焦爐煤氣鍋爐低氮燃燒技術的試驗研究

郭艷平 張玉斌

摘 要：通過更換焦爐煤氣鍋爐燃燒器、增加煙氣再循環(huán)和燃盡風系統(tǒng)三種技術手段，實現(xiàn)降低氮氧化物生成的目的。試驗結果表明：低氮燃燒器作用最為明顯，能夠將焦爐煤氣鍋爐氮氧化物濃度降低到150mg/Nm3（折算至O2=3%）以下，部分工況通過控制鍋爐氧量可低至100mg/Nm3（折算至O2=3%）以下。

關鍵詞：焦爐煤氣；低氮燃燒器；燃盡風系統(tǒng)；煙氣再循環(huán)

一、背景

隨著社會的發(fā)展，對環(huán)保要求愈加重視。與傳統(tǒng)燃料相比，燃氣燃燒產生的SO2和粉塵較少，但氮氧化物（NOx）排放值相對較高。焦爐煤氣（COG）可燃成分以H2為主，由于其具有著火快，火焰初始溫度高的特點，在燃燒過程中將產生大量熱力型NOx。隨著環(huán)保要求的提高，焦爐煤氣鍋爐高NOx排放特性限制其正常使用，需要對其進行低氮改造來滿足環(huán)保要求。

二、焦爐煤氣燃燒過程中NOx形成機理

2.1 燃氣燃燒NOx形成機理

燃氣鍋爐運行中產生的NOx按生成機理分類主要有熱力型（Thermal NOx）、燃料型（Fuel NOx）、快速型（Prompt NOx）；NOx主要是一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2），其中 NO 約占 95%【1】。熱力型NOx是由燃燒空氣中的N2在高溫下氧化而成，根據(jù)捷里多維奇（Zeldovich）反應機理，空氣中的氮氣在高溫下氧化反應如公式（1）和公式（2）所示：

N2 + O2 —— NO + N （1）

N + O2 —— NO + O （2）

根據(jù) Zeldovich 反應機理，NO 生成速度可用公式（3）表示：

（3）

式中：CNO 、CN2 、CO2 ———分別為NO、N2 、O2 的濃度，mol/cm3

R———氣體常數(shù)，取 8.314，J/mol？K

T———燃燒溫度，K

從公式（3）可以看出，燃燒溫度 T、氧氣濃度及氮氣濃度對熱力型NOx的生成速率均有重要影響。研究表明[2]，當溫度達到1800 K時，熱力型NO x生成速率明顯加快，溫度每升高100 K，生成速率將增大5～7倍。

2.2 燃氣燃燒主要控制NOx手段

從焦爐煤氣自身成分分析，焦爐煤氣中存在的氮元素極少，幾乎沒有燃料型NOx，研究發(fā)現(xiàn)焦爐煤氣燃燒產生的熱力型NOx占總量的95%以上。如何通過技術手段來降低熱力型NOx成為焦爐煤氣鍋爐低氮改造的關鍵。

從 NOx的生成機理可以看出，燃氣低NOx燃燒的關鍵控制因素包括降低爐內燃燒溫度、優(yōu)化燃氣與助燃空氣的混合比、縮短氧化反應時間。主要低氮燃燒技術有：（1）空氣分級燃燒；（2）燃料分級燃燒；（3）煙氣再循環(huán)；（4）低過剩空氣燃燒；（5）低氮燃燒器等。

三、試驗內容

3.1 鍋爐主要參數(shù)

東嶺冶煉公司為提高自身經(jīng)濟效益和能源利用率，采用焦爐煤氣作為驅動燃料來發(fā)電，供自身生產需要，鍋爐主要參數(shù)如下：額定蒸發(fā)量：95t/h；過熱蒸汽壓力：5.3MPa；過熱蒸汽溫度：450℃；鍋筒工作壓力：5.83MPa；給水溫度：200℃；排煙溫度：160℃；燃料（焦爐煤氣）：16000Nm3/h。鍋爐標高22.57m，爐膛為5.81×5.81m的正方形，采用正四角直流式煤氣燃燒器，假想切圓直徑500mm。鍋爐改造前氮氧化物排放濃度為200-250 mg/m3（O2濃度約9%-10%），折算至O2=3%條件下約為350-400 mg/m3左右。

3.2實施低氮燃燒的主要手段

3.2.1低氮燃燒器

本次改造采用的低氮燃燒器設計有三級噴槍，中心一級，四周兩級，風箱與燃燒器一體設計。新燃燒器需要最大的開孔尺寸為直徑810mm，原水冷壁開孔尺寸為直徑840mm，所以無需對原水冷壁開孔進行更換，保留原燃燒器的火檢及風道風門。每個燃燒器安裝有一個高能點火槍和兩個觀火鏡。

3.2.2煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

煙氣再循環(huán)技術能有效降低火焰溫度，稀釋氧氣濃度，降低燃燒速度，可以減少熱力型NOx生成。研究表明，隨著煙氣循環(huán)量的增加，NOx降低率升高，較為合理的煙氣循環(huán)量為15%左右，且火焰穩(wěn)定性受循環(huán)量影響較大。

從引風機出口引一路煙氣到鼓風機入口前，通過煙氣再循環(huán)管路上的電動調節(jié)閥，調節(jié)進入爐膛的煙氣量。

3.2.3燃盡風系統(tǒng)（SOFA）

將燃燒所需的空氣量分成兩級送入爐膛，使主燃燒區(qū)內過量空氣系數(shù)在 0.8～1，燃料先在富燃料條件下燃燒，使得燃燒速度和溫度降低，延遲了燃燒過程，在還原性氣氛中大量含氮基團與NOx反應，提高了NOx向N 2的轉化率，降低了NOx在這一區(qū)域的生成量。將燃燒所需其余空氣通過布置在主燃燒器上方的燃盡風噴口送入爐膛，在供入燃盡風以后，成為富氧燃燒區(qū)，在富氧的狀況下燃盡為反應的碳氫化合物。由于該區(qū)域溫度較低，不會增加NOx的生成。

從鍋爐兩側的風箱分別引一路助燃空氣至9.4m標高處的燃盡風風口，使未能充分燃燒的燃氣充分燃燒。

四、試驗結果分析

4.1 煙氣再循環(huán)對NOx排放濃度的影響

將鍋爐負荷維持在一定范圍內，盡量維持氧量平穩(wěn)，調整再循環(huán)煙氣擋板門開度，并調整鼓風機入口風門及引風機出口風門開度，調整再循環(huán)煙氣量。測試鍋爐NOx排放濃度。隨著煙氣再循環(huán)風門開度的增加，NOx的排放值有所下降，下降的幅度相對較小。試驗表明煙氣再循環(huán)對焦爐煤氣鍋爐降低氮氧化物的效果有限。

4.2 燃盡風系統(tǒng)對NOx排放濃度的影響

將鍋爐維持在一定的負荷范圍內，調節(jié)燃盡風風門開度，改變燃盡風量相對總風量的比例。測量鍋爐NOx排放濃度。在調試過程中受到鍋爐氧量的影響，燃盡風系統(tǒng)對鍋爐降低氮氧化物的濃度作用不明顯。

4.3低氮燃燒器調試運行

在鍋爐不同負荷下，通過調節(jié)的鍋爐引風機和鼓風機將鍋爐爐膛出口負壓和爐膛氧量控制在合適范圍內，調節(jié)燃盡風電動風門和煙氣再循環(huán)風門，控制鍋爐NOx排放值。

鍋爐在低于7MW的負荷下運行，通過調整煙氣再循環(huán)以及燃盡風風量，在爐膛氧量低于1.5%時，可以將NOx折算值控制在100mg/Nm3以內。高負荷時，爐膛氧量控制3%以內，通過低氮燃燒系統(tǒng)后，鍋爐NOx折算值低于150mg/Nm3。對比改造之前，低氮燃燒系統(tǒng)能夠使NOx排放值降低60%以上。

五、結論

1、低氮燃燒系統(tǒng)能夠降低鍋爐氮氧化物排放濃度60%以上，將鍋爐NOx控制在150mg/Nm3（折算至O2=3%）以下。低負荷通過控制鍋爐爐膛氧量能夠將排放值降低到100mg/Nm3（折算至O2=3%）以下。

2、煙氣再循環(huán)對焦爐煤氣鍋爐降低氮氧化物排放作用有限。

3、燃盡風系統(tǒng)對鍋爐降低氮氧化物作用不明顯。

參考文獻：

[1]劉少林，吳金星，等.中小型燃氣鍋爐NOx源頭控制及低氮燃燒技術研究進展[J]工業(yè)鍋爐2017年（5）：17—27.

[2]錢英飛.焦爐加熱燃燒時氮氧化物的形成機理及控制 [J]. 燃料與化工， 2011，42（4）：231-235