾气中NOx浓度，尚处在探索性研究中。

传统的天然气锅炉燃烧器通常的NOx排放在120150mg/m3左右。而低氮燃烧器通常的NOx排放在3080mg/m3的左右。NOx排放在30mg/m3以下的通常称为超低氮燃烧器。