低氮燃?xì)馊紵鞯男阅芨倪M(jìn)與探討

張曉東，單宏偉，張龑，趙娟

（南京博納能源環(huán)保科技有限公司，江蘇 南京 210048）

目前世界各國(guó)對(duì)氮氧化物的排放提出了越來(lái)越高的要求，為有效控制污染物排放，國(guó)家環(huán)保部出臺(tái)了一系列大氣污染物排放新標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)新建鍋爐氮氧化物排放限值降低到一般地區(qū)200mg/m3，嚴(yán)格地區(qū)150mg/m3。2015年陸續(xù)發(fā)布的新標(biāo)準(zhǔn)中化工行業(yè)的氮氧化物排放限值更是降低到了一般地區(qū)150mg/m3，嚴(yán)格地區(qū)100mg/m3。氮氧化物的生成機(jī)理比較復(fù)雜，從國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)中可以知道，氮氧化物按生成機(jī)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(guān)。當(dāng)T<1500℃時(shí)，熱力型氮氧化物的生成量很少，而當(dāng) T>1500℃時(shí)，T每增加100℃，反應(yīng)速率增大6～7倍。快速型氮氧化物是當(dāng)CH類燃料過(guò)濃時(shí)，CH化合物高溫分解生成的CH自由基和空氣中N2反應(yīng)生成HCN和N后進(jìn)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(guān)。因此，有必要在已有的技術(shù)基礎(chǔ)上，研發(fā)設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，燃燒效率高、氮氧化物排放低的低氮燃?xì)馊紵鳌?/p>

1 背景技術(shù)

1．1 傳統(tǒng)技術(shù)方案

現(xiàn)普遍燃燒器都是由燃?xì)夤芙M件、助燃風(fēng)管組件、燃?xì)鈬婎^、穩(wěn)燃罩、長(zhǎng)明燈、高能點(diǎn)火裝置、火焰檢測(cè)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(nèi)穩(wěn)定著火并完全燃燒。點(diǎn)火槍安裝在長(zhǎng)明燈的內(nèi)部，通過(guò)外接的高能防爆點(diǎn)火器可進(jìn)行高壓放電。在點(diǎn)火槍放電的同時(shí)，打開(kāi)點(diǎn)火管路速斷閥，點(diǎn)火槍可直接點(diǎn)燃點(diǎn)火燃?xì)猓ㄟ^(guò)火焰檢測(cè)器反饋的信號(hào)可斷定小火是否點(diǎn)火成功。小火點(diǎn)火成功后，點(diǎn)火槍通過(guò)氣動(dòng)防爆推進(jìn)器往后退出300/400mm的距離，以保證點(diǎn)火槍遠(yuǎn)離火焰區(qū)，防止熱輻射損壞。小火穩(wěn)定燃燒后，即打開(kāi)主燃?xì)夤苈返乃贁嚅y，由小火引燃大火。大火引燃成功后升負(fù)荷，即增加燃料氣量，同時(shí)按燃料配風(fēng)比調(diào)節(jié)好助燃風(fēng)量，保證主燃料穩(wěn)定燃燒。燃?xì)夤芙M件、助燃風(fēng)管組件、燃?xì)鈬婎^、穩(wěn)燃罩是保證主燃料氣穩(wěn)定燃燒的核心件，若這4件設(shè)計(jì)時(shí)尺寸有問(wèn)題，易出現(xiàn)回火、滅火或燃燒不完全的情況。

1．2 傳統(tǒng)技術(shù)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(guò)長(zhǎng)，小尺寸爐膛使用此燃燒器，火焰易燒到對(duì)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(dá)標(biāo)。（3）燃燒火焰無(wú)法調(diào)節(jié)，無(wú)法保證爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性。（4）不考慮爐膛負(fù)壓的外界因素，燃燒器的調(diào)節(jié)比較小。

1．3 改進(jìn)方案

針對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷，我公司從以下幾方面對(duì)低氮燃燒性能進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)：（1）火焰長(zhǎng)度可調(diào)，可根據(jù)具體工況對(duì)火焰尺寸進(jìn)行調(diào)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(kāi)，盡可能保證爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性；（4）燃燒器的調(diào)節(jié)比增大，滿足項(xiàng)目主燃?xì)饬康牟▌?dòng)范圍。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2．1 工程概況

某化工有限公司4000萬(wàn)噸/年煉化一體化項(xiàng)目一期工程新建26萬(wàn)噸/年硫酸裝置工藝氣預(yù)熱爐的燃燒系統(tǒng)采用我公司研發(fā)的低氮燃?xì)馊紵鳌?/p>

2．2 工況參數(shù)

燃料氣見(jiàn)表1，工況見(jiàn)表2。

表1 燃料氣參數(shù)

表2 工況參數(shù)

2．3 燃燒器（圖1）

針對(duì)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的低氮燃?xì)馊紵鳎瑢⒅魅細(xì)馔ㄟ^(guò)燃?xì)猸h(huán)室分散到16根，2圈布置的噴管內(nèi)，通過(guò)獨(dú)立的噴管、噴頭噴出進(jìn)行燃燒，即將原先的1個(gè)火焰分成數(shù)個(gè)小火焰，增大火焰直徑，減少火焰長(zhǎng)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(shí)小火焰縮短了氧、氮等氣體在火焰中的停留時(shí)間，對(duì)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(dá)到低氮燃燒。

助燃風(fēng)進(jìn)入燃燒器本體后，通過(guò)內(nèi)部隔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)，分成一次燃燒配風(fēng)和二次燃燒配風(fēng)。一次主燃燒區(qū)缺氧燃燒，由于氧氣比相對(duì)較小，能夠抑制氮氧化物的生成。二次燃燒區(qū)域通過(guò)二次燃燒配風(fēng)降低燃燒的溫度，強(qiáng)化爐內(nèi)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(qū)產(chǎn)生的未完全燃燒的產(chǎn)物燃盡，從而達(dá)到低氮燃燒；一次燃燒配風(fēng)和二次燃燒配風(fēng)的風(fēng)量比例是可以通過(guò)各自入口處的調(diào)節(jié)風(fēng)門進(jìn)行調(diào)節(jié)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(nèi)溫度場(chǎng)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(nèi)進(jìn)行再循環(huán)，并參與燃燒過(guò)程，由于循環(huán)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(jié)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(jié)能的雙重效果；燃料氣進(jìn)入燃?xì)鈬姽芙M件前優(yōu)先進(jìn)入燃?xì)猸h(huán)室，然后通過(guò)燃?xì)猸h(huán)室上16只帶手閥控制的小燃?xì)夤苈愤M(jìn)入各自獨(dú)立的噴管組件內(nèi)，獨(dú)立噴管的內(nèi)部燃?xì)饬烤赏ㄟ^(guò)手閥來(lái)控制，小燃?xì)夤苈贩值脑蕉啵紵鞯恼{(diào)節(jié)比越大。

2．4 燃燒系統(tǒng)運(yùn)行性能（表3）

尾氣CO=0，NOx<90mg/m3

表3

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

2．5 燃燒系統(tǒng)性能效果

該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單安全，排放尾氣污染物NOx≤75mg/Nm3，排放氧含量≤3%，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)低氮燃?xì)馊紵鞯拈_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)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(shí)現(xiàn)低氮燃燒，低氮排放，燃燒器的調(diào)節(jié)比更大，且在過(guò)低負(fù)荷工況下保證穩(wěn)定運(yùn)行，不回火、不滅火、不停爐，保證廠區(qū)生產(chǎn)需求，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。