低氮燃燒技術在燃氣鍋爐煙氣達標排放中的應用

盧秋旭

（中國石化塔河分公司，新疆庫車842000）

按照國家環保部要求，單臺能力65 t/h以上除層燃、拋煤爐外的燃煤、燃油、燃氣鍋爐，無論是否發電，均應執行GB 13223—2011《火電大氣污染物排放標準》，該標準要求以氣體為燃料的在用鍋爐應滿足煙氣中NOx≯200 mg/m3，SO2≯100 mg/m3的指標。

1 現狀

塔河分公司3#、4#鍋爐原型號為TH75-3.82/450-Y、Q，于2010年投產。2014年完成增容改造，由75 t/h擴容至90 t/h，改造后鍋爐型號為TH90-3.82/450-Q，鍋爐采用四角切圓燃燒，最大持續蒸發量90 t/h。燃料為煉廠干氣和液化氣的混合氣。改造前，鍋爐煙氣排放情況如表1所示。

通過表1可以看出，改造前，3#、4#鍋爐煙氣氮氧化物含量達到200～293 mg/m3，超過國家環境保護部的排放要求。

2 改造方案比較及選擇

2.1 NOx 的生成機理

在燃燒過程中產生的NOx，一般包括NO和NO2。大量試驗結果表明，燃燒裝置排放的NOx中NO占絕大部分，一般約占95%，而NO2卻很少，僅占5%。因此，NOx主要是指NO。NOx按其生成途徑分類，可分為快速型、熱力型和燃料型。通常快速型NOx占5%，熱力型NOx占10%～15%，而燃料型NOx占全部NOx的75% ～ 80%[1]。

2.1.1 快速型 NOx

快速型NOx經N、NH、HCN等中間產物形成，NH和HCN經一系列的反應變成CN、N，再被氧化成NO。一般情況下，在不含氮的碳氫燃料低溫燃燒時，才重點考慮快速型NOx的生成[2]。

2.1.2 燃料型 NOx

燃料型NOx是由燃料中的氮化物形成。一般來說重油的含氮量在0.1%～0.3%，這些氮以氮原子的形態與各種碳氫化合物結合成氮的鏈狀化合物或環狀化合物，在燃燒時易進行熱分解生成低分子量的含氮化合物，如NH3、HCN、CN等，經氧化反應生成燃料型NOx[3]。

2.1.3 熱力型 NOx

熱力型NOx一般是燃燒時空氣中氮高溫氧化生成，其決定性的影響因素是溫度。實際火焰溫度分布不均勻，即使火焰的平均溫度低，但局部高溫處所產生的大量NOx，對總的NOx生成量起著重要的影響[4]。

表1 改造前鍋爐煙氣排放情況

由于3#、4#鍋爐燃料為煉廠干氣和液化氣，并非燃料油，所以可以排除大量生成燃料型NOx的可能性。3#、4#鍋爐燃料的主要組分見表2。

由表2可以看出，公司3#、4#鍋爐燃料的含氮量較少，加上使用燃料為燃氣的燃燒器，所以應主要考慮熱力型NOx生成。

表2鍋爐燃料主要組分 %（φ）

2.2 NOx 的控制方法

目前，工業上對NOx的控制方法大致可以分為三類，分別是燃燒前處理、燃燒中處理、燃燒后處理[5]。

燃燒前處理是指燃燒前將燃料轉化為低氮燃料，處理技術復雜，難度高，成本高。燃燒中處理是指燃燒過程中抑制“熱力型NOx”的產生，并在運行中還原部分已經生成的NOx。燃燒后處理是指煙氣脫銷，包括選擇性催化還原法SCR、選擇性非催化還原法SNCR，燃燒后處理鍋爐改造工作量大，成本較高[6]。

因此，對于鍋爐而言，采用燃燒中處理的方式是可行也是較為經濟的方法，比如低氮燃燒技術。

3 改造方案選擇

針對3#、4#鍋爐的當前客觀條件，選擇采用燃燒中處理的方式，主要降低生成的熱力型NOx。因此，考慮選擇低氮燃氣燃燒器，配合使用煙氣再循環方式降低煙氣中的NOx含量。

3.1 低氮燃燒器

燃氣低氮燃燒器由中心一級燃料槍和分布四周的二級燃料槍組成，主要目的是實現燃料分級和火焰分割，同時降低局部區域氧濃度，抑制NOx的生成。燃料分級是指燃料分梯次與空氣混合燃燒，使燃燒器出口局部區域形成還原性氣氛，降低區域溫度，從而達到降低NOx的目的。通過燃料氣分級布置，采用直流和旋流相銜接，對形成的火焰高溫區進行區間分割，形成若干個大致等規模的火焰區域，在燃燒釋放的熱容量不發生顯著變化的條件下，使得火焰溫度更加均勻，則熱力型NOx的生成率將會大幅度降低。

3.2 煙氣再循環

為確保改造后煙氣排放NOx濃度低于200 mg/m3，還需要進一步降低燃燒區域溫度和燃燒區域的氧氣濃度，從而更加有效地降低NOx的生成速率。為此，考慮增加鍋爐煙氣再循環系統，在引風機出口增設煙氣分布組件，見圖1，分流一部分煙氣占入爐空氣總量的20%～40%，用新增加的再循環風機送到鼓風機出口，與一次風混合后送入爐內，達到降低燃燒區域溫度和氧濃度的目的。

圖1 煙氣再循環流程

4 改造內容及工程量

2017年9月，4#鍋爐按上述方案進行改造，主要改造內容包括以下三個方面：

一是更換裝置現有的燃燒器為低氮燃燒器，在燃燒器的設計過程中充分考慮火焰形態和爐膛尺寸的匹配，從而保證爐膛整體溫度場均勻，同時在滿足鍋爐負荷的基礎上，達到氮氧化物的超低排放。

二是火焰監測系統、燃燒控制系統控制柜及風門控制系統、自動點火系統等根據燃燒器適當調整，以滿足低氮燃燒和鍋爐正常運行的控制要求。

三是新增煙氣再循環風機及相應的管道，用以滿足煙氣再循環技術的設計要求，并能夠實現鍋爐負荷變化時，對空氣量、再循環風量與燃氣量比例的自動調節，在使用低氮燃燒器的基礎之上，進一步降低燃燒煙氣中的氮氧化物產生。

設計工程建設投資為972萬元，其中工程費為802萬元，占總投資的82.55%。主要新增設施見表3。

表3 主要新增設施清單

5 改造效果

2017年12月，4#鍋爐改造完畢后進行了生產標定，標定期間鍋爐負荷和煙氣排放分析具體見表4。由表4可知，4#爐改造完畢后，在設計負荷條件下，鍋爐煙氣中的氮氧化物濃度在127.9～182.7 mg/m3，二氧化硫在0～28.6 mg/m3，滿足國家環保部門NOx≯200 mg/m3，SO2≯100 mg/m3的排放要求。

改造后，裝置新增一臺再循環風機，新增公用工程消耗主要為電耗。標定期間，裝置每小時新增電耗為140.5 kW·h。

表4 標定期間鍋爐負荷和煙氣排放分析

6 結論

設計負荷90 t/h的燃氣鍋爐，選擇低氮燃氣燃燒器，配合使用煙氣再循環方式進行改造，可以將鍋爐煙氣的氮氧化物含量由200～293 mg/m3降低至127.9～182.7 mg/m3，達到了國家環保標準GB 13223—2011《火電大氣污染物排放標準》的排放要求。