劉志軍上海賓樂熱能科技有限公司

在用燃氣鍋爐低氮改造技術(shù)及應(yīng)用

劉志軍
上海賓樂熱能科技有限公司

氮氧化物是燃氣鍋爐排放的主要污染物之一，也是環(huán)境空氣質(zhì)量治理的主要對象。簡要分析了氮氧化物的產(chǎn)生機理和低氮燃燒技術(shù)，重點介紹了低氮燃燒器在燃氣鍋爐改造工程實踐中的選擇與應(yīng)用。

氮氧化物；低氮燃燒技術(shù)改造；燃氣鍋爐；燃燒器

全國人大于2016年12月25日審議通過了《中華人民共和國環(huán)境保護稅法》，并于2018年1月日實施。相關(guān)部門根據(jù)我國實際情況，制定了十三五節(jié)能減排目標，出臺了一系列支持節(jié)能減排的政策和措施。全國各地紛紛對大氣污染物的排放標準進行修訂，特別是大幅提高了鍋爐氮氧化物（NOx）的排放限制，其嚴厲程度達到甚至超過了發(fā)達國家鍋爐煙氣排放標準。

自2015年以來，北京等重度污染城市和地區(qū)，加速實施在用鍋爐低氮改造工程。更換低NOx燃燒器是最直接有效的方案。采用煙氣再循環(huán)燃燒方式和全預(yù)混表面燃燒等措施也是降低鍋爐煙氣NOx排放的有效方法。本文分析了鍋爐污染物排放中NOx的形成機理及減排技術(shù)措施，通過實際案例闡明大量在用鍋爐進行低氮改造的有效途徑。

1 氮氧化物的產(chǎn)生

NOx是燃氣鍋爐煙氣排放中的主要有害物質(zhì)，是形成酸雨等污染環(huán)境的關(guān)鍵因素之一。在鍋爐燃燒過程中，NOx生成的主要來源有三個方面。

1）熱力型NOx，是空氣中的氮在高溫(1 300～1500℃）下分解氧化產(chǎn)生的，影響因素如下：

a）火焰溫度：隨燃燒溫度升高，產(chǎn)生的氮氧化物迅速增加，溫度在1 500℃以上時，氮氧化物的生成將成倍增加；

b）氧氣濃度：燃燒過程中，可燃混合氣體中氧氣的濃度越高，NOx的生成量就越大；

c）燃燒停留時間：停留時間越長，NOx的生成量就越大。

2）快速型NOx，是由于燃料揮發(fā)物中碳氫化合物高溫分解生成的CH自由基和空氣中氮氣反應(yīng)生成HCN和N,再進一步氧化，以極快的速度生成NOx，所以稱為快速型NOx。與熱力型和燃料型NOx的生成量相比，快速型NOx的生成量占比不足5%，在溫度低于1 300℃時，幾乎沒有快速型NOx，因此快速型NOx不是我們關(guān)注的重點。

3）燃料型NOx：是燃料中含氮化合物在燃燒過程中氧化生成的，稱為燃料型NOx。燃料中氮化合物的氮以原子狀態(tài)存在，其結(jié)合鍵的能量較小，因此這些氮在燃燒過程中就容易分解出來生成NOx。

天燃氣中基本不含固定氮，燃氣鍋爐實施低氮改造中的絕大部分都是以天然氣為燃料，所以燃料型NOx也可忽略不計。圖1為鍋爐燃燒產(chǎn)生的NOx及其組分示意圖。

圖1 鍋爐燃燒NOx來源及組分

綜上所述，我們在進行鍋爐低氮改造過程中，主要是控制熱力型NOx的產(chǎn)生，以達到降低煙氣中NOx排放的目的。

2 低氮燃燒技術(shù)

熱力型NOx是鍋爐氮氧化物排放的主要來源，高溫燃燒火焰是產(chǎn)生NOx的關(guān)鍵因素,要減少熱力型NOx的生成,燃燒設(shè)備應(yīng)采取兩方面技術(shù)方法：第一，降低火焰的最高溫度，減小火焰高溫區(qū)域的范圍；第二，充分利用燃燒室空間，均勻分布火焰形態(tài)。為此，燃燒設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制技術(shù)可采取下述具體措施：

2.1 空氣分級燃燒

燃料和空氣在理論當(dāng)量比條件下的預(yù)混燃燒，速度快，溫度高。將燃料燃燒所需的空氣分階段與燃料混合燃燒，降低燃燒強度和火焰溫度，而且在還原性氣氛中更有利于降低NOx的產(chǎn)生。過量空氣系數(shù)約為0.8 的一次空氣，對NOx的產(chǎn)生有明顯的抑制作用，剩余的二次空氣與“貧氧燃燒”條件下所產(chǎn)生的煙氣混合，實現(xiàn)燃料的完全燃燒。

空氣分級燃燒，既可抑制NOx的產(chǎn)生，同時可使燃料在總的過量空氣系數(shù)較低的情況下完全燃燒，避免過量空氣系數(shù)偏高增加排煙熱損失。但另一方面，由于燃料與空氣的混合及流動方式不佳，造成局部積炭等不完全燃燒的現(xiàn)象，需合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.2 燃料分級燃燒

將燃氣從不同的區(qū)域噴入燃燒室，使全部燃料分階段分區(qū)域進行燃燒。一級燃燒一般是α＞1的富氧燃燒，會產(chǎn)生一定的NO。二級燃燒區(qū)在α＜1的條件下形成很強的還原性氣氛，使得在一級燃燒區(qū)中生成的NO在二級燃燒區(qū)(再燃區(qū))內(nèi)被還原成N2,降低NOx的排放濃度。

燃料分級燃燒的另一好處是，在有效控制火焰形態(tài)的情況下，根據(jù)燃燒室的形狀，將燃料分散布置，充分利用燃燒室的空間，降低火焰的集中度，進一步減少NOx的生成。圖2為一種燃料分級燃燒效果圖。

圖2 多噴嘴燃料分級燃燒效果圖

2.3 煙氣再循環(huán)

主要指將占理論空氣量約15%～25%的排放煙氣循環(huán)回到助燃空氣中，使得助燃空氣中的氧氣濃度低于21%，且含有一定量CO2。這樣會降低燃氣的燃燒反應(yīng)速率，從而使燃氣的燃燒時間延長，減少了單位空間和時間內(nèi)釋放的熱量。同時煙氣再循環(huán)將使燃燒室中的煙氣量有所增加，火焰的平均溫度也有所降低。這些都有利于抑制熱力型NOx的生成。圖3為鍋爐燃燒器煙氣再循環(huán)原理示意圖。

圖3 燃燒煙氣再循環(huán)示意圖

2.4 全預(yù)混表面燃燒

對于小型燃氣鍋爐，全預(yù)混表面燃燒是控制NOx排放的最有效辦法。一是由于表面燃燒的火焰沿著金屬纖維的表面均勻分布，溫度場分布均勻，如果表面積較大，則單位面積熱負荷較小。二是金屬纖維表面燃燒的α一般約為1.5，較大的過量空氣使得火焰溫度低。這種燃燒方式的NOx排放完全可以控制在30 mg/m3以下甚至更低。但它的缺點也非常明顯，排煙熱損失大，特殊的金屬纖維燃燒頭易堵塞，清理維護的工作量較大。圖4為全預(yù)混表面燃燒效果示意圖。

圖4 全預(yù)混表面燃燒效果圖

工程實踐中，各種技術(shù)措施都有其適用條件和不同的效果。對具體項目，需根據(jù)鍋爐具體技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式及燃氣種類，綜合使用上述技術(shù)措施，才能達到預(yù)期的效果。

1）對于細長型爐膛，燃燒器喉口較小，燃料分級的空間不大，宜采用空氣分級和煙氣內(nèi)循環(huán)；

2）對于爐膛直徑和燃燒器喉口較大的情況，便于采取燃料分級和空氣分級；

3）煙氣循環(huán)對降低NOx具有普遍性適用性，用于大中型鍋爐的效果更佳，被廣泛認可和采用；

4）金屬纖維表面燃燒技術(shù)，對控制NOx的效果很好，但不宜用于10 t/h以上鍋爐。

3 低氮改造技術(shù)應(yīng)用

2015年之前，我國對大氣污染物尤其是氮氧化物的排放標準要求不高，目前在用的燃油、燃氣鍋爐，氮氧化物排放大多在150～200 mg/m3之間，不符合新的環(huán)保排放標準要求，大量在用的燃油燃氣鍋爐急需進行低氮改造。改造主要是針對燃燒器及相關(guān)輔助設(shè)備，解決方案主要有二種：整體更換新型低氮燃燒器；對現(xiàn)有燃燒器進行改造。

由于各地經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)保現(xiàn)狀的差異，投入改造資金的能力不同，應(yīng)因地制宜，采取既能滿足標準要求又具有現(xiàn)實可行性的方案，取得滿意的社會效益。

以下為兩個采用利雅路低氮燃燒器的改造案例。

3.1 上海血液中心兩臺WNS3.91-1-Y蒸汽鍋爐低氮改造。

鍋爐蒸發(fā)量4 t/h，爐膛直徑864 mm，長度3 774 mm，改造前使用強生三段火燃油燃燒器，爐膛容積熱負荷1.266 MW/m3，氮化物排放200 mg/m3，鍋爐本體完好。根據(jù)相關(guān)參數(shù)，鍋爐本體無需改造，燃燒器整體更換為新型低氮燃燒器，即可滿足氮氧化物不超過80 mg/m3的排放要求。該項目最終選用了利雅路RLS400型低氮油氣兩用燃燒器，日常以燃氣為主。圖5為燃燒器更換后的現(xiàn)場圖。改造后的燃氣運行狀況如下：

1）NOx排放。采用新型低氮燃燒頭，通過燃氣和空氣的分級燃燒技術(shù)，順利實現(xiàn)了低氮燃燒，實測鍋爐基準氧含量時的NOx排放為70 mg/m3。

2）能效和安全性。燃燒器負荷調(diào)節(jié)由三段火調(diào)整為連續(xù)比例調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)比高達1：5，鍋爐運行平穩(wěn)，避免了頻繁啟停，使鍋爐的能效和安全性更高，并降低了運行成本。

圖5 更換后的利雅路RLS400低氮燃燒器

3.2 歐諾法裝飾材料（上海）有限公司YY(Q) W-7000Y/Q導(dǎo)熱油爐低氮改造。

該公司使用一臺額定功率7 000 kW的導(dǎo)熱油爐，爐膛尺寸直徑2 592 mm，長度9 590 mm,燃燒器為利雅路RS 1200/M燃氣燃燒器，已運行五年，NOx排放約180 mg/m3，鍋爐及燃燒器狀態(tài)良好，要求將NOx控制在80 mg/m3范圍內(nèi)。通過對鍋爐及燃燒器狀態(tài)的分析判斷，節(jié)約改造成本，在原有燃燒器上加裝煙氣外循環(huán)裝置，循環(huán)煙氣流量約占助燃空氣的15%～20%，隨燃氣量可調(diào)。圖6為改造后的RS1200/M燃氣燃燒器及煙氣循環(huán)裝置。

該項目改造后，鍋爐額定負荷下的NOx排放量降至60 mg/m3，改造工程量和成本均較低，只需設(shè)置一套煙氣循環(huán)管路和調(diào)節(jié)裝置，增加對煙氣流量調(diào)節(jié)控制功能。

圖6 改造后的RS 1200/M燃氣燃燒器及煙氣循環(huán)裝置

4 結(jié)語

隨著我國環(huán)保治理的力度不斷深入，各地區(qū)有大量的在用工業(yè)鍋爐、加熱爐、窯爐等熱工設(shè)備陸續(xù)要進行低氮改造。實踐證明，現(xiàn)在低氮燃燒技術(shù)的基本原理是明確而有效的，但要達到預(yù)期效果就必須滿足相應(yīng)的技術(shù)條件，否則不可能達到目的。燃燒器是鍋爐重要組成部分，其可靠性、經(jīng)濟性是必須考慮的重要因素，要因地制宜，從技術(shù)和成本兩方面綜合考慮改造方案。本文闡述的低氮燃燒技術(shù)原理及應(yīng)用方法，為在用燃油燃氣鍋爐燃燒設(shè)備的低氮改造提供了一些可行的經(jīng)驗和案例，具有一定的啟發(fā)和借鑒作用。

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Low N trogen Renovation Technology and App lication at Existing Gas-Fired Boiler

Liu Zhijun Shanghai Binle Thermal Scientific Technology Limited Company

Nitrogen oxide is m ain po llutant from gas-fired boiler em ission, which is key to air pollution and need to be treated. The au tho r ana lyzes p roduc tion m echanism of nitrogen oxide and low nitrogen combustion technology. The article focuses on selection and app lication of low nitrogen combustion reactor for gas-fired boiler renovation practice.

Nitrogen Oxide, Low Nitrogen Com bustion Technology Renovation, Gas-Fired Boiler, Combustion Reactor

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.07.011