煤氣鍋爐低氮低硫燃燒性能優化

蘇建財

新疆黑山煤炭化工有限公司 新疆 烏魯木齊 831400

引言

依據煤氣鍋爐實際情況,闡述影響鍋爐排放煙氣中SO2、NOx濃度的因素。在實踐中采取調整鍋爐高、焦爐煤氣流量配比以及上、下層燃燒器間煤氣空氣比例等措施,滿足國家對煤氣鍋爐排放煙氣中SO2、NOx濃度的環保要求。

1 燃氣鍋爐低氮燃燒的必要性

近年來,隨著我國工業產業的快速發展,使國民經濟水平獲得大幅度提升,與此同時,也對生態環境造成了一定的破壞,各大城市的霧霾現象日益加重,該現象引起社會各界的廣泛關注。業內的專家學者經過不斷研究后發現,在霧霾的成因中,氮氧化物(NOx)是一個至關重要的因素,為有效解決霧霾問題,必須從控制NOx排放入手。在能源結構優化調整的過程中,燃煤鍋爐的比例有所減少,但燃氣鍋爐的用量卻不斷增大,燃氣鍋爐以天然氣作為主要燃料,天然氣燃燒產生的煙氣中含大量的NOx。為使燃氣鍋爐NOx的排放達到相關標準的規定要求,必須采取低氮技術。

2 影響煙氣中SO2和NOx濃度的因素及控制方法

2.1 影響SO2濃度的因素及控制方法 經測算,高爐煤氣中SO2含量很低,一般在3～5mg/m3,可忽略不計。因此依據焦爐煤氣中H2S的含量來控制參與燃燒的高爐煤氣和焦爐煤氣的流量配比,就可以控制排放煙氣中SO2的濃度。由式(1)計算,1m3焦爐煤氣充分燃燒,生成的SO2的質量為1.88×CH2Smg,其中CH2S是焦爐煤氣中H2S含量(mg/m3)。2H2S＋3O2＝2SO2＋2H2O根據實際煤氣成分和充分燃燒含氧量(3%),理論計算(略)煙氣量為：1m3焦爐煤氣充分燃燒,產生的煙氣量為5.67m3(CO2、H2O、N2、O2和SO2等)；1m3高爐煤氣充分燃燒,產生的煙氣量為1.59m3(CO2、H2O、N2和 O2等)；當1m3焦爐煤氣(H2S含量為 CH2S)和nm3高爐煤氣(配比)充分燃燒,則煙氣中SO2濃度為1.88CH2S/(5.67＋1.59n)mg/m3。因焦化脫硫運行有時不太穩定,焦爐煤氣中H2S含量在200～4000mg/m3之間變動。依據鍋爐煙氣中SO2排放標準,焦爐煤氣中不同H2S含量對應的高、焦爐煤氣流量配為煤氣鍋爐燃燒調整控制SO2排放的參考依據。1.88×CH2S/(5.67＋1.59n)＜100(n＞0)。

2.2 影響NOx濃度因素及控制方法

2.2.1 煤氣燃燒生成NOx的影響因素 燃燒生成的NOx,通常有以下三種途徑。(1)燃燒時空氣中所含氮氣和氧氣在高溫狀態下生成NO,稱為溫度NOx。影響溫度NOx生成的原因主要有三個：①燃燒溫度。隨著燃燒溫度的上升,NOx的生成量呈數量級上升。溫度NOx主要生成于燃燒溫度1500K以上。②在燃燒區域的氧氣濃度。隨著空氣系數增大,即氧氣濃度增加時,NOx的生成量急劇上升；反之,NOx的生成量急劇下降。③燃燒氣體在高溫區域的滯留時間。隨著滯留時間的增加,NOx的生成量增加。(2)燃料中所含各種氮化合物的一部分在燃燒時氧化生成NO,稱為燃料NOx。燃料NOx的生成量與燃料中所含氮化合物的多少有直接關系,同時,與燃燒時火焰溫度、氧氣濃度等因素有關。煤氣中的氮優先轉化為HCN和NH3,HCN和NH3再經過一系列反應轉化為NOx。(3)快速型NOx。由于煤氣中的碳氫化合物高溫分解生成的CH自由基可以和空氣中的氮氣反應生成HCN和N,再進一步和氧氣作用以極快的速度生成NOx。此類型產生的NOx的量很小,不是主要來源。

2.2.2 煤氣燃燒生成NOx的控制方法 如今主要采用低NOx燃燒器(含自身再循環低NOx燃燒器、二次或多次燃燒型低NOx燃燒器、濃淡燃燒型低NOx燃燒器等)、排煙再循環、噴水或噴汽等燃燒改善方法,以及燃料脫硝等燃料改善方法,降低NOx的產生。考慮現有的燃料、燃燒設備和排煙中NOx濃度超標嚴重的情況,采用下列方法降低溫度NOx濃度比較經濟、可靠。(1)煤氣爐爐膛出口煙溫設計為900℃,實際運行小于840℃,總體燃燒溫度不是很高,因此采取降低燃燒溫度來減少溫度NOx的生成不做重點考慮,但應做到兩側爐膛出口煙溫均勻(小于30℃),爐膛兩側出口煙溫均不許超過900℃,避免局部燃燒溫度過高。(2)依據溫度NOx生成的原理,將空氣進行分級送入,在下層燃燒器采取小空燃比,形成缺氧還原燃燒氣氛,降低該燃燒區域的氧氣濃度；在上層燃燒器采取大空燃比,形成氧化燃燒氣氛,保證燃燒充分。

3 低氮技術及其在燃氣鍋爐中的運用

3.1 煙氣再循環 這是一種能夠有效抑制氮氧化物排放的技術措施,煙氣再循環的技術原理如下：在燃氣鍋爐的空氣預熱器前,將部分溫度較低的煙氣抽取出來,可將這部分煙氣直接送入到爐膛內,也可與一次或是二次風進行混合后,再送入到爐膛內,由此不但能夠使鍋爐燃燒的溫度大幅度降低,并且還能使氧氣的濃度隨之降低,氮氧化物的濃度顯著降低。煙氣再循環率是該方法中一個重要的技術指標,它是再循環煙氣量與不采用煙氣再循環時的煙氣量之比。在實際應用中發現,當煙氣再循環率為15－20%時,能夠使鍋爐氮氧化物的排放濃度降低25%左右。這種方法既可以單獨用于燃氣鍋爐,也可與其它低氮燃燒技術配合使用。

3.2 預混技術 這是一種將鍋爐燃燒所需的天然氣和空氣按照設定好的比例進行預先混合,然后將混合好的氣體直接送入到燃燒室內進行燃燒的方法。該技術最為突出的特點是火焰的長度較短,可以使燃燒變得更充分,熱效率非常高,可以達到105%以上,由此使得鍋爐燃燒過程中的熱損失大幅度降低。全預混技術能夠對燃氣鍋爐氮氧化物的排放量進行有效地控制,基本原理如下：火焰在爐膛內會沿著金屬纖維的表面均勻分布,由此可使爐膛內溫度場的分布變得更加均勻,這樣一來,局部的熱負荷隨之顯著降低,同時,過量空氣可以起到降低火焰溫度的作用,隨著燃燒溫度的降低,熱力型氮氧化物的濃度也會隨之降低。實際應用結果顯示,采用全預混技術的燃氣鍋爐,氮氧化物的排放量在30mg/m3以下。雖然這種方法在降低氮氧化物排放量方面的效果比較顯著,但是卻會導致清理維護的工作量增大,在具體應用時,需要對此予以注意。

結語

針對以高爐和焦爐煤氣為燃料的鍋爐,煙氣中SO2主要來源為焦爐煤氣中的H2S。可以依據焦爐煤氣中不同H2S含量,調整高、焦爐煤氣配比,控制煙氣中SO2的含量。針對鍋爐煙氣中NOx含量超標不嚴重的情況,下層燃燒器采取小空燃比,形成缺氧還原燃燒氣氛；在上層燃燒器采取大空燃比,形成氧化燃燒氣氛,減少煙氣中NOx的含量。但應做到兩側爐膛出口煙溫均勻(小于30℃),爐膛兩側出口煙溫均不超過900℃,避免局部燃燒溫度過高。