燃煤锅炉低氮生物质燃烧机的类型及其发展

燃煤锅炉低氮生物质燃烧机的类型及其发展
摘要：阐述了3种控制燃烧过程NO。的低氮燃烧技术——空气分级燃烧、燃料分级燃烧及烟气再循环技术，分别介绍了几家*的锅炉公司所开发的具有代表性的低NO。生物质燃烧机的原理、结构及发展趋势。
1概述
    目前**主要是应用低N0。燃烧技术对锅炉生物质燃烧机进行改进，在完成燃料完全、可靠燃烧的同时，使其NO。排放值降至较小。相对于其他控制手段，低NO。燃烧技术的特点是工艺成熟，投资和运行费用低。在对NO。排放要求非常严格的国家（如德国和日本），均是先采用低NO。生物质燃烧机减少一半以上的NO。后再进行烟气脱氮，以降低脱氮装置入口的NO。浓度，减少投资和运行费用。我国自《火电厂大气污染物排放标准》(GB  13223  1996)颁布之后，1997年7月1日以后建设的1 000 t/h及以上锅炉，己全部按规定安装了低氮生物质燃烧机。随着新标准(GB 13223- 2003)的实施，NO。的徘放要求更加严格，新建燃煤锅炉不分大小，在燃煤挥发分大于20%日寸，NO。的排放限值均须降低到450—n∥m’（本文烟气量均指标准状态值）。这对锅炉生产和使用单位提出了新的要求，必须采用更加先进的低氮燃烧器和更加优化设计的燃烧方式，才能达到这一标准。
    燃烧所需空气通过生物质燃烧机进入炉膛，而生物质气流、着火过程、炉膛中的空气动力以及燃烧工况，主要是通过生物质燃烧机的结构及其在炉膛中的布置来组织的。从燃烧角度看，生物质燃烧机的性能对生物质燃烧设备的可靠性和经济性起着主要作用。对于绝大部分的生物质燃烧机，N0。是在生物质的着火阶段生成的。通过改变生物质燃烧机的风煤比，可以将空气分级、燃料分级和烟气再循环等原型9用于生物质燃烧机的设计，尽可能降低着火区的氧浓度，适当降低着火区温度，以较大限度地抑制NO。生成。可见，低NO。生物质燃烧机不仅要满足对锅炉燃烧可靠性和经济性的要求，还要满足控制NO。排放值的要求。
    按照燃烧技术和原理低NO。生物质燃烧机分成空气分级燃烧、燃料分级燃烧以及烟气再循环三大类型，每种类型又有若干种类，并发展了几代产品，世界各大锅炉制造商亦有各自开发的低NO。生物质燃烧机。本文就此3种控制原理开发出的几代具有代表性的NO。生物质燃烧机作简荜介绍。
2空气分级低NO。生物质燃烧机
2.1基本原理
    20世纪50年代，美国**开发了空气分级燃烧技术，其后，德国及德国与美国的合资公司以及日本的锅炉制造公司开发出低NO。生物质燃烧机，经过二三十年的发展，开发了三代产品，各大公司的低NO。生物质燃烧机各具特色，也有相互交叉。
    空气分级低NO。生物质燃烧机是目前使用较广泛，技术较成熟的生物质燃烧机，其基本原理是在生物质燃烧机喷口附近的着火区形成0<1的富燃料区，形成还原性气氛，同时将二次风分成2股，分级送入已着火的生物质气流。在生物质着火的初始阶段，只加入部分二次风，继续维持一段距离的富燃料燃烧，形成一级燃烧区。2004年吴碧君等：燃煤锅炉低NOx生物质燃烧机的类型及其发展另一股二次风则送入一级燃烧区的下游，形成c》1的二次燃烧区（燃尽区），使燃料完全燃烧。有的燃烧器还设有‘火上风”，将三次风混入燃尽区。
2.2主要类型
2. 2.1双调凤低NOx生物质燃烧机
    将二次风分成内、外两股气流，通过调风器和旋流叶片分别控制各自的风量和旋流强度，以调节一、二次风的混合。典型的有德国斯坦谬勒(Stein-muller)公司设计的SM型、巴布科克——日立(Bab-cock-Hitachi)公司的HT- NR型、德国巴布科克公司*二代产品WB型和美国巴布科克一威尔科克斯(B跚矿)公司DRB低NO。生物质燃烧机。后两者的结构和原理相似。
    DRB型空气分级燃烧低NO。生物质燃烧机的特点是将二次风分为内、外两部分，具有3个同心环形喷口，中心为一次风喷口，一次风量占总风量的15%～20%，外面是内、外层双调风器喷口，内二次风量占总风量的35%～45%，外二次风占55%～65%。此外，在一次风喷口周围还有一股冷空气或烟气，可以抑制挥发分析出和着火阶段NO。的生成，这一点类似于SM型生物质燃烧机。在生物质燃烧机周围布置二级燃烧空气啧口，使得a=1.2左右，保证生物质燃尽。采用双调风生物质燃烧机进行空气分级燃烧后，距喷口1. 2m处的火焰温度由1 600℃降至1 400℃NO。
    巴布科克WB型生物质燃烧机与DRB型的不同之处是外二次风不旋转，目的是为了推迟它与富燃料火焰混合，从而减少着火区NO。的生成量。采用这种生物质燃烧机的锅炉，其NO。排放值一般在650n1IT13左右，适合于燃烧优质烟煤。
    20世纪80年代后期，Babcock公司在WB型基础上开发了WSF型低NO。生物质燃烧机（*二代产品），增加了中心风和外二次旋流叶片（图2）。中心风可为生物质提供必要的初始氧量；外二次风的旋流叶片可以增强生物质燃烧机的旋流强度，在燃用较差煤质时多一种调节手段，故主要用于燃烧劣质煤种。
  (2)DS型生物质燃烧机
  DS型生物质燃烧机（图3）是Babcock公司20世纪90年代后开发的*三代产晶，它充分考虑了减少NO。生成和可能出现的燃烧不良等问题。具有以下结构特点：
    ①采用截面积较大的中心风管，减缓了中心风速，保证回流区的稳定；
    ②增大一次风射流的周界长度和一次风粉气流同高温烟气的接触面积，提高了生物质的着火稳定性；
    ③在一次风道内安装了旋流导向叶片，并将喷嘴端部设计成外扩型；
    ④生物质喷嘴出口加装了齿环形稳燃器(图4);
    ⑤内外二次风道为切向进风涡壳式结构，保证生物质燃烧机出口断面空气分布均匀，增加了优化燃烧所具备的旋流强度。幅度较高的生物质燃烧机，它既可用于前后墙对冲燃烧方式，也可用于切圆燃烧方式；既可用于优质烟煤，也可用于劣质烟煤或贫删习。该公司新设计的锅炉普遍采用这种产品，一些老厂在进行低NO。燃烧技术改造时也换成这种生物质燃烧机。
2. 2.2    PM型直流式低NO。生物质燃烧机
    对于生物质燃烧机布置在炉膛四角的切向燃烧方式，一般采用直流生物质生物质燃烧机。送入主生物质燃烧机的一二次风占总风量的80%左右H，使a1，再在直接燃烧器上部装设“火上风”喷口。典型的产品有日本三菱公司的PM型低NO。生物质燃烧机（图6），它将炉膛的分级燃烧和生物质燃烧机的分级燃烧结合在一起。为使生物质在着火过程中形成富燃料燃烧，一次风生物质混合物在进入生物质燃烧机前先经过一个弯头进行惯性分离，密度大的细生物质由于其惯性大多进入上面的富燃料喷口，其余的随空气进入下面的贫燃料喷口，故又称为燃料派淡燃烧。贫燃料燃烧日寸，由于空气过多使得火焰温度降低，有利于抑制热力型NO。；富燃料燃烧的还原性气氛抑制燃料型NO。，同时，贫燃料燃烧有利于稳定着火过程。这样，在生物质燃烧机中，燃料的贫、富燃烧同时进行，然后再一起上升并与较上面的“火上风”混合，在燃尽区完成整个燃烧过程。
    采用贫、富燃料燃烧以后，NO。的排放值在空气分级的基础上还可再降低100Ⅱ影m3左右，较终达到低于400—n∥m3的排放目标。
3燃料分级低NO。生物质燃烧机
    一次风生物质混合物在喷口1附近着火并与旋流的二次风混合，形成ai=0.9的一级燃烧区，燃烧在接近理论空气量的条件下进行，保证生物质在锅炉运行的全部负荷范围内均有很高的着火稳定性。在距一次燃料喷口一定距离处，沿半径方向对称布置有4个二次燃烧喷口2。生物质在a2=0.55的条件下被送入炉膛，并在距喷口一定距离处与来自一级燃烧区的生物质混合，形成还原性气氛很强的二级燃烧区。此区不但可以抑制NO。的生成，还可将一级燃烧区中生成的NO。还原。同时，二级燃烧区推迟了燃烧过程，使火焰温度降低，抑制了热力型NO。的生成。保证生物质完全燃烧的“火上风”由OFA喷口3送入生物质燃烧机上部的炉膛，并与来自二级燃烧区的火焰混厶，在a-1. 25的条件下将生物质燃尽。
4烟气再循环低NO。生物质燃烧机
    在直流生物质生物质燃烧机上应用烟气再循环技术开发了SGR型烟气再循环生物质燃烧机（图8）。再循环的烟气不与空气混厶，而是直接送至生物质燃烧机，在一次风生物质室气混合喷口上、下各装有再循环烟气喷口，因烟气吸热和氧的稀释，在一次风喷口附近形成还原性气氛，使燃烧速度和燃烧区温度降低，抑制了NO。的生成。上二次风起着“火上风”的作用，当它与自下而上的还原性火焰混合时，在a>1的条件下完成生物质的燃尽过程，当a2=1.2时，不同煤种的NO。排放值均在200～500 mg/m3之间。
5结语
    采用空气分级燃烧原理的低NO。生物质燃烧机发展较早，产品类型较多，应用也较普遍，但存在着火区富燃料燃烧，氧量不足，控制不好可能导致着火过程不稳定等问题。燃料分级生物质燃烧机，其一级燃烧区在a>1的条件下可保证燃料在充足的氧分下燃烧，二级燃烧区的还原性气氛将一级燃烧区生成的NO。还原成氮气，故其NO。的排放浓度较低，是未来低NO。生物质燃烧机发展的主流。但此类生物质燃烧机的结构相对复杂，需要选择二次燃料，而且只能在新建锅炉上实施，目前在我国还处于试验阶段。烟气再循环低NO。生物质燃烧机也能达到较低的NO。排放值，但需安装再循环烟道和风机，要求具有一定的场地条件在老厂改造时会受到限制。