燃氣鍋爐低氮改造技術探討

王憲輝 李 鐘

(北京大學動力中心,北京 100871)

燃氣鍋爐低氮改造技術探討

王憲輝 李 鐘

(北京大學動力中心,北京 100871)

分析了NOx污染現狀和形成原因，從分級燃燒、燃燒機預混、煙氣再循環等方面，介紹了燃氣鍋爐低氮改造技術，并通過實際案例表明，燃氣鍋爐低氮改造有效降低了氮氧化物的排放量。

燃氣鍋爐，低氮技術，氮氧化物，污染物

0 引言

近些年，空氣污染成為人們熱議的話題，主要有兩方面原因：

1)隨著我國經濟不斷向前發展，能源消耗和機動車保有量快速增長，較為粗放的經濟增長方式帶來了空氣污染問題；

2)居民生活水平提高后，也開始更多的將注意力放在空氣質量和自身健康問題上。影響空氣質量的污染物主要包括粉塵,SO2,CO2和NOx等，其中NOx會引起產生酸雨、加劇溫室效應、破壞臭氧層和產生光學煙霧等危害，對人們所處的環境造成嚴重污染，也會直接影響人體健康。燃料燃燒產生的NOx占人類活動產生NOx總量的90%，是大氣污染物的主要來源之一。

1 概述

北京市從1998年開始進行燃煤鍋爐清潔能源改造，持續推進多年后，目前燃煤鍋爐總量約3萬蒸噸，燃氣鍋爐約7萬蒸噸。與之前比較，現在大氣污染物構成比例發生了較大變化，燃煤鍋爐時期主要是SO2、煙塵和NOx帶來的污染，燃氣鍋爐為主時期減少了SO2、煙塵污染，但是NOx排放量卻有所增加，帶來了新的問題。肖云江等人在研究中提出燃氣鍋爐(熱效率90%)提供1 GJ熱量所產生的NOx是燃煤鍋爐(熱效率82%)的3.5倍。2015年，北京市NOx濃度達標情況為，年均濃度為50 μg/m3，與40 μg/m3的國家標準相比超標25%。根據北京大學氣象站點的空氣監測數據，PM2.5與NOx的變化趨勢呈現強相關性，NOx排放是重污染形成的主要因素之一。

北京市的季節性污染特征明顯，采暖季污染程度明顯大于非采暖季，這其中有氣候條件不利污染物擴散等方面因素，但重污染天氣更主要的原因還在于季節性能源消耗產生的污染物排放，這種現象在整個北方地區都比較普遍。燃氣鍋爐作為北京地區冬季供暖的主要熱源，所排放的NOx對大氣污染的貢獻率較大。

煤改氣后燃氣鍋爐的降氮問題開始引起環保部門重視，北京市NOx的排放濃度限值較之前更為嚴格，2017年4月1日開始執行在用鍋爐80 mg/Nm3的排放限值。王慶豐等對北京市85臺小區集中供熱燃氣鍋爐NOx排放情況進行了實測，測試數據表明：燃氣鍋爐NOx平均排放質量濃度為125 mg/m3。另據環保部門調查報告，北京市NOx排放均值濃度為153 mg/m3。這兩組數據都表明，目前北京市的在用鍋爐NOx排放達標困難。對比鍋爐排放要求最嚴格美國加州(限值為30 mg/Nm3)，我們還存在較大減排潛力。

2 NOx的生成

燃料在燃燒過程中產生NOx可分為三種類型：熱力型、快速型和燃料型，NOx主要成分是NO和NO2，其中NO占95%以上，它們的產生有著各自不同的機理。燃氣鍋爐產生的NOx主要是熱力型NOx和快速型NOx。

2.1 熱力型NOx

燃燒時溫度高于1 500 ℃，空氣中的氮在高溫下氧化生成的NOx，即為熱力型NOx。這種NOx只在高溫下形成，其中的生成過程是一個不分支連鎖反應，也被稱為捷里多維奇反應式。

N2+O→NO+N

N+O2→NO+O

N+OH→H+NO

研究表明，決定NOx產生量的最主要變量是爐膛溫度。當溫度低于1 500 ℃時，熱力NOx的生成量很少；高于1 500 ℃時，溫度每升高100 ℃，反應速率將增大6倍～7倍。

2.2 快速型NOx

1971年，費尼莫爾(Fenimore)根據碳氫燃料預混火焰的軸向NO分布實驗結果，認為在反應區附近會快速生成NO，遂稱其為“快速NO”，即費尼莫爾反應機理。快速型氮是在高燃料濃度燃燒條件下生成的。快速NO的形成與三個因素有關，即CH原子團的濃度及形成過程、N2分子反應生成氯化物的速率和氮化物間相互轉換率。

CH+N2→HCN+N

N+H2→NH+H

NH+H2→NH3

HCN+O2→NO+HCO

2.3 燃料型NOx

燃料型NOx是燃料中固定氮在高溫(600 ℃)氧化后生成的NOx，煤燃燒時約75%～90%的NOx是燃料型NOx，因此燃料型NOx是燃煤鍋爐產生NOx的主要來源。而天然氣中氮的含量非常少，基本可以忽略。

3 低氮改造技術

低氮改造主要在鍋爐的源頭和尾部進行，即燃燒控制和煙氣處理。燃煤鍋爐也可兩種技術同時采用，對于燃氣鍋爐，低NOx燃燒技術是普遍采用的措施。根據NOx的生成機理，要想減少其生成量，最重要的就是控制燃燒過程的溫度和時間，實際控制因素即為空氣燃料比、燃燒區溫度及分布、后燃燒區的冷卻程度和燃燒機的形狀設計等。

西方發達國家早在數十年前就遇到了NOx污染問題，其控制對策值得借鑒。燃氣鍋爐低氮燃燒技術發展到現在，主要通過分級燃燒、燃燒機預混和煙氣再循環等技術手段和措施來進行低氮控制。

3.1 分級燃燒

分級燃燒技術的主要特點是燃料和空氣分級送入爐膛。燃料分級是在主燃燒區送入大部分燃料，可在一次火焰區尾部形成一個富含NH3,CH,HCN的低氧還原區，已生成的NOx在通過該區域時，部分會被還原成N2。空氣分級是將燃料燃燒所需空氣分階段送入爐膛，先將理論空氣量的80%左右送入主燃燒器，形成缺氧富燃料燃燒區，在燃燒后期將燃燒所需空氣的剩余部分以二次風形式送入，使燃料在空氣過剩區燃盡。

分級燃燒能夠確保燃料進行充分燃燒，同時大大降低煙氣中NOx的生成，采用分級燃燒技術可減少60%左右的NOx排放。

3.2 燃燒機預混

預混燃燒是相對于擴散燃燒的另一種典型燃燒方式，根據預混氧化劑的含量是否能夠使燃料完全燃燒，分為部分預混和完全預混燃燒兩類。在燃燒前，燃料與氧氣已經在燃燒器內充分混合，預混燃燒的燃燒溫度高、燃燒強度大，對當量比可進行完全控制，由此能夠實現對燃燒溫度的控制，進而控制熱力型NOx的生成。

在降低NOx生成方面，完全預混燃燒和部分預混都具有很大潛力，較之非預混燃燒可減少85%左右的NOx生成。不過，預混氣體有著極高的可燃性，預混燃燒火焰穩定性差，有可能導致回火，回火現象控制不好，輕則影響燃燒機使用壽命，重則會給燃燒機帶來災害性后果。由于預混燃燒在安全性控制上存在一定技術困難，目前應用并不十分廣泛。這項技術還會導致過量空氣系數偏高，增加排煙損失、降低鍋爐效率。

3.3 煙氣再循環

燃燒產生的部分煙氣，經冷卻后再循環送回燃燒區，或與空氣進行混合后送入燃燒區，由此降低氧濃度和燃燒區的溫度，達到減少NOx生成量的目的，這種方式被稱為煙氣再循環燃燒技術。其原理是通過循環煙氣的吸熱作用降低火焰溫度，稀釋氧氣濃度，降低燃燒速度，以減少熱力型NOx生成。

煙氣再循環技術主要減少的是熱力型NOx，對燃氣鍋爐降氮效果最為顯著，這是由于天然氣的含氮量低，且NOx生成又以熱力型為主。另外，該技術的使用效果與再循環煙氣量也有關，煙氣再循環率一般控制在10%～20%，若過高則會出現燃燒不穩定的情況，未完全燃燒熱損失也會增加。經驗表明，煙氣再循環率為10%～15%時，燃氣爐的NOx排放濃度可降低40%以上。

煙氣再循環的控制方法是通過風機進口控制擋板來調節煙氣再循環回收的煙氣量，擋板由PLC通過4 mA～20 mA信號進行控制，通過回收煙氣量與燃燒負荷整定出最佳燃燒曲線，實現自動控制，根據鍋爐不同工況下運行狀況自動調整煙氣的回收量，以達到鍋爐在不同負荷運行下，將NOx濃度控制在合理的范圍內的目的。煙氣再循環技術會在一定程度上降低鍋爐的熱效率，需要通過合理的回收和精準的控制將其影響降至最低。

煙氣再循環技術可在一臺鍋爐上單獨使用，也可和其他低氮燃燒技術配合使用，使得NOx排放更低。

4 改造案例

4.1 蔚秀園小區供熱鍋爐房

蔚秀園鍋爐房供熱面積約21萬 m2，原有2臺型號為WNS10.5-1.0/115/70-Q的燃氣熱水鍋爐，鍋爐是由重慶鍋爐總廠生產的強制循環水管鍋爐，并以清潔能源天然氣作為燃料的熱水鍋爐，微正壓運行方式。原鍋爐燃燒器及其配套輔助設備由德國Weishaupt(威索)公司生產并提供技術支持，改造前的NOx排放濃度為150 mg/Nm3。

2015年10月月底完成低氮改造，采用德國elco(歐科)分體式DG-Tron6.13000 R型燃燒機，機械式比例調節，同時采用煙氣外循環技術。低氮技術改造后，經檢測鍋爐NOx排放濃度降低至53 mg/Nm3，每年可減少2 673 kg的NOx排放。

4.2 燕北園小區供熱鍋爐房

燕北園鍋爐房供熱面積約11萬 m2，原有2臺型號為WNS7-1.0/115/70-YQ的燃氣熱水鍋爐，鍋爐是由無錫華光鍋爐股份有限公司生產的強制循環水管鍋爐，原鍋爐燃燒機及其配套輔助設備由公司生產，改造前NOx排放濃度為150 mg/Nm3。

與蔚秀園小區同時完成低氮改造，采用德國elco(歐科)EK EV09.8700G-EU3比例調節燃燒機，風機與燃燒機一體式，全電子比例調節，調節比例為1∶8，同時采用煙氣外循環技術。低氮技術改造后，經檢測鍋爐NOx排放濃度降低至52 mg/Nm3，每年可減少1 470 kg的NOx排放。

5 結語

北京市的氮氧化物污染治理工作面臨著嚴峻考驗，政府部門已多次提高鍋爐大氣污染物的排放標準，還加大了檢查力度和超標排放處罰力度，以罰促改、以查促治。目前，鍋爐低氮技術已日趨成熟和完善，各有關企業應積極響應政府號召，盡快完成低氮改造，減少氮氧化物排放，履行環保社會責任，爭取早日還北京以藍天。

[1] DB 11/139—2015，鍋爐大氣污染物排放標準[S].

[2] 王慶豐,杜紅波,劉進榮，等.北京市小區集中供熱燃氣鍋爐NOx排放現狀及分析[J].暖通空調,2016(5):67-69.

[3] 蘇 毅,揭 濤,沈玲玲，等.低氮燃氣燃燒技術及燃燒器設計進展[J].工業鍋爐,2016(4):17-25.

[4] 肖云江,陳 剛,張 越.煤改燃后鍋爐的NOx排放對比淺析[J].安徽建筑,2015(3):191-192.

[5] 陳偉霖.燃氣鍋爐增容與低氮燃燒改造設計方案及應用[J].熱力發電,2014(6):127-131.

Discussion on low nitrogen transformation technology of gas fired boiler

Wang Xianhui Li Zhong

(PowerCenter,PekingUniversity,Beijing100871,China)

This paper analyzed the pollution situation and causes of Nox, from staged combustion, premixed combustion machine, flue gas recirculation and other aspects, introduced the low nitrogen transformation technology of gas fired boiler, and through the actual case showed that the low nitrogen transformation of gas boiler effectively reduced the emission of nitrogen oxides.

gas fired boiler, low nitrogen technology, nitrogen oxides, pollutant

1009-6825(2017)05-0203-02

2016-12-04

王憲輝(1981- )，男，工程師； 李 鐘(1967- )，男，高級工程師

TU761.2

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