在用燃氣鍋爐低氮改造技術及應用

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及應用

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，也是環境空氣質量治理的主要對象。簡要分析了氮氧化物的產生機理和低氮燃燒技術，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用。

氮氧化物；低氮燃燒技術改造；燃氣鍋爐；燃燒器

全國人大于2016年12月25日審議通過了《中華人民共和國環境保護稅法》，并于2018年1月日實施。相關部門根據我國實際情況，制定了十三五節能減排目標，出臺了一系列支持節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，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。采用煙氣再循環燃燒方式和全預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 氮氧化物的產生

NOx是燃氣鍋爐煙氣排放中的主要有害物質，是形成酸雨等污染環境的關鍵因素之一。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℃）下分解氧化產生的，影響因素如下：

a）火焰溫度：隨燃燒溫度升高，產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存在，其結合鍵的能量較小，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的產生，以達到降低煙氣中NOx排放的目的。

2 低氮燃燒技術

熱力型NOx是鍋爐氮氧化物排放的主要來源，高溫燃燒火焰是產生NOx的關鍵因素,要減少熱力型NOx的生成,燃燒設備應采取兩方面技術方法：第一，降低火焰的最高溫度，減小火焰高溫區域的范圍；第二，充分利用燃燒室空間，均勻分布火焰形態。為此，燃燒設備的結構設計和控制技術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量比條件下的預混燃燒，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的產生。過量空氣系數約為0.8 的一次空氣，對NOx的產生有明顯的抑制作用，剩余的二次空氣與“貧氧燃燒”條件下所產生的煙氣混合，實現燃料的完全燃燒。

空氣分級燃燒，既可抑制NOx的產生，同時可使燃料在總的過量空氣系數較低的情況下完全燃燒，避免過量空氣系數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象，需合理的產品結構設計。

2.2 燃料分級燃燒

將燃氣從不同的區域噴入燃燒室，使全部燃料分階段分區域進行燃燒。一級燃燒一般是α＞1的富氧燃燒，會產生一定的NO。二級燃燒區在α＜1的條件下形成很強的還原性氣氛，使得在一級燃燒區中生成的NO在二級燃燒區(再燃區)內被還原成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的情況下，根據燃燒室的形狀，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

主要指將占理論空氣量約15%～25%的排放煙氣循環回到助燃空氣中，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釋放的熱量。同時煙氣再循環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原理示意圖。

圖3 燃燒煙氣再循環示意圖

2.4 全預混表面燃燒

對于小型燃氣鍋爐，全預混表面燃燒是控制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為全預混表面燃燒效果示意圖。

圖4 全預混表面燃燒效果圖

工程實踐中，各種技術措施都有其適用條件和不同的效果。對具體項目，需根據鍋爐具體技術參數、結構形式及燃氣種類，綜合使用上述技術措施，才能達到預期的效果。

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循環；

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，對控制NOx的效果很好，但不宜用于10 t/h以上鍋爐。

3 低氮改造技術應用

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輔助設備，解決方案主要有二種：整體更換新型低氮燃燒器；對現有燃燒器進行改造。

由于各地經濟發展和環保現狀的差異，投入改造資金的能力不同，應因地制宜，采取既能滿足標準要求又具有現實可行性的方案，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。根據相關參數，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，順利實現了低氮燃燒，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。燃燒器負荷調節由三段火調整為連續比例調節方式，調節比高達1：5，鍋爐運行平穩，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導熱油爐低氮改造。

該公司使用一臺額定功率7 000 kW的導熱油爐，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，鍋爐及燃燒器狀態良好，要求將NOx控制在80 mg/m3范圍內。通過對鍋爐及燃燒器狀態的分析判斷，節約改造成本，在原有燃燒器上加裝煙氣外循環裝置，循環煙氣流量約占助燃空氣的15%～20%，隨燃氣量可調。圖6為改造后的RS1200/M燃氣燃燒器及煙氣循環裝置。

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，只需設置一套煙氣循環管路和調節裝置，增加對煙氣流量調節控制功能。

圖6 改造后的RS 1200/M燃氣燃燒器及煙氣循環裝置

4 結語

隨著我國環保治理的力度不斷深入，各地區有大量的在用工業鍋爐、加熱爐、窯爐等熱工設備陸續要進行低氮改造。實踐證明，現在低氮燃燒技術的基本原理是明確而有效的，但要達到預期效果就必須滿足相應的技術條件，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、經濟性是必須考慮的重要因素，要因地制宜，從技術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原理及應用方法，為在用燃油燃氣鍋爐燃燒設備的低氮改造提供了一些可行的經驗和案例，具有一定的啟發和借鑒作用。

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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