大气污染控制技术及在工业锅炉中的应用：空气分级燃烧

（一）工艺原理

空气分级燃烧是目前应用较为广泛的低氮燃烧技术，其基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段完成。根据这一原理，为降低NOx的生成，将燃烧用风分为一、二次风，减少燃烧区域的空气量（一次风），使得在燃烧器出口附近的着火区形成一个贫氧富燃料区域，并推迟二次风的混入过程，使挥发分在还原性气氛中燃烧，抑制了燃料型NOx的生成。由于二次风延迟与燃料的混合，燃烧速度降低和火焰温度降低，故也抑制了热力型NOx的生成。燃烧所需的其余空气则通过燃烧器上面的燃尽风喷口送入炉膛与第一级所产生的烟气混合，完成整个燃烧过程。

（二）技术分类

空气分级燃烧主要有轴向分级燃烧、径向分级燃烧等：

1.轴向空气分级燃烧系统

轴向空气分级燃烧系统即在“火上风”（Over Fire Air，OFA，也称燃尽风）喷口的燃烧系统。该系统在距燃烧器上方一定位置处开设一层或两层所谓燃尽风喷口，将助燃空气沿炉膛轴向（即烟气流动方向）分级送入炉内，使燃料的燃烧过程沿炉膛轴向分级分阶段进行。在第一阶段，将从燃烧器供入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的70%～75%（相当于理论空气量的80%左右），燃料先在贫氧条件下燃烧，此时，第一燃烧区内过剩空气系数α＜1，降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平，这不但延迟了燃烧过程，使燃料中的N在还原性气氛中转化成NOx的量减少，而且将已生成的NOx部分还原，使NOx排放量减少。在第二阶段，在燃尽风喷口附近的第二燃烧区内，喷入的空气与第一燃烧区内生成的烟气混合，剩余燃料在α＞1的富氧条件下完成燃烧过程，如图8-2所示。

图8-2　轴向分级燃烧示意图

这种燃烧系统的技术关键是：

①合理确定燃尽风喷口与燃烧器最上层一次风喷口的距离。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。燃尽风可分为紧靠最上层一次风煤粉喷口的强耦合式燃尽风（Close Coupled Over Fire Air，CCOFA）和远离一次风煤粉喷口的分离式燃尽风（Seperated Over Fire Air，SOFA）两种。

②燃尽风量要适量。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%，燃油、燃气炉可高一些。

③燃尽风要有足够高的流速，以保证与烟气的良好混合。燃尽风速一般不小于45 m/s。

④合理的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。

美国摩博泰科公司研发的ROFA系统（Rotating Opposed-Fire Air）是一项具有专利权的炉膛空气分级燃烧系统，它应用高湍流及旋风气流的作用，延长了燃煤和空气在炉膛内的停留时间，使燃煤锅炉炉膛中的分级燃烧技术达到更有效状态，锅炉排放飞灰中的含碳量有所降低或保持不变，一氧化碳排放浓度可小于20×10-6。同时，使烟气中的氮氧化物分布与喷入氨的混合更为均匀，可减少氨的用量及逃逸量。

目前该公司开发的ROFA和ROtamix技术已在美国和欧洲有关国家的燃煤发电机组上得到应用，并取得良好的氮氧化物减排效果。ROFA在不使用还原剂的情况下，与典型的低氮燃烧器（LNB）及火上风（OFA）相比，可使氮氧化物的排放量降低50%以上。若与该公司的选择性非催化还原系统结合使用，氮氧化物去除率可达到75%以上。

2.径向空气分级燃烧系统

径向空气分级燃烧系统如图8-3所示。该系统是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。同时，在一次风和炉膛水冷壁之间形成一层风膜，达到风包粉的效果，也起到了防止炉内结渣的目的。

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图8-3　径向空气分级燃烧系统

同轴燃烧系统（Concentric Firing System，CFS）以径向空气分级燃烧技术为基础，主要有两种形式：二次风射流向水冷壁偏转一定角度，在炉内形成一次风煤粉气流在内，二次风在外的同轴同向双切圆燃烧方式——CFS I；一次风煤粉气流与二次风射流方向相反的同轴反向双切圆燃烧方式——CFS II。

CFS I的开发主要是为了降低NOx的排放。二次风射流向水冷壁偏转后，推迟了二次风与一次风煤粉气流的混合，有效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。同时，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。它的技术关键在于二次风的偏转角度，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。

CFSII是一次风反切送入炉膛，二次风射流方向与炉内主气流旋转方向一致切向送入的同轴反向双切圆燃烧方式。它是CE公司在1984—1985年间进行了详细的试验室空气动力模拟后，对CFS I所做的重大改进。由于CFS II燃烧系统的一次风煤粉气流受上游混合气流冲击时，先是被推向火焰中心，然后它在二次风的引射作用下，跟随二次风旋转，一次风射流实际切圆比CFS I的要小，这样不仅推迟了一、二次风过早混合，降低燃烧中心氧气浓度，使炉内径向分级效果更好，对NOx排放的控制效果优于CFS I，同时还具有以下优点：

①提高一次风煤粉气流在炉内穿透能力，并使其远离下方水冷壁，减轻炉内结焦和高温腐蚀；

②由于一、二次风切圆方向相反，使炉内煤粉与空气的混合极为强烈，同时反向二次风将上游一次风煤粉射流推向炉膛中心高温区，有利于稳燃和燃尽，因而可减小炉内过剩空气系数，进一步降低NOx排放；

③一次风煤粉气流受上游混合气流冲击的作用点距一次风喷口距离较远，一次风偏转得比较慢，因而燃烧器附近不易结焦；

④改善炉膛出口气流均匀性，可降低烟气温度、蒸汽温度偏差等。

3.低NOx同轴燃烧系统

低NOx同轴燃烧系统（LNCFS）是轴向空气分级燃烧和CFS I的组合形式——OFA CFS I。这种系统的优点在于：

①不仅在炉膛轴向，同时在燃烧器区域的炉膛径向实现分级燃烧，分级效果好，锅炉NOx排放量进一步降低；

②偏置二次风改善了水冷壁附近的气氛，有利于防止水冷壁的高温腐蚀和结焦；

③一次风煤粉射流处于向火侧高温区，有利于稳燃和燃尽，因而锅炉可采用低过剩空气系数运行方式。

LNCFS II-OFA+CFS II，可认为这是变异的LNCFS系统。这种系统兼有OFA和CFS II的优点。LNCFS II由于分级燃烧效果好，NOx排放量与整体炉膛分级燃烧系统相比减少30%左右。

4.TFS 2000燃烧系统

美国ABB-CE公司在对LNCFS系统进行大量试验的基础上，开发出了TFS 2000（Tangential Firing System 2000）燃烧系统，采用CCOFA和多层SOFA的多级OFA与CFS I的组合形式——多级OFA+CFS I。此系统不仅具有优良的分级效果，对NOx排放的控制效果显著，可减少55%～65%的NOx排放量，偏转二次风使炉内结渣和腐蚀减到最轻，同时能够保证锅炉在整个运行负荷范围内具有灵活的分级能力。