低氮燃燒器在揚州石化1#鍋爐的應用

鮑依福

摘 要：揚州石化1#鍋爐因存在易受外界波動、點火成功率低影響安全運行及煙氣不能達標排放等方面問題，通過低氮燃燒器改造后，影響燃燒器安全穩定運行因素得到消除，同時尾部煙氣NOx能夠達標排放。

關鍵詞：低氮燃燒 NOx 達標排放

中圖分類號：TK2271 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0116-03

揚州石化熱電車間現有2臺鍋爐，1#鍋爐為SZS25-2.5/400-YQ型雙鍋筒縱置式室燃爐，設計鍋爐效率 91.7%；3#鍋爐為UG 38.5-3.82/450-MQ型煤氣混燒鏈條爐，設計鍋爐效率82.3%。1#鍋爐于2014年5月建成投用，試運行表明該鍋爐安全、經濟、高效、自動化程度高，基本能滿足生產需要。但在安全上存在易受外界瓦斯、風壓、壓縮風等波動導致多次停爐；多次關鍵時刻點火電極不打火、影響蒸汽供應；點火可靠性較差、油嘴易堵塞磨損；環保上存在純燃氣燃燒狀態下氮氧化物超標達到220 mg/m3。為提高1#鍋爐的安全可靠經濟運行，同時減少NOx排放，于2016年9月對燃燒器進行更新改造。

1 氮氧化物產生的因素

目前，2014年國家下發了關于鍋爐大氣污染物排放標準，規定在重點地區燃氣鍋爐的氮氧化物排放濃度要達到150 mg/m3以下[1]。為此，集團公司要求進行鍋爐燃燒系統改造時必須考慮降低NOx的排放。因此，筆者公司針對1# 鍋爐存在的問題決定采取更換低氮燃燒器。

1.1 NOx的生成機理

氮氧化合物的生成機理主要有3種類型：（1）燃料型。燃料中含氮化合物在燃燒過程中經熱分解后又被氧化生成NOx，占總量的60%～80%，燃料氮轉化為NOx的量主要取決于空氣燃料混合比（空燃比）；（2）熱力型。熱力型NOx是燃燒時空氣中的氮（N2）和氧（O2）在高溫下生成的NO和NO2，占總量的20%～30%，影響因素是溫度，當溫度高于1 500 ℃時隨著溫度的提高，熱力型NOx會程指數倍急劇增加；（3）快速型。燃料燃燒時產生CH原子團撞擊N2分子而生成CN類化合物，然后再被氧化成NOx，其所占比例很小，一般不予考慮[2]。

1.2 #鍋爐產生NOx的類型

因揚州石化1#鍋爐的燃料主要為煉廠干氣、丙烷和外購天然氣，燃料氣燃燒產生的NOx主要是熱力型的。熱力型氮氧化合物的排放量主要受到燃燒火焰溫度、氧氣濃度和燃燒產物在高溫區停留時間等3個方面的影響：當火焰溫度>1 538 ℃時，NOx的生成速度按指數倍迅速增加；燃燒時氧氣濃度越高，燃燒溫度越高，則NOx的生成量越大；燃料燃燒時間越長，則NOx的生成量越大。

抑制熱力型NOx的生成是本次改造主要目的，控制手段主要是消除局部高溫區、降低火焰峰值溫度，從而有效減少熱力型NOx的生成。

2 低氮燃燒器的選用

2.1 技術簡介

燃燒器是鍋爐的主要設備之一，按燃料的不同可以劃分為燃氣系列、燃油系列、油氣混燒等，按燃燒器結構形式可劃分為平流式燃燒器、旋流式燃燒器、低NOx燃燒器、大風箱式燃燒器等；燃燒器主要包括燃燒器本體、燃料噴嘴、配風裝置、穩燃裝置等，并配備相應的管路系統、自動點火裝置、火焰檢測裝置及控制系統，可實現負荷調節、自動點火、邏輯保護等功能；可提供燃燒器系統的整套解決辦法。主要優點：燃燒器熱效率高，散熱損失少；燃燒器調節比大，溫度調節方便，可根據負荷要求進行調節；火焰鋪展性好，可根據要求對火焰尺寸進行調節；可實現低NOx燃燒要求。

該燃燒器利用如下原理，可以很顯著地降低燃燒器燃燒過程中NOx的產生。

2.2 低氮燃燒的機理

2.2.1 燃料的分級燃燒

在燃燒過程中已產生的NO遇到烴根CHi、未完全燃燒產物如CO、H2、C以及CnHm時，會發生NO的還原反應，反應公式如下：

4NO+CH4=2N2+CO2+2H2O

2NO+2CnHm+（2n+m/2-1）O2=N2+2nCO2+mH2O

2NO+2CO=N2+2CO2

2NO+2C=N2+2CO

2NO+2H2=N2+2H2O

利用上述原理，將（約80%～85%）的燃料送入第一級燃燒區（也叫主要燃燒區域），在α<1條件下燃燒并生成NOx。送入第一級燃燒區的燃料稱之為一次燃料，其余（約15%～20%）的燃料則在主燃燒器的外側送入第二級燃燒區，在α<1的條件下形成很強還原性的氣氛，使在第一級燃燒區域中產生的NOx在第二級燃燒區內被還原成氮氣分子，二級燃燒區也叫作再燃區，送入再燃區的燃料稱作二次燃料。在再燃區中不僅使已生成的NOx得到還原，還能抑制新的NOx的生成，可以將NOx的排放濃度進一步下降。

2.2.2 空氣的分級燃燒

曾有研究報告做了通過改變過量空氣系數的實驗研究，通過一系列實驗，經驗數據得到如下：

當過量空氣系數α=0.9時，NOx濃度處于谷值。在α<0.9時，隨過量空氣系數的增加，太過濃的燃燒，快速型NOx劇烈增加而導致NOx濃度的劇烈降低。在α>0.9時，NOx濃度隨α的增加而增加。當α=1.2時，由于主燃燒區域的溫度較高，熱力型NOx產生作用使得NOx濃度出現峰值。其后NOx濃度隨著α的增加而較快下降。當α>1.4后，由于溫度的降低和空氣量比例的增加而產生的稀釋作用，NOx濃度隨α的增加而緩慢降低[3]。

根據以上原理，設計的燃燒器將燃料分級送入燃燒器，分層燃燒；燃燒器中心為油槍，燃氣從兩個進口分別進入燃燒器，同時在燃燒器內部將空氣分層送入中心燃燒區域及周界燃盡區域，使燃燒區域分成氧化、還原、氧化3種氣氛，從而有效地控制NOx的生成。

該種燃燒器能確保在運行工況下保證火焰不偏斜，確保火焰不直接沖刷爐壁，火焰尺寸與爐膛結構匹配，且可以使火焰在不停爐的情況下進行調節；該系列燃燒器運用了超混合技術，燃燒更穩定可靠，溫度場更均勻；燃燒效率保證99.99%；過量空氣系數低，可以達到α=1.05。NOx生成量≤100 mg/Nm3（在純燃氣條件下）。endprint

3 改造經過

2016年9月10～30日對1#鍋爐低氮燃燒器進行安裝及配管。并于10月9日至10月30日進行燃燒器的調試工作。在調試過程中發現內外層瓦斯配比不均導致火檢無法探測到火焰停機、燃油時霧化蒸汽閥開啟后將瓦斯火焰吹熄、面板上火檢探測位置過于局限不能滿足鍋爐處于小火且外層氣開啟后的穩定運行、單燒燃油時火檢探測存在盲點等問題，車間適時根據燃燒器調試進度對相關流程進行調整優化如：將爐前燃油回油閥改至調節閥前、增設3處火檢以滿足鍋爐安全可靠運行、將點火瓦斯線引至進1#爐瓦斯調節閥前以確保長明燈瓦斯壓力、對1#爐順控啟動運行至正常燃燒器保留長明燈進行程序更改、將鼓引風機運行狀態與燃燒器切斷閥進行聯鎖、保留原九江中船航儀燃燒器的調節風門并通過DCS調節以降低送風機轉速等。優化啟用、停用油槍、吹掃等操作步驟，確保1#鍋爐的安全穩定運行。同時將經驗進行總結，并對編寫的操作規程多次進行修改完善。

4 改造效果

更新低氮燃燒器后點火方式手動、自動相結合，同時增加一個點火電極，提高點火成功率；將點火、停爐、點油槍等操作糅合進DCS中，操作過程及模式更為直觀易學；燃料適用范圍增加，燃油量較之前有所增加；增加點火槍退出執行機構，保護點火部件，易于維護，增加鍋爐正常操作自動手動切換功能，消除儀表隱患；降低成本，利用原有燃燒器的風門及干氣管路控制閥；火焰檢測由原來的1處增加為5處，提高了鍋爐運行的穩定可靠性；更換高強度耐磨燃油油嘴，減少油嘴堵塞次數。

由表1的計算可以看出，在完成低氮燃燒改造后，1#鍋爐的氮氧化物減排量約為29 t/a，減少排放超過60%，同時在減排的過程中，幾乎不增加運行成本。可以得出燃氣鍋爐的低氮燃燒技術改造，具有非常明顯的經濟效益和社會效益。

5 結語

作為導致空氣污染的數個主要源頭之一——氮氧化合物，隨著國民和政府對環保方面的關注，現今國家大氣環保的要求對于氮氧化物排放標準日趨嚴格，因此較低的前期投入和零成本運行的鍋爐低氮改造勢必成為重要抓手，將1#鍋爐低氮燃燒改造進行簡要介紹，為3#鍋爐煤改氣達標排放打下了堅實的理論實踐基礎。

參考文獻

[1] GB 13271?—2014，鍋爐大氣污染物排放標準[S].

[2] 丁永航，周大海.燃燒過程中NOx的生成機理和抑制技術[J].上海煤氣，2007（4）：19-22.

[3] 于巖，閻維平，劉彥豐，等.空氣分離/煙氣再循環技術中NOx排放特性及機理分析[J].熱力發電，2003（3）：47-49.endprint