人力资源-4低氮燃烧技术原理-培训教程(45页).doc

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低氮燃烧技术原理

low NOX combustion technology

MAJ

TD NO.100.2

目 录

1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.低氮燃烧技术 13
2.1 基本原理 13
3.空气分级低NOX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.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.烟气再循环低NOX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HTAC 29
6.低NOX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.低NOX燃烧器的发展前景 39
8题库 41

1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70％～85％，热力型NOX占15％～25％，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。
O2→O+O
N2+O→NO+N
N+O2→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+O→NO+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+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+O2→OH+O
O+H2→OH+H
OH+H2→H2O+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+R→NO+……
I+NO→N2……
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+02→NO+……
焦炭N+O2→NO+……
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700℃~800℃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a<1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20％～30％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ηv与α关系 图1-3 烟煤挥发份氮ηv与α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SRV＝1.58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
煤种
干燥无灰基挥发分含量 Vdaf/%
一次风率
直流燃烧器
旋流燃烧器
SRV
无烟煤
2～8
0.15～0.2
2.5～7.5
贫煤
8～19
0.15～0.2
1.06～1.875
烟煤
20～30
0.25～0.3
1.0～1.25
30～40
≈0.3
0.3～0.4
≈1.0
褐煤
40～50
—
0.35～0.4
0.8～0.875
推荐值

SRV＜1.0
表 1-1

图 1-8化氮排放量与一次风率的关系

图 1-9

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150~350mg/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的排放浓度也逐渐降低，NOX的排放浓度排放浓度和配风方式正塔、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，主要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1-11。

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，这主要是由于束腰方式虽然更能抑制燃料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) 采用倒塔配风或倒塔、束腰的组合配风方式对NOX生成的抑制效果最为明显，只
有采用这种配风方式，才能比较有效地实现燃料和空气分级，从而有效地降低NOX的生成量。
5) 尽管采用倒塔配风和倒塔束腰的组合配风方式对NOX的排放浓度降低效果明显，
但必须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和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
采用低氧燃烧方式对锅炉经济性有利，同时能有效控制NOX的生成，是大型烟煤锅炉上可以推广采用的运行方式。
2) 配风方式对锅炉运行经济性的影响
研究结果表明，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，采用倒塔运行方式尽管能更有效地降低锅炉NOX的排放，但采用此配风方式会对锅炉经济性产生不利的影响。
研究表明，在燃烧系统优化改造的基础上，采用低氧燃烧方式和倒束腰的配风方式均可有效降低NOX的排放。如果将两种方法适当组合、联合应用，可以取得降低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。
研究表明，采用低氧燃烧和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采用了先进低NOX燃烧系统 低NOX燃烧技术的快速发展和应用，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采用先进低NOX燃烧系统的锅炉，主要是根据煤的燃烧特性来实现NOX 排放控制，相应的燃煤挥发分含量高则NOX度一般降低Ⅲ。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．这些参数主要通过影响煤的热解燃烧特性而影响燃料N的转化和NOX的生成 影响燃料NOX生成的主要煤质特性是煤中氮和挥发分含量，此外颗粒尺寸分布、热解速度、挥发分和焦燃烧速度也影响NOX 的生成。
图 2-1

2.低氮燃烧技术
从热力型对、燃料型和快速型三种NOX生成机理可以得出抑制NOX生成和促使破坏NOX的途径，图2-1中还原气氛箭头所指即抑制和促使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，可以抑制NOX的生成。这是一种最简单 的降低NOX排放的方法。一般可降低NOX排放15－20%。但如炉内氧浓度过低（3%以下），会造成浓度急剧增加，增加化学不完全燃烧热损失，引起飞灰含碳量增加，燃烧效率下降。因此在锅炉设计和运行时，应选取最合理的过量空气系数。

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℃，NO排放量增加3倍，如图2-3

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年代首先发展起来的，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，使得燃烧速度和温度降低，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，以及燃料N分解成中间产物(如NH、CN、HCN和NH3等)相互作用或与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 空气分级燃烧的主要形式
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。
轴向分级燃烧(OFA方式)，如图3-1：
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l5％～30％。如此，炉膛内形成3个燃烧区域，即热解区、贫氧区和富氧区，如下图所示。热解区中煤粉和一次风混合燃烧，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的生成，降低了NOX的总排放量，实现了高效低NOX燃烧的要求。
图3-1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。此时，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和水冷壁附近的富氧区。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α＜1，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。由于在水冷壁附近形成氧化性气氛，可防止或减轻水冷壁的高温腐蚀和结焦。
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：

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
和高温腐蚀。对于煤粉炉，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，也有采用墙置式结构，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
主要是二次风的偏转角度，偏转角度大，NOX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-coupled Over Fired Air）也称为强耦合式燃尽风，一般紧邻最上层燃烧器布置，由大风箱供风。它可以减少富燃料区的反应时间，增加贫燃料区或燃尽区的反应时间。其布置结构如图3-3所示：

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，几乎都采用了CCOFA技术，CCOFA风量通常只占总风量的15%左右，可使锅炉NOX排放量控制在650mg/m3左右。
3.5.2 分离燃尽风（SOFA）
SOFA（Separated Over Fired Air）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和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
外高桥一厂3号炉
黄埔电厂
5、6号炉
外高桥二厂
宝钢电厂
1号炉
1
机组容量
MW
300
300
900
350
2
紧靠型燃尽风

√
√
√
×
3
紧靠型燃尽风数量
个
8
4

－
4
分离型燃尽风

√
√
√
√
5
分离型燃尽风数量
个/层
8 / 2
12 / 3

4 / 1
6
燃尽风喷口的中心标高
米
33.55
31.7

35.54
7
燃尽风与上一次风中心距
米
8.12
7.43
8.51
6.97
8
燃尽风喷口中心与屏底距离
米
12.05
12.5

10.99
表 3-1
SOFA风喷口一般设计为具有上下和水平摆动功能，以调整燃尽风穿透深度和混合效果，并有效防止炉膛出口过大的扭转残余。SOFA风喷口如图3-4所示：

图3-4 SOFA喷嘴示意图
当前300MW和600MW机组的锅炉设计中，SOFA风的份额通常取值30%，对于改造锅炉，由于锅炉原设计的原因（主要是再热汽温），一般取值在18%~20%。因改造锅炉燃尽风比例比新设计锅炉相应减少，会影响燃尽风的脱硝效果，这是其NOX降低浓度与新建锅炉相差的重要原因之一。对于新增的SOFA风系统，可从原大风箱上新增两路风管，接入SOFA风箱。新增的SOFA风执行机构为气动模式，需由电厂主管路上引出少量仪表用压缩空气至各新增设备用气点。
3.5.3 高速燃尽风（ROFA）
ROFA（Rotating Opposed Fired Air）是一项比较新的技术，它可以在有效降低NOX排放的同时减少飞灰含碳量。ROFA风速一般超过80m/s。ROFA风系统（如图3-5所示）由增压风机、风道和喷嘴组成。高速燃尽风的形成可以从空气预热器出口单独引一路风道，增加一台增压风机，将风机出口的高压风送到燃尽风喷口，使喷口风速达到80 m/s。这种系统另外一个优点与从大风箱引出的燃尽风不同，喷口风速不受大风箱风压的干扰。喷口处的风压一般为7~20KPa，这取决于混合所需的穿透力。

图3-5 ROFA风系统图
高速燃尽风风速相比常规燃尽风速度增加后，气流在炉内射向中心的过程中，射流穿透力增强与周围气体的动量交换剧烈，使其周围的气体加速，进而增大燃尽风射流的截面以及射流携带气体的流量，这样燃尽风射流周围需要不断补充气体。在一个强空气分级燃烧的炉膛内，燃尽风以足够高的速度射入锅炉上部，形成了高动能的紊流区域，促进了炉膛上部空气与高温烟气的混合，从而给抑制NOX提供了一个很好的混合环境，有利于抑制氮氧化物的生成。同时由于强烈混合，有利于未燃尽碳燃尽，降低了CO的排放，减少了飞灰含碳量。图3-6为燃尽风与高速燃尽风的比较图，从图中可以明显看出高速燃尽风更有利于降低NOX排放。

图3-6 燃尽风与高速燃尽风的比较
此外，高速燃尽风在炉膛上部形成强烈涡流，使烟气与空气充分混合，温度分布更趋于均匀，增强了辐射换热和对流换热的效果，从而起到提高锅炉效率，减轻了空气分级技术对燃烧的影响。
3.5.4 旋流燃尽风OFA
如果锅炉本身采用旋流燃烧器，则要相应布置旋流燃尽风OFA。目前该技术比较成熟的公司有美国FW公司、美国ABT公司、英国MBEL公司等。广泛采用旋流式双调风燃尽风，即在燃尽风喷口中加调风器，它将燃尽风分为两股独立的气流喷入炉膛，中央部位的气流为直流气流，它速度高刚性大，能直接穿透上升烟气进入炉膛中心；外圈气流是旋转气流，离开调风器后向四周扩散，用于和靠近水冷壁附近的上升烟气进行混合。外圈气流的旋流强度和两股气流的流量均可以通过调节机构来调节。
燃尽风OFA布置在旋流燃烧器的上部，通常加装侧翼风喷口（Wing Port）作为补充，侧翼风可以使水冷壁附近形成氧化性气氛，防止高温腐蚀和结渣。如图3-7为江苏利港电厂的OFA布置简图：共16只旋流燃烧器，分4层全部布置于前墙。在燃烧器上方增加4只OFA，在上层燃烧器靠两侧墙处增加两只侧翼风。

图3-7 利港电厂OFA布置结构图
三个电厂的旋流燃尽风的应用情况
电厂名称
容量
（MW）
燃烧器布置方式
OFA布置方式
备注
利港电厂
350
16只燃烧器分4层全部布置在前墙，每层4只
在燃烧器上方加一层OFA，共4只
改造前NOX浓度为890～1190mg/m3，改造后不大于400mg/m3
乌沙山电厂
600
共30只燃烧器，前后墙各15只，分三层布置，每层5只
前后墙各增加一层OFA，每层5个喷口

托克托三期
5号炉
600
共30只燃烧器，前后墙各15只，分三层布置，每层5只
前后墙各增加一层OFA，每层5个喷口
燃尽风中心距最上层燃烧器中心4m，OFA风量为15%
表 3-2
3.6 燃尽风布置方式的选择
燃尽风可以布置在炉膛的四个角上也可以布置在四个墙面上。图3-8为国内典型的角布置方式，这种布置方式具有以下几个特点：燃尽风喷口进行反切改造，解决了炉膛出口烟气偏流问题；燃尽风量的调节可以控制过热器或再热器的壁温偏差，防止超温爆管。

图3-8 典型的四角布置方式
图3-9显示了德国为石洞口电厂4×300MW机组改造设计的布置方式，采用了墙面布置方式，每侧炉墙有两处燃尽风喷口，在炉墙中心线上的为主燃尽风；偏燃烧器侧的为副燃尽风喷口，其气流与炉膛切圆旋转方向同步；每个燃尽风喷口截面装有调整挡板，通过控制单个喷口流量可控制燃尽风的喷入深度，从而得到所需的混合特性。这种布置方式的优点为没有四角补气的问题。

图3-9 墙面布置方式示意图
总之，角上和墙面布置这两种方式各有特点，具体如表3-3所示：
两种布置方式的比较
序号
角 上 布 置
墙 面 布 置
1
射入炉膛中心射流行程长。不利于加强后期混合，燃尽度差。
射入炉膛中心射流行程短。有利于加强后期混合，燃尽度高。
2
气流两侧补气角不同容易发生偏转。
炉内烟气消旋能力差。炉内温度场分布不易均匀。
没有补气角的问题，不会发生偏转。
炉内烟气消旋能力强。可使炉内温度场分布比较合理，不易出现局部高温，生成的氮氧化物也较少。
3
气流在水平方向混合充分
气流在水平方向混合充分
4
水冷壁开孔复杂
水冷壁开孔简单
5
风道布置容易
风道布置复杂
表 3-3
从表3-3看出，燃尽风墙面布置从改善燃烧效率和抑制NOX生成方面优于角上布置，但工程制作比较复杂。
3.7 空气分级燃烧技术的应用前景
使用空气分级燃烧技术（如图3-10）对老机组实施改造较为方便，改动量小，改造费用相对较低；比较适用于高挥发分的煤种。空气分级燃烧技术对于大型电站锅炉降低NOX排放有着很好的效果，可达到30%～50％的减排效果，是电站锅炉脱硝工程必不可少的第一步，它能为后期的SCR的应用节省大量的建设成本和运行成本。
低NOX燃烧器加深度分级送风(即分离燃尽风SOFA)已经成为目前燃煤电站锅炉控制NOX生成的最佳组合。较多应用于新锅炉的设计和燃烧器的改造中，深度空气分级燃烧技术通常采用SOFA与偏转二次风结合的空气分级方案。通过深度空气分级形成下部缺氧燃烧控制NOX生成，上部富氧燃烧控制飞灰含碳量的燃烧格局，大幅降低NOX排放。SOFA喷口一般设计为具有上下和水平摆动功能，以调整燃尽风穿透深度和混合效果，并有效防止炉膛出口过大的扭转残余。偏转二次风的设置不仅可以降低NOX的生成，而且在水冷壁附近形成氧化性气氛，可防止或减轻水冷壁的高温腐蚀和结焦。

图3-10 空气分级燃烧系统的布置及NOX浓度分布
4.燃料分级燃烧
4.1 燃料再燃的原理
再燃这一概念是在1973年由Wendt等人提出的，直到1983年，Takahashi等人在日本将再燃技术应用于实际的锅炉，并获得了大于50％的NOX还原率，这一方法才得以确立并实际应用。燃料再燃又称为燃料分级或炉内还原技术，它是降低NOX排放的诸多炉内方法中最有效的措施之一。NOX在遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时会发生NOX的还原反应。利用这一原理，把炉膛高度自下而上依次分为主燃区、再燃区和燃尽区（如图4-1所示）。燃料分级送入炉膛，将80％～85％的主燃料喷入主燃区，在过量空气系数α＞1的条件下燃烧生成NOX；将15％～20％的再燃燃料在主燃区上部的合适位置喷入再燃区，在α＜1的条件下形成较强的还原性气氛。再燃区不仅能还原已经生成的NOX，同时可以抑制新的N