【文章內(nèi)容簡介】 鍋爐運行經(jīng)濟性的影響研究結果表明，鍋爐一、二次風配風方式會對鍋爐的燃燒經(jīng)濟性產(chǎn)生較大影響。與鍋爐正常運行的正塔、均等配風方式相比，采用倒塔運行方式盡管能更有效地降低鍋爐 NOX的排放，但采用此配風方式會對鍋爐經(jīng)濟性產(chǎn)生不利的影響。 研究表明，在燃燒系統(tǒng)優(yōu)化改造的基礎上，采用低氧燃燒方式和倒束腰的配風方式均可有效降低 NOX 的排放。如果將兩種方法適當組合、聯(lián)合應用，可以取得降低 NOX 排放量的良好效果。通過燃燒優(yōu)化，使得在一定條件下，同時實現(xiàn)節(jié)能減排，提高鍋爐效率，降低 NOX 排放。研究表明，采用低氧燃燒和配風方式相結合的方式能大幅度降低 NOX 排放量。但是，但由于現(xiàn)有燃燒器的布置無法達到燃燒空氣軸向深度分級、在燃盡風與主燃燒器之間無法形成足夠的還原空間，NOX 的排放量仍無法達到國家標準 450mg/m}的要求。說明目前傳統(tǒng)的低氮燃燒方式難以達到我國現(xiàn)行排放標準的要求。近年來．新建燃煤電站鍋爐均采用了先進低 NOX 燃燒系統(tǒng) 低 NOX 燃燒技術的快速發(fā)展和應用，顯著影響鍋爐的運行性能．鍋爐 NOX 排放特性及各影響因素的影響趨勢也隨低NOX 燃燒技術的使用而變化對采用先進低 NOX 燃燒系統(tǒng)的鍋爐，主要是根據(jù)煤的燃燒特性來實現(xiàn) NOX 排放控制，相應的燃煤揮發(fā)分含量高則 NOX 度一般降低 Ⅲ。在煤粉鍋爐中燃料NOX 占 NOX 生成量的大部分。燃料 NOX 的生成量不僅取決于煤中的含氮量，還取決于其他煤質(zhì)特性參數(shù)．這些參數(shù)主要通過影響煤的熱解、燃燒特性而影響燃料 N 的轉(zhuǎn)化和 NOX 的生成 影響燃料 NOX 生成的主要煤質(zhì)特性是煤中氮和揮發(fā)分含量，此外顆粒尺寸分布、熱解速度、揮發(fā)分和焦燃燒速度也影響 NOX 的生成。 從熱力型對、燃料型和快速型三種 NOX 生成機理可以得出抑制 NOX 生成和促使破壞NOX 的途徑，圖 21 中還原氣氛箭頭所指即抑制和促使 NOX 破壞的途徑。 基本原理圖 21. 低過量空氣燃燒：低過量空氣燃燒是傳統(tǒng)常用的低氮燃燒技術，如圖 22 是使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進行，隨著煙氣中過量氧的減少，可以抑制 NOX 的生成。這是一種最簡單 的降低 NOX 排放的方法。一般可降低 NOX 排放 15－ 20%。但如爐內(nèi)氧濃度過低（3%以下） ，會造成濃度急劇增加，增加化學不完全燃燒熱損失，引起飛灰含碳量增加，燃燒效率下降。因此在鍋爐設計和運行時，應選取最合理的過量空氣系數(shù)。圖 22 剩系數(shù)對 NOX 生成量的影響. 降低助燃空氣預熱溫度燃燒空氣由 27℃預熱到 315℃，NO 排放量增加 3 倍，如圖 23圖 23 熱溫度對天然氣燃燒系統(tǒng) NOX 生成量的影響 NOX 燃燒技術原理及其技術特征分析 空氣分級燃燒的基本原理 空氣分級燃燒技術是美國在 20 世紀 50 年代首先發(fā)展起來的，它是目前使用最為普遍的低 NOX 燃燒技術之一?？諝夥旨壢紵幕驹頌椋簩⑷紵璧目諝饬糠殖蓛杉壦腿?，使第一級燃燒區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)在 左右，燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒，使得燃燒速度和溫度降低，因而抑制了熱力型 NOX 的生成。同時，燃燒生成的 CO 與 NO 進行還原反應，以及燃料 N 分解成中間產(chǎn)物(如 NH、CN、HCN 和 NH3 等) 相互作用或與 NO 還原分解，抑制了燃料型 NOX 的生成；在二級燃燒區(qū)內(nèi)，將燃燒用的空氣的剩余部分以二次空氣輸入，成為富氧燃燒區(qū)。由于此區(qū)域溫度已降低，新生成的 NOX 量有限，因此，總體上NOX 的排放量少，最終空氣分級燃燒可使 NOX 生成量降低 30％～50％。 空氣分級燃燒的主要形式 空氣分級燃燒的實現(xiàn)有多種形式，但主要有軸向和徑向分級燃燒兩種。軸向分級燃燒(OFA 方式)，如圖 31： 軸向分級燃燒方式即火上風方式，是將燃燒所需的二次風分兩部分進入爐膛：一部分為主二次風，約占二次風總量的 70％～85％；另一部分為火上風(也稱燃盡風 OFA)，約占二次風量的 l5％～30％。如此，爐膛內(nèi)形成 3 個燃燒區(qū)域，即熱解區(qū)、貧氧區(qū)和富氧區(qū)，如下圖所示。熱解區(qū)中煤粉和一次風混合燃燒，會生成少量的熱力型 NOX；貧氧區(qū)中燃料不完全燃燒，抑制了燃料性 NOX 的生成；富氧區(qū)中火上風促成了燃料的完全燃燒。整個過程減少了熱力型 NOX 的生成，同時抑制了燃料型 NOX 的生成，降低了 NOX 的總排放量，實現(xiàn)了高效低 NOX 燃燒的要求。圖 31 軸向空氣分級燃燒示意圖 圖 32 徑向空氣分級燃燒示意圖徑向分級燃燒，如圖 32： 將二次風射流軸線向水冷壁偏轉(zhuǎn)一定角度，形成一次風煤粉氣流在內(nèi)、二次風在外的徑向分級燃燒。此時，沿爐膛水平徑向把煤粉的燃燒區(qū)域分成位于爐膛中心的貧氧區(qū)和水冷壁附近的富氧區(qū)。由于二次風射流向水冷壁偏轉(zhuǎn)，推遲了二次風與一次風的混合，降低了燃燒中心氧氣濃度，使燃燒中心 α＜1，煤粉在缺氧條件下燃燒，抑制了 NOX 的生成，NOX 的排放濃度降低。由于在水冷壁附近形成氧化性氣氛，可防止或減輕水冷壁的高溫腐蝕和結焦。 軸向空氣分級燃燒的影響因素燃盡風噴口與燃燒器最上層一次風噴口的距離 H： 距離大，分級效果好，NOX 下降幅度大，但飛灰可燃物會增加。合適的距離與爐膛結構、燃料種類有關。根據(jù)前蘇聯(lián)全蘇熱工研究所試驗經(jīng)驗。H 由下式計算：????燃盡風份額：風量大，分級效果好，但可能引起燃燒器區(qū)域嚴重缺氧而出現(xiàn)受熱面結焦和高溫腐蝕。對于煤粉爐，合理的燃盡風占鍋爐總風量的 15％～20 ％ 左右。燃盡風風速：燃盡風要有足夠高的流速，以保證與煙氣的良好混合。燃盡風速約為45～50m/s 合適。燃盡風噴口布置方式：常見的是角置式 OFA 噴口，也有采用墻置式結構，即 OFA 噴口沿爐膛四面墻布置。 徑向空氣分級燃燒的影響因素主要是二次風的偏轉(zhuǎn)角度，偏轉(zhuǎn)角度大，NOX 排放量下降幅度大，但飛灰可燃物也會增多，合適的偏轉(zhuǎn)角度因煤種而異。 燃盡風的種類 緊湊型燃盡風（CCOFA） CCOFA（Closecoupled Over Fired Air）也稱為強耦合式燃盡風，一般緊鄰最上層燃燒器布置，由大風箱供風。它可以減少富燃料區(qū)的反應時間，增加貧燃料區(qū)或燃盡區(qū)的反應時間。其布置結構如圖 33 所示： 圖 33 爐內(nèi)空氣分級結構示意圖 在前些年投產(chǎn)的 300MW 等級機組鍋爐中，幾乎都采用了 CCOFA 技術，CCOFA 風量通常只占總風量的 15%左右，可使鍋爐 NOX 排放量控制在 650mg/m3 左右。 分離燃盡風（SOFA） SOFA（Separated Over Fired Air）是另一種燃盡風形式，其風速通常設計為50m/s。SOFA 風布置在遠離燃燒器的位置，與主燃燒器拉開一定距離。當前 300MW 和600MW 機組鍋爐的典型設計中，SOFA 風與上一次風的距離通常都在 8 米左右。表 31 給出了國內(nèi)部分電廠深度分級燃燒布置的尺寸。國內(nèi)部分電廠深度分級燃燒布置尺寸序 名 稱 單位 外高橋一廠 3 號爐黃埔電廠6 號爐外高橋二廠寶鋼電廠1 號爐1 機組容量 MW 300 300 900 3502 緊靠型燃盡風 √ √ √ 3 緊靠型燃盡風數(shù)量 個 8 4 －4 分離型燃盡風 √ √ √ √5 分離型燃盡風數(shù)量 個/層 8 / 2 12 / 3 4 / 16 燃盡風噴口的中心標高 米 7 燃盡風與上一次風中心距米 8 燃盡風噴口中心與屏底距離米 表 31 SOFA 風噴口一般設計為具有上下和水平擺動功能，以調(diào)整燃盡風穿透深度和混合效果，并有效防止爐膛出口過大的扭轉(zhuǎn)殘余。SOFA 風噴口如圖 34 所示：圖 34 SOFA 噴嘴示意圖 當前 300MW 和 600MW 機組的鍋爐設計中，SOFA 風的份額通常取值 30%，對于改造鍋爐，由于鍋爐原設計的原因（主要是再熱汽溫） ，一般取值在 18%~20%。因改造鍋爐燃盡風比例比新設計鍋爐相應減少，會影響燃盡風的脫硝效果，這是其 NOX 降低濃度與新建鍋爐相差的重要原因之一。對于新增的 SOFA 風系統(tǒng)，可從原大風箱上新增兩路風管，接入 SOFA 風箱。新增的 SOFA 風執(zhí)行機構為氣動模式，需由電廠主管路上引出少量儀表用壓縮空氣至各新增設備用氣點。 高速燃盡風（ROFA） ROFA（Rotating Opposed Fired Air）是一項比較新的技術，它可以在有效降低 NOX 排放的同時減少飛灰含碳量。ROFA 風速一般超過 80m/s。ROFA 風系統(tǒng)（如圖 35 所示）由增壓風機、風道和噴嘴組成。高速燃盡風的形成可以從空氣預熱器出口單獨引一路風道，增加一臺增壓風機，將風機出口的高壓風送到燃盡風噴口，使噴口風速達到 80 m/s。這種系統(tǒng)另外一個優(yōu)點與從大風箱引出的燃盡風不同，噴口風速不受大風箱風壓的干擾。噴口處的風壓一般為 7~20KPa，這取決于混合所需的穿透力。圖 35 ROFA 風系統(tǒng)圖 高速燃盡風風速相比常規(guī)燃盡風速度增加后，氣流在爐內(nèi)射向中心的過程中，射流穿透力增強與周圍氣體的動量交換劇烈，使其周圍的氣體加速，進而增大燃盡風射流的截面以及射流攜帶氣體的流量，這樣燃盡風射流周圍需要不斷補充氣體。在一個強空氣分級燃燒的爐膛內(nèi)，燃盡風以足夠高的速度射入鍋爐上部，形成了高動能的紊流區(qū)域，促進了爐膛上部空氣與高溫煙氣的混合，從而給抑制 NOX 提供了一個很好的混合環(huán)境，有利于抑制氮氧化物的生成。同時由于強烈混合，有利于未燃盡碳燃盡，降低了 CO 的排放，減少了飛灰含碳量。圖 36 為燃盡風與高速燃盡風的比較圖，從圖中可以明顯看出高速燃盡風更有利于降低 NOX 排放。圖 36 燃盡風與高速燃盡風的比較 此外，高速燃盡風在爐膛上部形成強烈渦流，使煙氣與空氣充分混合，溫度分布更趨于均勻，增強了輻射換熱和對流換熱的效果，從而起到提高鍋爐效率，減輕了空氣分級技術對燃燒的影響。 旋流燃盡風 OFA 如果鍋爐本身采用旋流燃燒器，則要相應布置旋流燃盡風 OFA。目前該技術比較成熟的公司有美國 FW 公司、美國 ABT 公司、英國 MBEL 公司等。廣泛采用旋流式雙調(diào)風燃盡風，即在燃盡風噴口中加調(diào)風器，它將燃盡風分為兩股獨立的氣流噴入爐膛，中央部位的氣流為直流氣流，它速度高剛性大，能直接穿透上升煙氣進入爐膛中心；外圈氣流是旋轉(zhuǎn)氣流，離開調(diào)風器后向四周擴散，用于和靠近水冷壁附近的上升煙氣進行混合。外圈氣流的旋流強度和兩股氣流的流量均可以通過調(diào)節(jié)機構來調(diào)節(jié)。 燃盡風 OFA 布置在旋流燃燒器的上部，通常加裝側(cè)翼風噴口（Wing Port）作為補充，側(cè)翼風可以使水冷壁附近形成氧化性氣氛，防止高溫腐蝕和結渣。如圖 37 為江蘇利港電廠的 OFA 布置簡圖：共 16 只旋流燃燒器，分 4 層全部布置于前墻。在燃燒器上方增加 4只 OFA，在上層燃燒器靠兩側(cè)墻處增加兩只側(cè)翼風。圖 37 利港電廠 OFA 布置結構圖三個電廠的旋流燃盡風的應用情況電廠名稱容量（MW）燃燒器布置方式 OFA 布置方式 備注利港電廠35016 只燃燒器分 4 層全部布置在前墻，每層 4 只在燃燒器上方加一層OFA，共 4 只改造前 NOX 濃度為890～1190mg/m 3，改造后不大于 400mg/m3烏沙山電廠600共 30 只燃燒器，前后墻各 15 只，分三層布置，每層 5 只前后墻各增加一層OFA，每層 5 個噴口　托克托三期5 號爐600共 30 只燃燒器，前后墻各 15 只，分三層布置，每層 5 只前后墻各增加一層OFA，每層 5 個噴口燃盡風中心距最上層燃燒器中心 4m，OFA風量為 15%表 32 燃盡風布置方式的選擇 燃盡風可以布置在爐膛的四個角上也可以布置在四個墻面上。圖 38 為國內(nèi)典型的角布置方式，這種布置方式具有以下幾個特點：燃盡風噴口進行反切改造，解決了爐膛出口煙氣偏流問題；燃盡風量的調(diào)節(jié)可以控制過熱器或再熱器的壁溫偏差，防止超溫爆管。圖 38 典型的四角布置方式 圖 39 顯示了德國為石洞口電廠 4300MW 機組改造設計的布置方式，采用了墻面布置方式，每側(cè)爐墻有兩處燃盡風噴口，在爐墻中心線上的為主燃盡風；偏燃燒器側(cè)的為副燃盡風噴口，其氣流與爐膛切圓旋轉(zhuǎn)方向同步；每個燃盡風噴口截面裝有調(diào)整擋板，通過控制單個噴口流量可控制燃盡風的噴入深度，從而得到所需的混合特性。這種布置方式的優(yōu)點為沒有四角補氣的問題。圖 39 墻面布置方式示意圖 總之，角上和墻面布置這兩種方式各有特點，具體如表 33 所示：兩種布置方式的比較序號 角 上 布 置 墻 面 布 置1射入爐膛中心射流行程長。不利于加強后期混合，燃盡度差。射入爐膛中心射流行程短。有利于加強后期混合，燃盡度高。2氣流兩側(cè)補氣角不同容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)。爐內(nèi)煙氣消旋能力差。爐內(nèi)溫度場分布不易均勻。沒有補氣角的問題，不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。爐內(nèi)煙氣消旋能力強?？墒範t內(nèi)溫度場分布比較合理，不易出現(xiàn)局部高溫，生成的氮氧化物也較少。3 氣流在水平方向混合充分 氣流在水平方向混合充分4 水冷壁開孔復雜 水冷壁開孔簡單5 風道布置容易 風道布置復雜表 33