低氮燃氣燃燒器的性能改進與探討

張曉東，單宏偉，張龑，趙娟

（南京博納能源環保科技有限公司，江蘇 南京 210048）

目前世界各國對氮氧化物的排放提出了越來越高的要求，為有效控制污染物排放，國家環保部出臺了一系列大氣污染物排放新標準，其中對新建鍋爐氮氧化物排放限值降低到一般地區200mg/m3，嚴格地區150mg/m3。2015年陸續發布的新標準中化工行業的氮氧化物排放限值更是降低到了一般地區150mg/m3，嚴格地區100mg/m3。氮氧化物的生成機理比較復雜，從國內外的研究文獻中可以知道，氮氧化物按生成機理的不同分為3類：熱力型、快速型和燃料型。熱力型氮氧化物的生成與溫度有關。當T<1500℃時，熱力型氮氧化物的生成量很少，而當 T>1500℃時，T每增加100℃，反應速率增大6～7倍。快速型氮氧化物是當CH類燃料過濃時，CH化合物高溫分解生成的CH自由基和空氣中N2反應生成HCN和N后進一步氧化成氮氧化物。燃料型氮氧化物的生成和燃料中含有N有關。因此，有必要在已有的技術基礎上，研發設計一種結構設計合理，燃燒效率高、氮氧化物排放低的低氮燃氣燃燒器。

1 背景技術

1．1 傳統技術方案

現普遍燃燒器都是由燃氣管組件、助燃風管組件、燃氣噴頭、穩燃罩、長明燈、高能點火裝置、火焰檢測器和觀火孔等部件組成，將燃料和空氣按所要求的比例、速度和混合方式送入爐膛，并使燃料能夠在爐膛內穩定著火并完全燃燒。點火槍安裝在長明燈的內部，通過外接的高能防爆點火器可進行高壓放電。在點火槍放電的同時，打開點火管路速斷閥，點火槍可直接點燃點火燃氣，通過火焰檢測器反饋的信號可斷定小火是否點火成功。小火點火成功后，點火槍通過氣動防爆推進器往后退出300/400mm的距離，以保證點火槍遠離火焰區，防止熱輻射損壞。小火穩定燃燒后，即打開主燃氣管路的速斷閥，由小火引燃大火。大火引燃成功后升負荷，即增加燃料氣量，同時按燃料配風比調節好助燃風量，保證主燃料穩定燃燒。燃氣管組件、助燃風管組件、燃氣噴頭、穩燃罩是保證主燃料氣穩定燃燒的核心件，若這4件設計時尺寸有問題，易出現回火、滅火或燃燒不完全的情況。

1．2 傳統技術方案的缺陷

以上所述燃燒器僅僅滿足燃燒效果，燃燒煙氣中的氮氧化物含量很難控制。

（1）燃燒火焰過長，小尺寸爐膛使用此燃燒器，火焰易燒到對面爐墻。（2）燃燒火焰集中，火焰溫度較高，熱力型氮氧化物生成較多，排放不達標。（3）燃燒火焰無法調節，無法保證爐膛內溫度場的均勻性。（4）不考慮爐膛負壓的外界因素，燃燒器的調節比較小。

1．3 改進方案

針對現有傳統技術的缺陷，我公司從以下幾方面對低氮燃燒性能進行了優化改進：（1）火焰長度可調，可根據具體工況對火焰尺寸進行調整；（2）低氮燃燒，控制氮氧化物的生成，滿足排放要求；（3）燃燒火焰盡量鋪開，盡可能保證爐膛內溫度場的均勻性；（4）燃燒器的調節比增大，滿足項目主燃氣量的波動范圍。

2 工程應用實例

2．1 工程概況

某化工有限公司4000萬噸/年煉化一體化項目一期工程新建26萬噸/年硫酸裝置工藝氣預熱爐的燃燒系統采用我公司研發的低氮燃氣燃燒器。

2．2 工況參數

燃料氣見表1，工況見表2。

表1 燃料氣參數

表2 工況參數

2．3 燃燒器（圖1）

針對該項目設計的低氮燃氣燃燒器，將主燃氣通過燃氣環室分散到16根，2圈布置的噴管內，通過獨立的噴管、噴頭噴出進行燃燒，即將原先的1個火焰分成數個小火焰，增大火焰直徑，減少火焰長度；由于小火焰散熱面積大，火焰溫度較低，使熱力型氮氧化有所下降，同時小火焰縮短了氧、氮等氣體在火焰中的停留時間，對熱力型氮氧化物和燃料型氮氧化物都有明顯的抑制作用，從而達到低氮燃燒。

助燃風進入燃燒器本體后，通過內部隔板結構進行分級，分成一次燃燒配風和二次燃燒配風。一次主燃燒區缺氧燃燒，由于氧氣比相對較小，能夠抑制氮氧化物的生成。二次燃燒區域通過二次燃燒配風降低燃燒的溫度，強化爐內換熱，有利于未被還原的氮氧化物盡快還原，還能保證一次燃燒區產生的未完全燃燒的產物燃盡，從而達到低氮燃燒；一次燃燒配風和二次燃燒配風的風量比例是可以通過各自入口處的調節風門進行調節的，既可以控制火焰的尺寸，又可以控制火焰的剛度，從而保證爐膛內溫度場的均勻性和更好的低氮燃燒效果；抽取一部分燃燒降溫后的煙氣回燃燒器內進行再循環，并參與燃燒過程，由于循環煙氣的熱容量大，可以降低燃燒的溫度，不但可以提高燃燒效率，節省燃料用量，還可以控制氮氧化物的生成，有抑制氧化氮和節能的雙重效果；燃料氣進入燃氣噴管組件前優先進入燃氣環室，然后通過燃氣環室上16只帶手閥控制的小燃氣管路進入各自獨立的噴管組件內，獨立噴管的內部燃氣量均可通過手閥來控制，小燃氣管路分的越多，燃燒器的調節比越大。

2．4 燃燒系統運行性能（表3）

尾氣CO=0，NOx<90mg/m3

表3

圖1 燃燒器結構示意圖

2．5 燃燒系統性能效果

該系統運行穩定，自動化程度高，操作簡單安全，排放尾氣污染物NOx≤75mg/Nm3，排放氧含量≤3%，經濟環保。

3 結語

針對低氮燃氣燃燒器的開發設計，通過對火焰尺寸的控制，燃燒器可適用于更多型式及尺寸的爐膛，實現低氮燃燒，低氮排放，燃燒器的調節比更大，且在過低負荷工況下保證穩定運行，不回火、不滅火、不停爐，保證廠區生產需求，經濟效益和社會效益顯著。