低氮燃燒改造綜述

殷鳳榮

（中國電子科技集團公司第十五研究所，北京 100083）

0 引言

污染源是防治大氣污染危害的根本措施，治理途徑是多方面的，近些年國家對城市采暖污染方面的提出了清潔燃燒理念，鼓勵各大鍋爐使用業主采取低氮改造的方式降低氮氧化物的排量，眾所周知氮氧化物（NOX）是PM2.5的重要前體物，而燃氣鍋爐的NOX的生成量主要與火焰溫度、燃燒器區段氧濃度、燃燒產物在高溫區停留的時間有關，一般火焰溫度越高，氮氧化物生成的就越多，反之亦然，降低氮氧化物的途徑主要有兩個方面：降低火焰溫度，防止局部高溫；降低過量空氣系數和氧濃度。因此，抑制氮氧化物生成的一個重要措施就是從燃燒器入手。

1 低氮燃燒理論基礎

1.1 低氮燃燒器

低氮燃燒器是指燃料燃燒過程中氮氧化物排放量低的燃燒器，通常是指氮氧化物排放在（30～80）mg/m3的燃燒器，氮氧化物排放在30 mg/m3以下稱為超低氮燃燒器，實現技術大致基于：電子比調儀和氧含量控制、全預混表面燃燒、分級燃燒、煙氣再循環（Flue Gas Recirculation，FGR）技術。

1.2 過量空氣系數及含氧量

燃料燃燒時實際空氣需要量與理論空氣需要量之比稱為過量空氣系數，通常用α表示。α過大，說明在燃燒時實際鼓風量較大，氧氣充足，對完全燃燒有利，但過大的鼓風量必然產生過大的煙氣，增加排煙熱損失q2，爐膛溫度降低，傳熱不好，浪費燃料；α過小，說明實際鼓風量小，氧氣不足，造成不完全燃燒熱損失q3和固體不完全燃燒熱損失q4，浪費燃料，爐內傳熱也不好。因此，合理的過量空氣系數應該即保證燃料完全燃燒，又能使各項熱損失降至最小。需要確定一個最佳的α使得q2+q3+q4的和最小[1]。氧含量即：燃料燃燒后，煙氣中還有多余的自由氧，通常以干基容積百分比數來表示。

1.3 分級燃燒

組織燃燒所需空氣和燃料在燃燒行程的不同部位供入參加燃燒，實現總體抑制NOX生成的燃燒技術。以擴散式燃燒器為例：燃燒之前，燃氣不與空氣混合，燃氣自火孔流出后，靠擴散作用與空氣混合進行燃燒[2]，其特點是燃燒穩定，不存在回火問題，運行可靠，結構簡單，并可以利用低壓燃料氣，單火焰較長，需要較大的燃燒空間。為了能使燃料與空氣較好混合，一般都是將燃料分成多股細流，使其與空氣接觸面增大，或者是空氣與燃料氣之間有一定的交角或成旋流狀態，增大相互的擾動，從而使燃料氣與空氣更好的混合。

1.4 煙氣再循環技術

燃燒產生的部分煙氣與氧化劑混合后再次參加燃燒的過程稱為煙氣再循環燃燒技術[3]，其本質就是通過將燃燒產生的煙氣重新引入燃燒區域，溫度對NOX生成速率的影響呈指數關系，與煙氣中的氧濃度的0.5次方成正比關系，該技術降低了火焰區的最高溫度，就可以降低NOX的形成，高溫煙氣對氧化劑和燃料起到預熱作用，實現對燃燒溫度和氧化物濃度的控制，從而實現降低NOX的排放和節約能源的效果。

1.5 全預混表面燃燒技術

燃氣在燃燒前與足夠的空氣進行混合，在燃燒過程中不再需要供給空氣的燃燒方式稱為全預混表面燃燒技術，其特點是火焰短，附著于燃燒表面，燃燒均勻，難以形成局部高溫區，燃燒產物的停留時間非常短，過量空氣系數少，無需鼓風，節省動力，即可有效控制NOX的生成[4]。以鍋爐金屬纖維燃燒器為例，它是一種全預混微焰式燃燒器，以特種金屬纖維作為燃燒表面，可根據輸出功率的大小不同，火焰產生兩個基本模式，低功率輸出時，燃燒器為外紅輻射模式，在高功率時燃燒器是藍火焰模式，調節功率輸出時，火焰就在這兩個模式之間變化。

2 鍋爐低氮燃燒器的選擇

（1）必須滿足國家和地方環保排放要求，在滿足要求的前提下，從企業的社會責任角度出發，盡量應該選擇NOX排放更低的設備。

（2）達到充分燃燒的極限過量空氣系數為大約1.1。對于燃氣鍋爐大氣污染物基準含氧量排放濃度為3.5%[5]，更高的煙氣氧含量通常意味著燃燒效率降低，理想的燃燒器最好的氧含量可以控制在3%以內。

（3）低氮燃燒器通常應該具備至少5∶1以上的高可調比，更低的可調比意味著實際運行過程中更多的ON/OFF啟停，同時意味著更多的天然氣消耗，除非是負荷常年在一個比較小的穩定區間的鍋爐，選擇一個高可調比的燃燒器對于降低天然氣的消耗，降低運程成本，延長設備的使用壽命非常重要。

（4）對于采用FGR技術的燃燒器，需要特別關注煙氣再循環率，即再循環煙氣量與不采用煙氣再循環時的煙氣量之比，稱為煙氣再循環率，燃氣鍋爐的煙氣再循環率一般控制在10%～20%，當采用更高的煙氣再循環率時，燃燒極易不穩定，未完全燃燒熱損失將會增加，煙氣回收需要加裝風機，保證足夠的回收煙氣量送入爐膛，一般采用變頻控制，可以滿足鍋爐不同負荷下需要煙氣回收量，也大大降低了電耗，同時可以保證煙氣控制在合理的流速內，產生最大化的利用率。

3 常用低氮改造方案

（1）要想達到超低氮排放要求，最直接的改造方案是更換全預混表面燃燒器，通常能夠將NOX在全火范圍內控制到30 mg/m3以內，因無需加裝煙氣再循環管道，可以節省使用空間，改造工程相對簡單，基于其工作原理是預先混合燃料空氣，因此對于燃燒頭和空氣過濾器的清潔保養很重要，無形中增加了后期保養的工序，否則極易造成爆燃現象的發生，2015年起，北京作為試點城市逐步推行了燃油（氣）鍋爐低氮燃燒改造，2017年北京市質量技術監督局、北京市環境保護局關于鍋爐低氮燃燒改造安全風險警示的通告中明確提出建議：對于7 MW（蒸發量10 t/h）以上的在用鍋爐，不建議采用預混式燃燒的改造方式。

（2）利用分級燃燒加FGR的方式達到超低氮燃燒改造，此種方案的使用較為普遍，僅使用FGR通常能夠將NOX在全火范圍內控制在（40～65）mg，加裝低氮燃燒器將進一步減少NOX的排放，達到超低氮排放。

（3）利用全預混表面燃燒加FGR方式能達到更好的降氮效果，結合了表面燃燒的NOX控制的優點和FGR降氧含量的優點，可以實現在全火范圍內控制NOX到20 mg水平，同時控制氧含量在3%以內，最大化燃燒效率，當然此種方案的設備投資成本也相對較高。

4 低氮改造施工的重要環節

（1）必須選用有鍋爐安裝及壓力管道施工資質的廠家進行施工，在用鍋爐更換燃燒器的施工過程，涉及到燃氣管道的拆裝，根據燃氣公司的要求燃氣管道的施工必須由有資質的廠家進行施工，在管道拆裝前后，需要聯系當地燃氣公司對燃氣管道進行停、復氣操作，確保拆除前管道內無燃氣，接通后管道無漏氣，從安全角度考慮，必須嚴格規范操作流程。

（2）在燃燒器安裝前期，需要了解所選燃燒器要求的燃氣壓力范圍，以確保適用于在用鍋爐的燃氣調壓箱的輸出壓力，否則需要聯系燃氣公司對燃氣調壓箱進行調壓或更換調壓箱，以避免在設備點火試運行時因燃氣壓力過低造成無法啟爐的現象發生。

（3）低氮燃燒器都自帶控制柜，確保在用鍋爐控制系統與燃燒器控制柜的有效對接，必要時可將鍋爐控制系統一并更新，可避免鍋爐控制系統與燃燒器控制系統不匹配的問題出現，一般不會對外管網的控制系統造成影響。需要注意的是若一并更新鍋爐控制柜，一些鍋爐本體配件的輸出信號量可能會與新系統不匹配，同樣需要提前確認更換相關配件，避免耽誤改造施工進度。

（4）低氮燃燒器最重要的出廠指標就是型式試驗證書及報告，出廠合格證，這些將作為特檢所檢驗的重要指標。對于加裝煙氣再循環系統的低氮燃燒器，其形式試驗證書中的型號后必須帶有FGR標識，這一點需要特別注意。

5 結束語

隨著我國對大氣污染治理力度的不斷加大，對于鍋爐燃燒廢氣的治理將不僅局限在北京地區，低氮改造必將得到廣泛應用，在用鍋爐的大多數業主和鍋爐使用方將直接面向燃燒器廠家，只有全面了解相關知識，才能在低氮燃燒器的選型、施工以及后續維護保養中做到知己知彼，指揮若定。