摘 要：通过对大容量超临界发电机组直流锅炉燃烧器的调研，分析了其大多采用四角切圆燃烧器的原因，以及从燃料（主要指煤粉气流）着火到燃烧全过程的分剖解析中概括出超临界直流锅炉氮氧化物（NOx）生成的型式。并通过探讨和研究四角切圆燃烧器的结构造型、布转形式，本课题具体分析、总结了四角切圆燃烧器中偏转二次风对于NOx生成的抑制作用。
关键词：超临界；直流炉；四角切圆燃烧器；偏转二次风＼
目前，随着近年来区域电力工业的快速发展，装机容量迅速增长，电网规模不断扩大，调峰谷差越来越大。其中燃煤机组的增长量尤为突出，导致我国大气环境日益恶化，大气污染治理面临较大压力。在国家节能减排政策的驱动下，环保的要求以及防治环境污染的标准，越来越严格，环境保护的形势也越来越严峻。“十二五”期间将对新建和已建燃煤火力发电厂全部要求实施烟气脱硝，来降低氮氧化物（NOx）的排放量。由于煤燃烧释放出的氮氧化物（NOx），占我国氮氧化物（NOx）排放量中的70%，因此解决火力发电厂减少氮氧化物（NOx）排放量的问题已经刻不容缓。
一、超临界直流炉四角切圆燃烧器概述
（一）大容量超临界机组具有良好的启动、运行和调峰特性，能够满足电网负荷的调峰要求，发电效率能达到43%-47%，并可在较大的负荷范围（30—90%额定负荷）内变压运行。（超临界机组的典型参数为24.2MPa/566℃/566℃.）
（二）直流锅炉的结构特点主要表现在，直流锅炉无汽包，工质依靠给水泵的压头强制流动，顺序通过各受热面（加热段、蒸发段、过热段）。
（三）四角切圆燃烧器是指燃烧器布置于炉膛的四个角，每角均由多个一、二次风（或有三次风）喷嘴所组成，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈假想切圆方式燃烧。
二、四角切圆燃烧氮氧化物（NOx）生成的机理分析
在煤的燃烧过程中，NOx的生成量和排放量与燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等密切相关。燃烧形成的NOx可分为快速型、热力型和燃料型三种。
（一）热力型NOx。当炉膛温度在1350℃以上时，空气中的氮气在高温下被氧化生成NOx ，随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。当温度足够高时，热力型NOx 可达20 %。过量空气系数和烟气停留时间对热力型NOx 的生成有很大影响。在温度低于1300℃时，几乎没有热力型NOx。一般在燃用不含氮的碳氢燃料时才予以考虑。
（二）快速型NOx。快速型NOx主要是指燃料挥发物中碳氢化合物在燃料浓度较高的区域燃烧时所产生的烃，与空气中的N2发生反应，形成的N和HCN继续氧化而生成的NOx。在燃煤锅炉中，快速型NOx所占比例不到5%。
（三）燃料型NOx。燃料型NOx指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解析出（N、CN、HCN等），继而进一步氧化而生成NOx。其生成量主要取决于空气与燃料的混合比。燃料型NOx约占NOx总生成量的75%～90%。过量空气系数越高， NOx的生成和转化率也越高。
在这三种类型的NOx中，对常规燃煤锅炉而言，NOx主要通过燃料型生成途径而产生。
三、偏转二次风在煤粉燃烧中对NOx生成的影响
（一）着火初期的影响
当煤粉气流刚进入炉膛时，由于煤粉气流的温度较低，煤粉气流进入着火前的准备阶段，该阶段为吸热阶段，煤粉气流吸收炉膛中的热量，进行干燥、加热，进而达到着火温度。由于部分偏转二次风（CFS）气流在水平方向分级，使得在着火阶段推迟了空气和煤粉的混合，又因可燃物（煤粉）浓度比较高，而氧浓度比较低，即空气--燃料比<1，氧气含量不足，进而在燃烧初期抑制了热力型NOx生成的条件，造成热力型NOx的生成量很小。
（二）燃烧中期的影响
煤粉气流着火后，由于煤粉风室间强化偏转二次风的进入，使煤粉气流形成了“风包粉”状态，随之向前推移进入一次火焰区，使一次火焰区转变为富燃区，空气--燃料比≥1，煤粉气流中的挥发份析出（喷燃口1—2m的距离大部分挥发份析出），风粉气流充分混合，良好燃烧。同时煤粉气流中的含氮化合物热解析出，但难以实现全部转化生成燃料型NOx。一次火焰区着火稳定放出热量，并且在一次火焰区下游（靠水冷壁处）形成低氧还原区，还原已生成的热力型NOx和燃料型NOx。而后焦炭形成，开始焦炭的初步燃烧。焦炭燃烧通常需要延续10—20m以上，并伴随着空气、CO、HC完全燃烧，称之为二次火焰区，二次火焰区的完全燃烧，造成烟气温度降低，使得二次火焰区变成还原气氛，继续还原生成的热力型NOx和燃料型NOx，并且随着火焰气流的上升排出热量，使燃烧进入燃烬阶段。
（三）燃烬末期的影响
燃烬阶段是燃烧阶段的继续，燃烬区的特点是氧气供应不足，空气温度较低，以致这一阶段需要的时间较长，为了保证煤粉在炉内尽可能燃烬，以提高燃料的利用率，因此将燃料完全燃烧所需要的其余空气，通过布置在燃烧器上方的偏转二次风（SOFA）喷嘴送入，加强扰动来击破灰衣，以便改善风粉混合，使灰渣中的可燃物燃透烧尽。但是需注意应利用较低的氧浓度减缓燃烬过程，从而控制锅炉出口NOx的总排放量。
四、偏转二次风在四角切圆燃烧器中的实例应用
兆光电厂600MW机组采用超临界直流锅炉、中速磨煤机，燃烧器为四角布置、切向燃烧、摆动式燃烧器。燃烧器共设置六层煤粉喷嘴，燃烧方式采用低NOx同轴燃烧系统（LNCFS）。燃烧器布置方式如下图所示：
（一）LNCFS的主要组件为：
a.紧凑燃烬风喷嘴（CCOFA）；
b.可水平摆动的分离燃烬风喷嘴（SOFA）；
c.预置水平偏角的二次风喷嘴（CFS）；
d.强化着火煤粉喷嘴（A/B/C/D/E/F）；
（二）各风箱喷嘴配置：
主风箱设有6层强化着火煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置有燃料风（周界风）。在每相邻2层煤粉喷嘴之间布置有1层二次风喷嘴，其中包括上下2只偏置的CFS喷嘴，1只直吹风喷嘴。在主风箱上部设有2层CCOFA（Closed-coupled OFA，紧凑燃尽风）喷嘴，在主风箱下部设有1层UFA（Underfire Air，火下风）喷嘴。参见图1：煤粉燃烧器布置图。
在主风箱上部布置有5层可水平摆动的SOFA（Separated OFA，分离燃烬风）。参见图2：SOFA风喷嘴布置图。
（三）LNCFS设计原理
强化着火（A/B/C/D/E/F）煤粉喷嘴能使火焰稳定在喷嘴出口一定距离内，使挥发份在富燃料的气氛下快速着火，保持火焰稳定，从而有效降低NOX的生成，延长焦碳的燃烧时间。
LNCFS通过在炉膛的不同高度布置CCOFA和SOFA，将炉膛分成三个相对独立的部分：初始着火燃烧区，NOx还原区和燃料燃烬区。在每个区域的过量空气系数由三个因素控制：总的OFA风量、CCOFA和SOFA风量的分配以及总的过量空气系数。这种改进的空气分级方法通过优化每个区域的过量空气系数，在有效降低NOx排放的同时能最大限度地提高燃烧效率。
五、结论
在超临界直流炉的运行过程中，快速型NOx、热力型NOx、燃料型NOx生成，并无严格的明显界限，亦无先后顺序。二次风以偏转煤粉气流一定的角度喷入炉膛，在着火初期、燃烧中期、燃烬末期各段燃烧过程中控制过量空气系数，抑制了氮生成NOx的趋势。配合浓淡分离燃烧器、分段燃烧等技术，可以明显降低火力发电厂NOx的排放水平。从而应对当前节能降耗、竞价上网的改革浪潮。
参考文献：
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