煙氣脫硝：低氮燃燒技術(shù)介紹
2026-01-15 13:42:31
kenengadmin
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低氮氧化物燃燒技術(shù)是改進(jìn)燃燒設(shè)備或控制燃燒條件，以降低燃燒尾氣中Nox濃度的各項(xiàng)技術(shù)。影響燃燒過程中NOx生成的主要因素是燃燒溫度、煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間、煙氣中各種組分的濃度以及混合程度，因此，改變空氣—燃料比、燃燒空氣的溫度、燃燒區(qū)冷卻的程度和燃燒器的形狀設(shè)計(jì)都可以減少燃燒過程中氮氧化物的生成。工業(yè)上多以減少過?？諝夂筒捎梅侄稳紵?、煙氣循環(huán)和低溫空氣預(yù)熱、特殊燃燒器等方法達(dá)到目的。
01
發(fā)展歷程
國外從20世紀(jì)50年代開始就對(duì)燃煤在燃燒過程中NOx的生成機(jī)理和控制方法進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：影響NOx生成和排放最主要的因素是燃燒方式，也即燃燒條件。因此當(dāng)燃煤設(shè)備的運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)，NOx的排放也隨之發(fā)生變化。燃燒溫度、煙氣中O2、NHi、CHi、CO、C和H2濃度是影響NOx生成和破壞的最重要的因子，因此凡通過改變?nèi)紵龡l件來控制上述因子，以抑制NOx的生成或破壞已生成的NOx，達(dá)到減少NOx排放的措施，都稱為低NOx燃燒技術(shù)。
02
影響因素
影響燃料型NOX生成因素較多，與溫度、氧含量、反應(yīng)時(shí)間，及煤粉的物理和化學(xué)特性有關(guān)。
溫度
溫度的升高對(duì)燃料型NOX生成量有促進(jìn)作用。在1200℃以下時(shí)，其隨溫度升高顯著增加，溫度在1200℃以上時(shí)，增速平緩。對(duì)于燃料型NOX，燃料中N越高、氧濃度越高、反應(yīng)停留時(shí)間越長，NOX生成量越大，與溫度相關(guān)性越差。
氧含量
氧含量的增加，可以形成或強(qiáng)化窯爐內(nèi)燃燒的氧化氣氛，增加氧的供給，促進(jìn)燃料中N向NOX的轉(zhuǎn)化。燃料型NOX隨過?？諝庀禂?shù)的降低而降低，在α<1時(shí)，NOX生成量急劇降低。在氧含量不足時(shí)，氧被燃料中的可燃成分消耗盡，破壞了氮與氧反應(yīng)的物質(zhì)條件。在α>1.1時(shí)，熱力型NOX含量下降，燃料型NOX仍上升。燃料型NOx與煤的熱解產(chǎn)物和火焰中氧濃度密切相關(guān)，如果在主燃燒區(qū)延遲煤粉與氧氣的混合，造成燃燒中心缺氧，可使絕大部分揮發(fā)份氮和部分焦碳N轉(zhuǎn)化為N2。
煤粉性質(zhì)
不同種類的煤，揮發(fā)份含量、氮含量等差異較大。通常揮發(fā)份和氮含量高的煤種生成NOX較多。煤粉細(xì)度較細(xì)時(shí)，揮發(fā)份析出速度快，燃燒速度快，加快了煤粉表面的耗氧速度，使煤粉顆粒局部表面易形成還原氣氛，產(chǎn)生抑制NOX生成的作用。煤粉細(xì)度較粗時(shí)，揮發(fā)份析出慢，也會(huì)減少NOX的生成量。特別是對(duì)劣質(zhì)煤或是著火點(diǎn)較高的煤，這種情況會(huì)更明顯，控制合適煤粉細(xì)度可依據(jù)窯況和NOX生成量綜合考慮。煤揮發(fā)份中氧氮比越大，NOX轉(zhuǎn)化率越高。相同氧氮比條件下，過?？諝庀禂?shù)越大，NOX轉(zhuǎn)化率越大。
03
燃燒技術(shù)
低NOx燃燒技術(shù)的主要特點(diǎn)是：工藝成熟、投資和運(yùn)行費(fèi)用低。在對(duì)NOx排放要求非常嚴(yán)格的國家(如德國和日本)，均是先采用低NOx燃燒器減少一半以上的NOx后再進(jìn)行煙氣脫硝，以降低脫硝設(shè)施入口的NO。濃度，減少投資和運(yùn)行費(fèi)用。低NOx燃燒技術(shù)是各種降低NOx排放技術(shù)中采用最廣、相對(duì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效的方法，但他們減少氮氧化物的排放有一定的限度。由于降低燃燒溫度、減少煙氣中氧的濃度等都不利于煤燃燒過程本身，因此，各種低氮燃燒技術(shù)都必須以不會(huì)影響燃燒的穩(wěn)定性，不會(huì)導(dǎo)致還原性氣氛對(duì)受熱面的腐蝕，以及不會(huì)不合理地增加飛灰含碳量而降低鍋爐效率為前提。
第一代低NOx燃燒技術(shù)
這一代技術(shù)不要求對(duì)燃燒系統(tǒng)做大的改動(dòng)，只是對(duì)燃燒裝置的運(yùn)行方式或部分運(yùn)行方式做調(diào)整或改進(jìn)。因此簡(jiǎn)單易行，可方便地用于現(xiàn)役裝置，但NOx的降低幅度十分有限，主要通過以下幾種方式來實(shí)現(xiàn)降低NOx排放濃度。
(1)低過量空氣系數(shù)運(yùn)行
這是一種優(yōu)化裝置燃燒、降低NOx生成量的簡(jiǎn)單方法。它不需對(duì)燃燒裝置做結(jié)構(gòu)修改低過量空氣系數(shù)運(yùn)行抑制NOx生成量的幅度與燃料種類、燃燒方式及排渣方式有關(guān)。電站鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)的過量空氣系數(shù)不能做大幅度的調(diào)整。對(duì)于燃煤鍋爐而言，降低過量空氣系數(shù)會(huì)造成受熱面的粘污結(jié)渣和腐蝕、汽溫特性的變化及因飛灰可燃物增加而造成經(jīng)濟(jì)性下降。對(duì)于燃?xì)?、燃油鍋爐而言，主要限制在于CO濃度超標(biāo)。
(2)降低助燃空氣預(yù)熱溫度
降低助燃空氣預(yù)熱溫度可降低火焰區(qū)的溫度峰值，從而減少熱力型NOx的生成量。這一措施不宜用于燃煤、燃油鍋爐，對(duì)于燃?xì)忮仩t，則有降低NO。排放的明顯效果。
(3)濃淡燃燒技術(shù)
這種方法是讓一部分燃料在空氣不足的條件下燃燒，即燃料過濃燃燒；另一部分燃料在空氣過剩的條件下燃燒，即燃料過淡燃燒。無論是過濃燃燒還是過淡燃燒，其過量空氣系數(shù)α都不等于1。前者α<1，后者α>1，故又稱為非化學(xué)當(dāng)量燃燒或偏差燃燒。濃淡燃燒時(shí)，燃料過濃部分因氧氣不足，燃燒溫度不高，所以燃料型NOx和熱力型NOx都會(huì)減少。燃料過淡部分因空氣量過大，燃燒溫度低，熱力型NOx生成量也減少?？偟慕Y(jié)果是NOx生成量低于常規(guī)燃燒。
(4)爐膛內(nèi)煙氣再循環(huán)
把煙氣摻入助燃空氣，降低助燃空氣的氧濃度，是一種降低燃煤液態(tài)排渣爐，尤其是燃?xì)狻⑷加湾仩tNOx排放的方法。通常的做法是從省煤器出口處出煙氣，加入二次風(fēng)或一次風(fēng)中。加入二次風(fēng)時(shí)，火焰中心不受影響，其唯一作用是降低火焰溫度，有利于減少熱力型NOx的生成。對(duì)固態(tài)排渣鍋爐而言，大約80%的NOx是由燃料氮生成的，這種方法的作用就非常有限。
對(duì)于不分級(jí)的燃燒器，在一次風(fēng)中摻入煙氣效果較好，但由于燃燒器附近的燃燒工況會(huì)有所變化，要對(duì)燃燒過程進(jìn)行調(diào)整。
(5)部分燃燒器退出運(yùn)行。
這種方法適用于燃燒器多層布置的電站鍋爐。具體做法是停止最上層或幾層燃燒器的燃料供應(yīng)，只送空氣。這樣所有的燃料從下面的燃燒器送入爐內(nèi)，下面的燃燒器區(qū)實(shí)現(xiàn)富燃料燃燒，上層送人的空氣形成分級(jí)送風(fēng)。這種方法尤其適用于燃?xì)狻⑷加湾仩t而不必對(duì)燃料輸送系統(tǒng)進(jìn)行重大改造。德國把這種方法用在褐煤大機(jī)組上，效果不錯(cuò)。
第二代低NOx燃燒技術(shù)
這一代技術(shù)的特征是助燃空氣分級(jí)送人燃燒裝置，從而降低初始燃燒區(qū)(也稱一次區(qū))的氧濃度，相應(yīng)地也降低火焰的峰值溫度。屬于這一代措施的有現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于電站鍋爐的各種低NOx空氣分級(jí)燃燒器。如ABB—CE公司的整體爐膛空氣分級(jí)直流燃燒器、同軸燃燒系統(tǒng)(CFS I、CFS 11)、低NOx同軸燃燒系統(tǒng)(LNCFS)及其種類繁多的變異形式、TFS2000燃燒系統(tǒng)；B&W公司的雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器(DRB、DRB—XCL)；Steinmuller公司、德國Babcock公司的各種旋流燃燒器等。
第三代低NOx燃燒技術(shù)
這一代技術(shù)的主要特征是空氣和燃料都是分級(jí)送入爐膛。在一次區(qū)內(nèi)，主燃料在稀相條件下燃燒，還原燃料投入后，形成欠氧的還原區(qū)，在高溫(>1200℃)和還原氣氛下析出的NH3、HCN、CmHn等原子團(tuán)與來自一次區(qū)已生成的NOx反應(yīng)，生成N2。燃盡風(fēng)投入后，形成燃盡區(qū)，實(shí)現(xiàn)燃料的完全燃燒。屬于這一代措施是空氣/燃料分級(jí)低NOx旋流燃燒器和用于切圓燃燒方式的三級(jí)燃燒。這類低NOx燃燒技術(shù)以Steimuller公司的MSM型燃燒器日本三菱公司開發(fā)的MACT低NOx燃燒系統(tǒng)為典型代表。
04
技術(shù)措施
影響燃燒過程中NOx形成的因素包括：
①空氣-燃料比；
②燃燒空氣的預(yù)熱溫度；
③燃燒區(qū)的冷卻程度；
④燃燒器的形狀設(shè)計(jì)。
可降低氮氧化物濃度的方法有：
①減少送入燃燒器的過剩空氣；
②降低熱風(fēng)溫度；
③降低燃燒室的熱強(qiáng)度；
④采用雙面露光水冷壁;
⑤人為地使燃料與空氣緩慢混合；
⑥采用二段燃燒；
⑦煙氣再循環(huán)。
在燃用氣體燃料或重油的鍋爐上，運(yùn)用技術(shù)手段減少NOx的濃度獲得了一定的結(jié)果。但如何運(yùn)用技術(shù)措施，減少固體燃料燃燒尾氣中NOx濃度，尚處在探索性研究中。
傳統(tǒng)的天然氣鍋爐燃燒器通常的NOx排放在120~150mg/m3左右。而低氮燃燒器通常的NOx排放在30~80mg/m3的左右。NOx排放在30mg/m3以下的通常稱為超低氮燃燒器。